Bio-elektronische geneeskunde, waarbij elektrische signalen worden ingezet om het zenuwstelsel aan te sturen, is een veelbelovende therapievorm voorde behandeling van chronische aandoeningen. Onderzoekers van onderzoekscentrum imec hebben belangrijke stappen gezet om deze technologie preciezer, betrouwbaarder en energiezuiniger te maken. Dankzij innovaties waaronder een nieuw stimulatieprotocol, innovatieve implantaatomhulsels en slimme, gesloten-lussystemen komt gerichte zenuwstimulatie met minimale bijwerkingen dichterbij.
Bio-elektronische geneeskunde maakt gebruik van kleine elektrische impulsen die via implantaten rechtstreeks zenuwen stimuleren. Deze techniek kan symptomen onderdrukken of gewenste reacties versterken zonder dat het hele lichaam wordt beïnvloed, zoals bij traditionele medicatie vaak het geval is. Dit biedt uitkomst bij aandoeningen zoals reumatoïde artritis, chronische pijn, epilepsie of zelfs depressie.
Het perifere zenuwstelsel (PZS), dat signalen tussen de hersenen en organen transporteert, is daarbij een veelbelovende doelwitstructuur. Aandoeningen in dit systeem ontstaan vaak doordat zenuwen beschadigd zijn en signalen niet goed worden doorgegeven, wat kan leiden tot motorische en sensorische problemen. Door selectief zenuwvezels te stimuleren, worden behandelingen nauwkeuriger en effectiever en beter afgestemd op de patiënt.
Technologische uitdaging
Precieze stimulatie van perifere zenuwvezels biedt belangrijke therapeutische voordelen, maar stelt ook hoge technische eisen. Het gaat vaak om dieper gelegen zenuwen, waardoor chirurgie, verpakking, communicatie en energieoverdracht complexer worden. Een van de grootste uitdagingen is selectiviteit: hoe activeer je alleen de zenuwvezels die het gewenste effect hebben, zonder andere functies onbedoeld te beïnvloeden? Onbedoelde activatie kan immers leiden tot bijwerkingen, zoals stemverandering of hartkloppingen. Imec-wetenschappers hebben deze uitdaging aangepakt met een nieuwe vorm van gerichte stimulatie.
Daarnaast ontwikkelt imec nanotechnologie voor energiezuinige implantaten met innovatieve omhulsels die langdurig en veilig in het lichaam kunnen blijven functioneren. Deze implantaten zijn niet alleen klein en flexibel, maar ook slim: dankzij geïntegreerde sensoren en schakelingen kunnen ze signalen registreren én daarop reageren. Zo ontstaan gesloten-lussystemen die enkel actief worden wanneer dat nodig is.
Gerichte stimulatie met i²CS
Een van de meest opvallende innovaties van imec, in samenwerking met het Feinstein Institute for Medical Research, is het nieuwe stimulatieprotocol i²CS (intermitterende interferentiële stroomstimulatie). Deze methode gebruikt twee elektrische signalen met verschillende frequenties die elkaar in het lichaam kruisen. Op het snijpunt ontstaat een interferentiegebied waar heel lokaal en gericht stimulatie plaatsvindt.
De nervus vagus, een zenuwbundel die vitale organen zoals hart, longen en darmen aanstuurt, is een van de belangrijkste toepassingen voor i²CS. Deze zenuw is al een beproefd doelwit voor de behandeling van epilepsie en therapieresistente depressie. Omdat deze zenuw uit meerdere vertakte vezels bestaat, was het tot nu toe moeilijk om alleen de doelwitvezels te stimuleren. Uit de eerste resultaten blijkt dat i²CS selectief de zenuwen naar de longen kan activeren zonder het strottenhoofd of hart mee te beïnvloeden.
