Nanorobots kunnen kanker bestrijden en bloedstolsels verwijderen

Kleine robots en voertuigen van nanoformaat die door bloedvaten kunnen navigeren om de plaats van een ziekte te bereiken, kunnen worden gebruikt om medicijnen af ​​te leveren aan tumoren die anders moeilijk te behandelen zijn.

Eenmaal geïnjecteerd of ingeslikt, vertrouwen de meeste medicijnen op de beweging van lichaamsvloeistoffen om hun weg door het lichaam te vinden. Het betekent dat sommige soorten ziekten op deze manier moeilijk effectief te behandelen zijn.

Een agressief type hersentumor dat bekend staat als glioblastoom, bijvoorbeeld, doodt honderdduizenden van mensen per jaar. Maar omdat het vingervormige uitsteeksels in het hersenweefsel van een patiënt produceert die de bloedvaten eromheen beschadigen, is het moeilijk voor medicijnen om de tumorplaats te bereiken.

“Als je deeltjes in het lichaam injecteert, volgen ze het bloed”, zegt professor Daniel Ahmed, die momenteel het Acoustic Robotics Systems Lab leidt aan de ETH Zürich in Zwitserland.

In plaats daarvan wenden wetenschappers zich tot nano-apparaten – kleine robots en voertuigen – om op een controleerbare manier medicijnen door het lichaam te verspreiden. Maar eerst moeten ze uitzoeken hoe ze ermee moeten rijden.

Nanodeeltjes zijn “10 keer kleiner dan rode bloedcellen, en als je passieve deeltjes gebruikt, is er geen manier om ze onder controle te houden”, zegt prof. Ahmed.

Om dit te verhelpen, hebben hij en zijn collega’s in de SONOBOTS -project gebruiken echografie om nanodevices te manipuleren die kankerdodende medicijnen vervoeren. Echografie technologie wordt typisch gebruikt door artsen in medische beeldvorming vanwege de manier waarop de hoogfrequente geluidsgolven op verschillende delen van het lichaam weerkaatsen, wat kan worden gebruikt om een ​​beeld te creëren.

Prof. Ahmed en zijn collega-wetenschappers hebben echter aangetoond dat ze een luchtbel in een polymeeromhulsel en een beeldvormende chemische stof kunnen geleiden – zodat deze kan worden gezien – met behulp van echografie. Ze noemen deze kleine voertuigen nanoswimmers vanwege hun vermogen om voorwaarts te bewegen door een vloeistof. De geluidsgolven duwen clusters van deze nanoswimmers naar de vaatwanden. Deze kracht is echter niet sterk genoeg om de beweging van rode bloedcellen in het bloed te beïnvloeden. Prof. Ahmed zegt dat hij werd geïnspireerd door de manier waarop sperma reist: ze blijven aan de stationaire wanden van de vagina plakken en gebruiken ze om hun voorwaartse beweging te begeleiden. “We verplaatsen (de nanoswimmers) naar de muur en manipuleren ze”, zei hij. Dit maakt het gemakkelijker om de nanoswimmers door een bloedvat in de goede richting te sturen, omdat ze de muren kunnen volgen.

Nanoswimmers

Dit vermogen om de nanoswimmers fijn te beheersen, is nodig als de wetenschappers hun medicijndragende nanoventielen naar glioblastomen willen brengen, wat het uiteindelijke doel is. Door de lekkende bloedvaten rond deze tumoren zullen de nanoswimmers zorgvuldig naar de kankercellen moeten worden genavigeerd. Maar eenmaal daar kunnen onderzoekers de zwemmer akoestisch schudden, zodat ze hun medicijnlading in de tumor afgeven.

Tot nu toe zijn de wetenschappers erin geslaagd om hun nanoswimmers in zebravisembryo’s te manipuleren en te volgen, maar prof. Ahmed zei dat ze graag hun technologie in muizen willen testen. “Zebravissen hebben een klein brein, maar hun bloed-hersenbarrière is nog niet volgroeid. We moeten naar muizen gaan om het lekkende vaatstelsel te begrijpen.”

Hoewel er talloze voortstuwingsmechanismen zijn die kunnen worden gebruikt om medicijndragende nanovoertuigen, zoals chemicaliën, magnetische velden of licht, te geleiden, is echografie om een ​​aantal redenen aantrekkelijk, zei prof. Ahmed. Ultrasone golven kunnen diep in het lichaam doordringen, maar het is aangetoond dat ze veilig zijn. Het wordt bijvoorbeeld routinematig gebruikt om foetale hartslagen bij zwangere vrouwen te detecteren. De technologie is ook relatief goedkoop en is ook in de meeste ziekenhuizen en klinieken te vinden.

Het juist afleveren van medicijnen op specifieke locaties in het lichaam kan helpen om andere veel voorkomende, maar dodelijke ziekten aan te pakken.

