Category Archives: Understanding the Brain

Auteur: Pieter Edelman

Bits & Chips, d. 14 oktober 2016

Omdat het lichaam gedeeltelijk elektrisch werkt, kunnen veel aandoeningen elektronisch worden behandeld. Dat is de gedachte achter de opkomende beweging van de ‘elektroceutica’, de elektronische tegenhanger van de farmaceutica. TU Delft-hoogleraar Wouter Serdijn vertelt over de ontwikkelingen en uitdagingen van het veld.

Farmaceutica is tot nu toe bijna het exclusieve domein geweest van de scheikunde, maar wellicht dat de elektronica de komende jaren net zo’n belangrijke rol gaat spelen. Het lichaam werkt immers gedeeltelijk elektrisch: denk aan de hersenen en het zenuwstelsel en het hart en andere spieren. Er zijn sterke aanwijzingen dat patiënten bij veel aandoeningen baat kunnen hebben bij een elektronische ingreep.

De aanpak wordt natuurlijk al toegepast. Cochleaire implantaten kunnen uitkomst bieden voor mensen met gehoorproblemen door direct signalen naar de gehoorzenuw te sturen. Hartritmestoornissen kunnen met een elektronische pacemaker worden gecorrigeerd. En bij Parkinson of chronische depressie kunnen elektrodes diep in het brein ontregelde elektrische activiteit aldaar tegengaan. Minister Schippers van Volksgezondheid heeft net aangekondigd om elektrostimulatie van het ruggenmerg bij chronische darmklachten te vergoeden.

Toch is dat in zekere zin nog pionierswerk. Volgende generaties van de aanpak kunnen de behandelingen waarschijnlijk nog aanzienlijk verbeteren. En niet alleen op neurologisch gebied; ook chronische aandoeningen zoals diabetes en astma zouden er baat bij kunnen hebben. Met als grote voordeel dat de behandeling, in tegenstelling tot bij medicijnen, kan worden toegespitst op het doelgebied, waardoor bijwerkingen mogelijk veel kleiner zijn.

Een duidelijk teken dat er iets te gebeuren staat, is dat de Britse farmareus GSK (Glaxosmithkline) eerder dit jaar de handen ineen heeft geslagen met Verily, zeg maar de medische tak van Google, om het nieuwe bedrijf Galvani Bioelectronics op te richten, dat exclusief onderzoek doet naar ‘elektroceutica’. Ze trekken samen 540 miljoen Britse pond uit voor het onderzoek de komende zeven jaar.

Een kolfje naar de hand van Wouter Serdijn, die de vakgroep Bio-elektronica aan de TU Delft leidt en zich de laatste jaren precies hierop profileert. ‘De term ‘elektroceutica’ bestond eigenlijk al langer, maar GSK is er een paar jaar geleden een betekenis aan gaan geven die exact de lading dekte van wat ik op dat moment deed. Dus toen ben ik daarmee verdergegaan.’

Niet dat hij medisch onderlegd is; zijn onderzoek richtte zich in eerste instantie op energiezuinige analoge ic’s en draadloze communicatie, pure elektrotechniek dus. De toepassingen ervan kwamen tijdens zijn carrière echter steeds meer te liggen bij implanteerbare devices, en dat effect heeft zichzelf versterkt: ‘Ik profileerde me altijd als low-power circuit-man, maar op een gegeven moment deed iedereen dat. Dus toen ging ik nadenken over wat mij nu onderscheidt van anderen, en dat waren de medische toepassingen, dus toen ben ik gaan spreken over biomedische elektronica. Op dat moment wisten de mensen uit de medische industrie me ineens te vinden. Heel gek, maar toen kwamen er ineens mensen die zeiden dat ze wat hebben aan ons onderzoek. Terwijl dat daarvoor ook zo zou zijn, maar dat werd nog niet gezien.’

De Bio-elektronica-groep komt nu regelmatig over de vloer bij academische ziekenhuizen – vooral die in Leiden en Rotterdam – maar ook bij de grote spelers op het gebied van implanteerbare devices. ‘We doen geen productontwikkeling voor hen, maar ze houden ons wel heel goed in de gaten als we weer een stap zetten in energiezuinig stimuleren en dergelijke. En dan willen ze ook wel van ons weten hoe het zit. Er zitten zeg maar stukjes Delft in patiëntenharten.’ Het mag dan ook geen verrassing heten dat Serdijn contacten heeft lopen bij GSK en al aan het kijken is of er gezamenlijke projecten mogelijk zijn met Galvani.

