Elektrische implantaten

Sinds de introductie van de pacemaker in 1958 is er veel veranderd in de wereld van de elektrostimulatie. Waar de eerste elektrische implantaten spieren als doelwit hadden, zijn de implantaten van nu flexibel en voornamelijk gericht op de zenuwen in ons lichaam. Het idee blijft hetzelfde: elektrische implantaten geven het lichaam de controle weer terug. Vasiliki Giagka, assistent-professor Bio-elektronica aan de TU Delft, vertelt over toekomst, heden en verleden van haar onderzoeksgebied.

De elektrische implantaten van nu lijken in het niets op de eerste pacemaker van zestig jaar geleden. Ze zijn vooral kleiner en hebben een veel langere batterijduur, maar daarnaast zijn ze veelzijdiger. Met kleine actieve implantaten kunnen we intussen de symptomen van de ziekte van Parkinson verlichten, pijn verzachten op verschillende plaatsen in het lichaam en incontinentie behandelen. Volgens Vasiliki Giagka maakt gepersonifieerde elektronica binnen afzienbare tijd deel uit van het behandelplan van patiënten met reumatoïde artritis, astma en diabetes, en kunnen patiënten met ruggenmergletsel binnen afzienbare tijd weer lopen op eigen kracht. Toekomstmuziek? Giagka: ‘Er zijn enorme mogelijkheden. Ik weet zeker dat veel mensen baat bij dit onderzoek zullen hebben’.

De plasticiteit van het ruggenmerg

‘Neuronen in ons lichaam vormen verbindingen met elkaar. Zo zorgt het ruggenmerg voor een communicatie tussen spieren en hersenen. Bij iemand met een beschadiging aan het ruggenmerg zijn deze verbindingen onderbroken. Ongeveer dertig jaar geleden ontdekten wetenschappers dat zo’n onderbreking toch omkeerbaar is: dat noemen we plasticiteit. Dit proces kunnen we stimuleren door fysieke training. Met een combinatie van elektrostimulatie, medicijnen en training zijn onderzoekers er in 2012 in geslaagd een dwarslaesiepatiënt zijn eigen gewicht te laten dragen, en zelfs een stap te laten zetten. Sindsdien zijn er meer en meer resultaten gepubliceerd. Ik weet niet of het ons gaat lukken om alle dwarslaesiepatiënten te behandelen - dat hangt af van heel veel factoren - maar volgens mij zijn er enorme mogelijkheden. Ik weet zeker dat er veel mensen baat bij dit onderzoek zullen hebben.’

Signalen

Elektronische implantaten spelen in op drie condities in het lichaam: het induceren van signalen die onderbroken zijn, het opnemen van signalen die elders uit het lichaam komen om ze door te geven aan een ander systeem, en het blokkeren van ongewenste signalen. ‘Denk aan hoe onze blaas werkt’, legt Giagka uit. ‘Hij raakt vol, dus moeten we hem ledigen. Er moet een signaal zijn dat ons lichaam die opdracht geeft. Dit is een signaal dat we kunnen induceren met elektronica, op een moment wanneer we dat willen. Maar dan willen we ook weten wanneer precies we dat signaal moeten geven, dus moeten we informatie verzamelen die aangeeft hoe vol de blaas is. Uit deze informatie kunnen we een signaal afleiden dat de blaas vol is, en dat hij weer leeg moet. Sommige mensen lijden aan incontinentie: hun blaas ledigt zich, zonder dat ze deze opdracht hebben gegeven. Met elektronica kunnen we dat signaal blokkeren, het mechanisme herstellen. We sluiten de lus.’

Zwakke plekken

Het sluiten van zo’n lus met elektronische stimulatie kan patiënten genezen met uiteenlopende aandoeningen, zoals ruggenmergletsel. Giagka: ‘Hier in Delft doen we onderzoek naar elektronica die het ruggenmerg stimuleren, zodat we de motoriek kunnen herstellen bij dwarslaesiepatiënten. Die kunnen dan weer leren lopen op een meer gecoördineerde manier.’ Giagka maakte al deel uit van deze onderzoekslijn toen ze in Engeland haar promotietraject afrondde. ‘Ik onderzocht er een flexibel elektrisch implantaat voor het stimuleren van het ruggenmerg. Daarbij wilde ik draadjes van en naar de elektronica vermijden, omdat die zwakke plekken rond het ruggenmerg veroorzaken. Op dit moment proberen we de afmetingen en de stroomconsumptie te verkleinen.’

Bioelektronische geneesmiddelen zijn nog kleiner dan de huidige implanteerbare hulpmiddelen, met alle technologie die geconcentreerd is in een kleine behuizing in een driedimensionale manchet-achtige vorm, die rond een zenuw kan worden geplaatst.

Over Vasiliki

Dr. Vasiliki (Vasso) Giagka (Athene, 1984) studeerde electronic and computer engineering aan de Aristotle University in Thessaloniki, de tweede stad in Griekenland. Na haar afstuderen in 2009 verhuisde ze naar Londen, waar ze aan het University College London haar PhD deed bij de Implantable Devices Group. Als postdoc werkte ze mee aan de GlaxoSmithKline Bioelectronics Innovation Challenge. Sinds 2015 werkt Giagka in Delft als assistant professor bij de Bioelectronics Group, waar ze onderzoek doet naar nieuwe materialen en benaderingen voor de problemen die bio-elektronische medicijnen met zich meebrengen. Daarnaast geeft ze onderwijs aan masterstudenten.

Lokale behandeling

Giagka’s huidige activiteiten richten zich op de volgende generatie actieve implantaten. ‘Ze zijn nog kleiner dan de huidige opties en richten zich op het perifere zenuwstelsel: kleinere zenuwen die door het hele lichaam signalen van gevoel en motoriek doorgeven. ‘Een arts moet de implantaatjes zelf rond een zenuw kunnen plaatsen door middel van een injectie, en moet ze kunnen programmeren, zodat ze de patiënt een gepersonaliseerde lokale behandeling geven. Dat heeft een groot voordeel: je behandelt alleen de directe omgeving, dus heb je geen last van bijwerkingen zoals bij een medicijn.’

Hordes

Maar voordat de huisarts een implantaat kan injecteren en programmeren, moeten er volgens Giagka nog wel wat hordes worden genomen. ‘De apparaatjes moeten biocompatibel zijn met het lichaam en de anatomie, zodat ze geen schade veroorzaken aan het lichaam. Tegelijkertijd moeten ze wel tientallen jaren meegaan. Daarnaast moeten ze draadloos van stroom worden voorzien en kunnen communiceren.’ Het is dan ook nog niet bekend hoe deze actieve implantaten eruit komen te zien. ‘We willen alle technologie concentreren in een kleine behuizing met een driedimensionale manchet-achtige vorm, die we rond de zenuw zouden kunnen plaatsen. Als we een implantaat konden maken ter grootte van een kubieke centimeter, dan zou dat fantastisch zijn.’ Veel bedrijven investeren in de markt sinds GlaxoSmithKline, een farmaceutisch bedrijf, enkele jaren geleden een competitie organiseerde rond de ontwikkeling van een draadloos actief implantaat. ‘Sindsdien zijn actieve implantaten een hot topic’, zegt Giagka. ‘Ik weet niet of het haalbaar is, maar GlaxoSmithKline hoopt deze implantaten in 2023 op de markt te hebben.’

Tekst: Koen Scheerders | Foto: Mark Prins | Illustratie: Katarina Radovic (Stocksy) | November 2017