Professor Salvador Pané en professor Josep Puigmartí-Luis, onderzoekers in de ANGIE project, hopen dat gerichte medicijnafgifte artsen in staat zal stellen een groter aantal patiënten met een beroerte effectiever te behandelen. Ischemische beroertes, die optreden wanneer bloedstolsels de bloedstroom in de hersenen afsnijden, zijn dat wel een belangrijke doodsoorzaak in de Europese Unie, met meer dan 1,1 miljoen mensen die elk jaar een beroerte krijgen.

Beroerte

De belangrijkste vorm van behandeling voor patiënten die na een beroerte in het ziekenhuis aankomen, zijn bloedstolsels, maar deze worden als een injectie gegeven en reizen door het lichaam voordat ze de hersenen bereiken. Deze medicijnen hebben ook veel bijwerkingen, variërend van misselijkheid en lage bloeddruk tot hersenbloeding, en niet iedereen kan ze innemen.

Als behandelingen zouden kunnen worden gericht op de locatie in een ader of slagader waar een stolsel optreedt, zouden ze veel effectiever kunnen worden verwijderd.

“Als we de benodigde hoeveelheid bij het stolsel concentreren, zullen we deze bijwerkingen drastisch verminderen en zullen we in staat zijn om meer patiënten te behandelen en bijwerkingen te verminderen”, aldus prof. Pané, co-directeur van het Multi-Scale Robotics Lab bij ETH. Zürich en hoofd van zijn chemielaboratorium.

In ANGIE creëren de onderzoekers kleine nanorobots die precies dit kunnen doen en het medicijn rechtstreeks op het stolsel afgeven.

In tegenstelling tot de nanoswimmers in SONOBOTs, zijn de nanorobots die onder ANGIE worden ontwikkeld geavanceerder in termen van hoe ze kunnen worden bestuurd.

“De conventionele mechanismen om te zwemmen werken niet op nanoschaal – als je probeert te kruipen (zwemslag) en het op nanoschaal toepast, zal het niet werken”, zei hij. Om dit te verhelpen, gebruikt het team magnetische velden om de structuren van nanoformaat te controleren, die magnetische deeltjes of films bevatten.

Prof. Pané vergeleek ze met een robotarm op een industriële lopende band. Terwijl industriële robots een computergestuurde arm gebruiken om een ​​grijper aan het uiteinde rond te bewegen, is in het geval van de ANGIE nanorobots de ‘arm’ het magnetische veld dat de magnetische nanorobots beweegt. De nanorobots zijn gemaakt van biologisch afbreekbare kleine polymeercomposietstructuren op ijzerbasis. Door de vorm en samenstelling van deze structuren te veranderen, kan de manier waarop ze worden bestuurd veranderen.

Wanneer de nanorobot zijn doel bereikt – een stolsel in de hersenen in het geval van patiënten met een beroerte – gaat hij in wisselwerking met het stolsel om zijn medicinale lading af te leveren. Volgens de onderzoekers kan ANGIE in zijn geheel worden beschouwd als een robotsysteem vanwege de mate van controle die het magnetische veld mogelijk maakt.

Robots

“Het zijn echt robots – je kunt ze besturen, versnellen, stoppen, ze in alle drie de richtingen verplaatsen”, zegt prof. Puigmartí-Luis, een chemicus aan de Universiteit van Barcelona in Spanje. In principe kunnen ze rollen, kurkentrekkers en tuimelen.

Het ANGIE-onderzoeksteam is nog in het eerste jaar bezig met de ontwikkeling van het elektromagnetische systeem, dat bestaat uit de nanorobots en de infrastructuur die nodig is om deze apparaten te besturen. Om te bevestigen dat hun technologie werkt, zullen ze een menselijk vasculair systeem 3D-printen op basis van echte gegevens, en het optimale pad voor hun nanorobots in kaart brengen om een ​​stolsel te bereiken, zegt prof. Puigmartí-Luis.

Maar als dit lukt, zou het gebruik van dergelijke nanorobots om bijvoorbeeld medicijnen te leveren aan bloedstolsels bij patiënten met een beroerte kunnen worden bereikt met bestaande apparatuur in veel grote ziekenhuizen. “Magnetische velden worden in ziekenhuizen al gebruikt voor beeldvorming met magnetische resonantie”, voegde prof. Pané toe.

Hoewel hun huidige doel is om bloedstolsels te vinden die een beroerte veroorzaken, kan de technologie worden toegepast op vele andere ziekten, zegt prof. Pané. Maar ze moeten laten zien dat hun technologie werkt voordat ze het bij mensen kunnen uitproberen.

Nanodevices bieden een veelbelovende manier om ziektebehandeling aan te pakken, en iets waarvan SONOBOTS ‘Prof. Ahmed denkt dat het een realiteit zal zijn in de niet al te verre toekomst.

“In eerste instantie, toen we met artsen over de ideeën spraken, dachten ze dat het te sciencefiction was”, maar naarmate de studiegegevens toenemen, komen ze eraan, zei hij.