Sinds de beroemd geworden kikkerexperimenten van het Italiaanse koppel Lucia en Luigi Galvani heeft bio-elektriciteit een hele weg afgelegd: van omstreden elektroshocks tot een relatief gangbare medische methode in de behandeling van onder meer epilepsie, de ziekte van Parkinson, pijnbestrijding of depressie. Toch blijft het, omwille van de potentiële neveneffecten en de kostprijs, vaak een laatste redmiddel voor wie niet geholpen kan worden met andere behandelingen. Dat zou weleens kunnen veranderen zodra we elektrische stimulatie fijner kunnen bijsturen op basis van ultranauwkeurige metingen. Chiptechnologie maakt dat in de nabije toekomst mogelijk.
Het idee van de Galvani’s was verrassend eenvoudig: door elektrisch actief weefsel rechtstreeks te stimuleren kunnen condities in het lichaam bevorderd of net onderdrukt worden. Maar tweeënhalve eeuw na hun experimenten met kikkers, moeten we vaststellen dat de geneeskunde hoofdzakelijk een ander pad insloeg: dat van moleculair ontworpen medicijnen die via de darmwand in het bloed terechtkomen, en zo hun weg vinden naar het geselecteerde orgaan. Elektrische stimulatie speelde al die tijd de tweede viool, en gold –zeker als het ging om stimulatie onder de hersenpan- vaak als laatste redmiddel voor wie alle andere behandelingen al uitgeprobeerd had. Een belangrijke reden daarvoor: het bleef een proces van trial en error, met heel wat potentiële neveneffecten. De metingen in de hersenen waren doorgaans niet nauwkeurig genoeg, en hetzelfde gold voor de elektrische stimuli die toegediend werden.
Gestut door technologie, zou daar in de nabije toekomst verandering in kunnen komen. Het engagement van farmareus GSK, die voor de elektrische behandeling van reuma de handen in elkaar slaat met Verily (het vroegere Google Life Sciences), is in elk geval tekenend voor de hernieuwde interesse in deze tak van de geneeskunde.
Trend: steeds nauwkeurige metingen in de hersenen
Miniaturisatie door middel van chiptechnologie heeft de neuro-instrumenten onnoemelijk veel kleiner en preciezer gemaakt. Hadden we vroeger louter een spreekwoordelijke moker ter beschikking, dan treden we nu het tijdperk binnen van de precisieschroevendraaiers. Zo bestaan er intussen ultrafijne hersenimplantaten met maar liefst 10.000 registratie-elektrodes, een resolutie die vele malen hoger is dan die van een klassieke EEG-scan. En ook voor de stimulatie geldt dat de precisie toeneemt. Terwijl vroeger ‘zones’ gestimuleerd moesten worden, wat onvermijdelijk leidt tot stimulatie van omliggende neuronen en neveneffecten, kan dat stilaan op het niveau van individuele cellen.
Naar een ‘closed loop’ voor epileptische aanvallen
Epileptische aanvallen zijn de meest voor de hand liggende aandoening waar zenuwstimulatie een rol van betekenis kan spelen - aangezien het in wezen een ‘elektrisch probleem’. Als we de informatie uit de betere hersenregistratie koppelen aan de elektrische stimulatie, kunnen we stimulatie in real time bijsturen op basis van wat we meten in de hersenen. Registreren we een aanval, dan zullen we op dat specifieke moment meteen de juiste dosis elektriciteit, op exact de juiste plek, kunnen voorzien. Registratie en stimulatie vormen dan een “closed loop”, dus.
Bij imec werken we aan technologische oplossingen om registratie en stimulatie te kunnen verwerken in één medisch instrument (een nog ingenieuzere probe dan degene die vandaag bestaan), een instrument dat weliswaar gekoppeld wordt aan computerkracht. Want om de aanvallen snel en accuraat te kunnen herkennen, zullen we moeten rekenen op artificiële intelligentie en speciale datacompressiemethodes. Neuroprobes leveren per slot van rekening enorme hoeveelheden ruwe data. En om de stroom te voorzien voor elektrische stimulatie, werken we aan draadloze oplossingen zodat de batterij voor de probes niet langer met draden verbonden hoeft te zijn. Dat is cruciaal als je mensen zo’n instrument in het dagelijkse leven wil laten dragen. Tot slot: evident moeten ook alle vragen rond cyberveiligheid waterdicht beantwoord zijn.
De technische bouwblokken om zo’n ‘closed loop’ te construeren, zijn dankzij de snelle ontwikkelingen in chiptechnologie en AI, al in een behoorlijk gevorderde staat. Uiteraard zullen, zoals voor elke behandeling en elk medisch product, uitgebreide klinische tests en goedkeuringen nodig zijn. Maar het is alle moeite waard: deze verfijnde vorm van elektrische stimulatie van het centrale zenuwstelsel zal de behandelopties specifieker, effectiever, veiliger en comfortabeler maken.
Chronische ziektes elektrisch behandelen
En wat meer is: door de verhoogde precisie zal ook het aantal mogelijke toepassingen fors uitbreiden richting andere chronische ziektes. Behalve de behandeling van epilepsie, de ziekte van Parkinson, depressies en pijnbestrijding, zouden we via een gerichte stimulatie van het perifere zenuwstelsel aanslepende problemen als diabetes, reuma of lage rugpijn elektrisch kunnen aanpakken.
Door verhoogde nauwkeurigheid maken we ook komaf met de voornaamste nadelen van elektrische behandelingen die vandaag bestaan. En tegelijkertijd blijven de voordelen erg aantrekkelijk: geen systemische neveneffecten zoals afbraakproducten van medicatie die lever of nieren overbelasten. Bovendien kan je het signaal instant uitschakelen, wat bij een regulier medicijn dat een hele tijd door onze bloedbaan reist, uiteraard niet mogelijk is. De toekomst is, minstens voor een stuk, elektrisch!
Peter Peumans behaalde een doctoraat als elektrisch ingenieur aan Princeton University, en een bachelor- en masterdiploma aan de Katholieke Universiteit Leuven. Voor hij bij imec in dienst trad, was Peter Peumans professor Electrical Engineering aan de Stanford University. Hij ontving een NSF CAREER award en een Belgian-American Educational Foundation honorary fellowship. Hij is momenteel verantwoordelijk voor imec's strategie in gezondheid.
Meer over de volgende onderwerpen:
Gepubliceerd op:
22 december 2023