Bijkomend voordeel is dat de stimulatie pulserend gebeurt, wat het energieverbruik verlaagt en tegelijkertijd ruimte laat om signalen te meten. Dat maakt het systeem geschikt voor geautomatiseerde, responsieve therapieën die ingrijpen op basis van real-time informatie, zoals een aankomende epilepsieaanval.
Biocompatibiliteit zonder compromissen
Naast de stimulatietechniek zelf is ook het omhulsel van het implantaat van vitaal belang. Een implantaat moet bestand zijn tegen lichaamsvocht, maar tegelijkertijd zacht genoeg zijn om geen schade of irritatie te veroorzaken in de omliggende weefsels. De traditionele harde metalen omhulsels, zoals titanium, zijn hiervoor te rigide – zeker voor implantaten van micrometergrootte.
Daarom ontwikkelde CMST, een imec-labo aan de Universiteit Gent, een innovatief omhulsel dat opgebouwd is uit lagen polyimide en ultradunne vochtafwerende coatings van metaaloxiden, aangebracht met technieken uit de dunnefilmelektronica zoals atomaire laagdepositie (ALD). Deze combinatie biedt een unieke mix van flexibiliteit en uitstekende barrière-eigenschappen. Het bijbehorende fabricageproces sluit bovendien aan bij bestaande dunnefilmproductietechnieken, waardoor het geschikt is voor grootschalige en kostenefficiënte productie. Zo kunnen betrouwbare implantaten gemaakt worden die langdurig in het lichaam blijven functioneren, zonder afbraak van het omhulsel of lekkage.
Slimme stimulatie
De toekomst van bio-elektronische geneeskunde ligt in gesloten-lussystemen: implantaten die continu signalen registreren en alleen stimuleren wanneer dat nodig is. Dat maakt behandelingen niet alleen gerichter, maar ook energie-efficiënter. De meeste bestaande systemen werken echter nog als een aan-uit-schakelaar. Een goed voorbeeld hiervan is het implantaat van imec in samenwerking met Neurogyn, dat een overactieve blaas kalmeert door gericht de bekkenzenuw te stimuleren.
Een stap verder in de richting van gesloten-lusstimulatie gaat een nieuw Horizon Europe-project waarbij een implantaat in de stomp van een geamputeerde hand signalen uit de armzenuwen oppikt en die vertaalt naar bewegingen van een prothese. Feedback van de kunsthand – bijvoorbeeld over gripkracht of positie – wordt vervolgens teruggekoppeld naar de armzenuw van de gebruiker, zodat deze als het ware “voelt” wat de prothese doet.
Om zulke geavanceerde systemen mogelijk te maken, moet het energiebeleid herdacht worden. Omdat het implantaat dicht bij de zenuw moet zitten, klein moet blijven voor draagcomfort en vaak geen batterij bevat, moet het energieverbruik drastisch omlaag, tot veel minder dan 100 µW. Tegelijk moet het systeem signalen kunnen registreren en stimuleren. Imec ontwikkelde daarom schakelingen die enkel actief worden bij veranderingen in het zenuwsignaal. Zo daalt het energieverbruik aanzienlijk en wordt draadloze voeding haalbaar.
Naar een nieuwe standaard in neurotherapie
Door al deze innovaties te combineren – van nauwkeurige stimulatie via i²CS tot slimme implantaten met geavanceerde omhulsels en energiebeheer – draagt imec bij aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie bio-elektronische therapieën. Deze zijn niet alleen effectiever en meer gepersonaliseerd, maar ook geschikter voor langdurige toepassing in het lichaam.
De technologie biedt vooral perspectief voor patiënten met chronische aandoeningen waarvoor medicatie beperkt effect heeft. Door het zenuwstelsel gericht te moduleren in plaats van het hele lichaam bloot te stellen aan systemische medicatie, worden bijwerkingen beperkt en kan sneller worden bijgestuurd. Wat begon als een theoretisch concept, wordt zo langzaam maar zeker realiteit: elektriciteit als precisiegeneesmiddel.
