Väitös elektroniikan integraation ja luotettavuuden alalta, DI Samuel Rantataro

Väitöskirjan nimi: Ultrasensitive and selective real-time detection of neurotransmitters for brain-on-a-chip applications

Tohtoriopiskelija: Samuel Rantataro
Vastaväittäjä: Prof. Jill Venton, University of Virginia, US
Kustos: Prof. Tomi Laurila, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, sähkötekniikan ja automaation laitos

Neurologiset sairaudet ovat vuosittain osallisena jopa 10 miljoonassa kuolemassa ja määrän odotetaan kasvavan ikääntyvän väestön lisääntyessä. Toistaiseksi saatavilla on ainoastaan oireita lievittäviä lääkkeitä, eikä sairauksia parantavia kohdennettuja lääkkeitä ole pystytty kehittämään. Vaikka eläinkokeissa onkin saatu lupaavia tuloksia kohdennettujen lääkkeiden käytöstä neurologisten sairauksien hoidossa, niiden tuloksia ei ole pystytty toistamaan ihmisissä. Haasteet kokeiden toistamisessa selittyvät muun muassa eroilla ihmisen ja koe-eläimen genomissa sekä hermostossa itsessään, minkä vuoksi tauti- ja lääketutkimuksessa olisi optimaalisinta käyttää ihmisen hermoston soluja. 

Monimutkaisten aivomallien käyttöön lääketutkimuksessa liittyy kuitenkin monia vaikeuksia, joista merkittävin liittyy organoidien karakterisoimisen hitauteen. Mikäli organoidien vastetta eri lääkeaineille ei voida karakterisoida riittävän nopeasti tai monipuolisesti, hidastuu myös lääkkeiden kehitys merkittävästi. Sähkökemiallisia mittauksia voidaan hyödyntää organoidien tutkimisessa, erityisesti kun tavoitteena on tutkia tiettyä hermosolutyyppiä kaikkien solutyyppien joukosta. Sähkökemiallisia mittauksia kuitenkin vaikeuttaa elatusaineiden aiheuttama elektrodien likaantuminen, pienentäen sensoreiden herkkyyttä merkittävästi. Tässä väitöskirjassa kehitettiin hiilinanoputkista valmistettuja sähkökemiallisia antureita hermovälittäjäaineiden reaaliaikaiseen mittaamiseen monimutkaisista aivo-malleista. 

Koska ihmisaivoja mahdollisimman tarkasti mallintavat aivomallit ovat erittäin herkkiä ympäristön vaikutuksille, sensorimateriaalien täytyy olla äärimmäisen bioyhteensopivia. Yksiseinämäisistä hiilinanoputkista valmistettujen elektrodien havaittiin myös mahdollistavan kaikkein herkimpienkin in vitro aivomallien, kuten ihmisen kantasoluista erilaistettujen hermosoluviljelmien tai aivo-organoidien selviytymisen elektrodin päällä. 

Biologisissa koejärjestelyissä käytetyistä karakterisointitekniikoista suurin osa perustuu käänteiseen mikroskopiaan. Tämän vuoksi myös elektrodin olisi oltava läpinäkyvä, jotta sen päällä olevia aivomalleja voitaisiin tutkia mikroskopian menetelmin. Sähkökemiallisissa antureissa käytetyistä materiaaleista vain murto-osa on läpinäkyviä, mutta hiilinanoputkista voidaan valmistaa sähköisesti johtavia kalvoja yli 90% läpinäkyvyydellä. 

Hiilinanoputkista tehdyt ohutkalvot ovat siten hyvin ainutlaatuinen elektrodimateriaali, täyttäen kaikki aivosiru-teknologian vaatimukset.

Avainsanat: Aivosiru, Hermovälittäjäaine, Sähkökemia, Anturi, Läpinäkyvä, Dopamiini

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Sähkötekniikan korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/53