Dat laatste medische bolwerk

Spijt van die profilering heeft hij zeker niet; er blijken best raakvlakken te zijn tussen de elektronica en de biologie. ‘We geven hier al jaren het vak bioelectricity, dat gaat over de elektrische activiteit van cellen. Je kunt gewoon die interactie aangaan met neurostimulatoren en cochleaire implantaten en dergelijke. En voor een ingenieur is het eigenlijk prima te begrijpen wat er in de hersenen gebeurt – natuurlijk niet de psychologische processen maar wel de basale neurale processen. Het is ook fascinerend dat technologie kan inhaken op zeg maar dat laatste medische bolwerk, waar zo veel belangrijks van ons in zit maar waar we nog zo weinig van weten. Dat merk ik ook bij studenten.’

Juist het gebied van hersenstimulatie wordt echter nog weleens bestempeld als ‘middeleeuws’, een karakterisering die Serdijn onderschrijft: ‘Eigenlijk zijn het nog steeds een soort knipperlichten die in je hoofd gaan: ze geven met een strikte regelmaat een puls af. Maar je wilt daar slechts enkele cellen mee bereiken en die zijn heel erg klein, van een heel andere ordegrootte dan de afmetingen van de elektrodes. Als je dat misschien iets meer doseert, bijvoorbeeld door een burst te geven in plaats van een tonische puls, dan stimuleer je misschien net alleen de cellen die je wilt bereiken. Maar het is opvallend dat het bepalen van de juiste vorm van stimulatie vandaag de dag vooral gebaseerd is op trial-and-error.’

‘Het is ook wel grappig om te zien trouwens dat die neurostimulatoren momenteel al veel meer kunnen dan waarvoor ze zijn vrijgegeven. Fabrikanten brengen al ondergronds die geavanceerde stimulatiepatronen in, hoewel die nog niet gebruikt mogen worden omdat niet onomstotelijk is vastgesteld dat er geen ongewenste effecten optreden. Maar wanhopige patiënten willen best ver gaan als ze daarmee geholpen worden. Het is niet zo moeilijk om die functionaliteit in te bakken.’

Joh, ingenieur

Het minder goede nieuws voor Serdijns groep is dan ook dat er niet altijd evenveel technisch-wetenschappelijke eer te behalen valt aan de toepassingen. ‘Met de ‘vrijdagmiddagprojecten’ van ons kunnen we best al een grote impact hebben voor neurowetenschappers. We hebben bijvoorbeeld op een gegeven moment met een Beaglebone en eenvoudige analoge elektronica een systeem in elkaar gezet waarmee we closed-loop een muis vrij konden krijgen van epileptische aanvallen. Voor ons was dat gewoon een pcb’tje met een paar discrete componenten en een microcontroller; in feite stelde het niks voor. Maar het heeft wél een grote impact op het neurowetenschappelijke domein. En we hebben wel meer van dat soort dingen hier gehad.’

Het is dan ook niet altijd makkelijk om de juiste samenwerkingen op te zetten met de medici, merkt Serdijn. ‘Zwart-wit gezegd zijn er medisch wetenschappers of artsen die herkennen dat jij ook een specialisme vertegenwoordigt, en anderen die dat niet doen, die zeggen van: joh ingenieur, trek even die oplossing van de plank die ik nodig heb. Dan loopt de samenwerking heel snel dood. Maar als het wel lukt om van elkaar te begrijpen wat nou echt de uitdaging is en elkaars taal te spreken, dan heb je een dijk van een samenwerking. Dat is echt heel erg leuk.’

‘Je ziet nu ook wel dat er een behoefte aan het ontstaan is om die kloof tussen de medische en technische wereld te dichten. Ook vanuit de medische hoek. Dat heeft ook met het financieringsklimaat te maken. Ik heb het eerlijk gezegd weleens geprobeerd hoor, een project voor neurostimulatoren bij STW inzenden zonder daar een arts bij te betrekken. Maar ook al haal ik de relevante specificaties uit de literatuur, dan nog krijg ik de vraag of de arts het ermee eens is dat dit ook een verbetering is.’

En eerlijk is eerlijk, daarmee hebben ze wel een punt, moet Serdijn toegeven. ‘Bij die muis bijvoorbeeld hebben we gestimuleerd in de kleine hersenen, maar de meting was op de cortex, een andere plek. Zou ik niet hebben bedacht, want dat is niet mijn vakgebied. De elektronische oplossing is er nauwelijks door veranderd, maar er was dus nog wel een extra stap te maken. En soms zijn er andere dingen belangrijker dan alleen maar de technologische innovatie. Uiteindelijk moet het zijn weg vinden naar een kliniek en dan kunnen dat soort aspecten een rol spelen.’

Poor man’s silicon

Voor het elektroceutica-concept is er voor elektronici gelukkig nog meer dan genoeg te doen. Een van de belangrijke thema’s is terugkoppeling, zodat de neurostimulator zich kan aanpassen aan de reactie van het lichaam op de pulsen. Maar dit is nog problematisch, want hoe meet je de minuscule respons van een zenuwcel tegen de achtergrond van de veel grotere stimulatiepuls? ‘Die elektronica hebben we dus nog niet, maar er zijn verschillende manieren om dat aan te pakken’, vertelt Serdijn. ‘Je kunt het in het spatiële domein oplossen, dus gewoon verderop aan de zenuwbaan meten wat het effect is. Dat wordt bijvoorbeeld toegepast voor ruggenmergstimulatie. Je kunt het ook in het tijddomein proberen op te lossen. Je meet dan eerst het signaal na stimulatie en vlak daarna doe je dat nog een keer als die zenuw eigenlijk nog een beetje doof is, dus dan krijg je alles behalve de neurale respons. Wij proberen het te doen met een ad-omzetter die zich snel aanpast, die dus heel snel die stimulus volgt en daarbovenop dus die fijne resolutie probeert te pakken.’

Daarnaast richten de methodes zich nu nog vooral op het centrale zenuwstelsel, dat wil zeggen: de hersenen en het ruggenmerg. Maar voor veel van de nieuwe toepassingen, zoals die van Galvani, wordt het perifere zenuwstelsel beoogd, ofwel de vertakkende zenuwbundels die door het lichaam lopen. Daarmee moet het mogelijk zijn om de signalen naar specifieke organen te adresseren. Bovendien maken deze zenuwbundels – waarschijnlijk – allerlei onvoorziene interacties mogelijk. ‘Het AMC in Amsterdam heeft bijvoorbeeld aangetoond dat je door stimulatie van zo’n zenuwbundel reumatische artritis, die ontstekingsreacties die zich in de gewrichten voordoen, kunt onderdrukken. Dus door elektrische stimulatie kun je iets chemisch teweegbrengen verder op die zenuwbaan.’

De aanpak vraagt wel om geheel andere vormfactoren. ‘Tot nu toe zijn stimulatoren altijd gewoon blikjes, en die zijn stijf en groot en vooral gevuld met batterij. Dat moet dus anders, want je kunt ze niet eventjes rondom een zenuw aanbrengen die naar de maag toe loopt of zo. Elektronisch gezien is het exact dezelfde uitdaging, maar je moet elektronica maken die meebeweegt, want bijvoorbeeld zo’n maag staat te kneden en gaat op en neer.’

‘Wat momenteel best veel in de aandacht staat en waar wij ook mee werken, is PDMS, siliconenrubber. Ik verwacht dat je op den duur een soort hybride oplossing krijgt met flexibele actieve elektrodes in een soort poor man’s silicon die zich over grotere afstand kunnen verdelen en wat preprocessing doen. En je hebt natuurlijk een flexibele antenne voor energieoverdracht en de communicatie. Maar het hart van het implantaat zal gewoon een braaf high-performance cmos-ic zijn.’

Een andere stap is het inbouwen van leds in de neurostimulatoren. Dit heeft te maken met een techniek die de laatste jaren sterk in opkomst is: optogenetica, een techniek waarbij zenuwcellen via genetische modificatie lichtgevoelig worden gemaakt, zodat ze onder invloed van licht een puls vuren of juist onderdrukken. ‘Het grote voordeel is dat je die injectie heel lokaal kunt doen en dus alleen die cellen lichtgevoelig maakt die je wilt stimuleren. Dus het kan spatieel nog veel selectiever zijn dan elektrische stimulatie.’

‘Maar goed, het is dus wel genetische modificatie en dat is niet geaccepteerd om bij mensen te doen. Maar op het moment dat het een veel betere behandelingsoptie wordt, zou dat wel eens kunnen veranderen. De langetermijneffecten zijn nog niet bekend, maar ik denk dat mensen die nu al ondraaglijke pijn lijden niet lang hoeven na te denken of ze dat zouden willen.’