Medische ‘microrobots’ zouden op een dag blaasziekte en andere menselijke ziekten kunnen behandelen

Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Colorado in Boulder heeft een nieuwe klasse van kleine, zelfrijdende robots ontworpen die met ongelooflijke snelheden door vloeistof kunnen suizen – en op een dag zelfs voorgeschreven medicijnen kunnen afleveren op moeilijk bereikbare plaatsen in het menselijk lichaam .

De onderzoekers beschrijven hun mini-zorgverleners in een artikel dat vorige maand in het tijdschrift verscheen Klein.

“Stel je voor dat microrobots bepaalde taken in het lichaam zouden kunnen uitvoeren, zoals niet-invasieve operaties,” zei Jin Lee, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische en Biologische Technologie. “In plaats van in de patiënt te snijden, kunnen we de robots gewoon in het lichaam introduceren door middel van een pil of een injectie, en ze zouden de procedure zelf uitvoeren.”

Lee en zijn collega’s zijn er nog niet, maar het nieuwe onderzoek is een grote stap voorwaarts voor kleine robots.

De microrobots van de groep zijn erg klein. Elk meet slechts 20 micrometer breed, meerdere malen kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Ze zijn ook erg snel, in staat om te reizen met snelheden van ongeveer 3 millimeter per seconde, of ongeveer 9.000 keer hun eigen lengte per minuut. Dat is relatief gezien vele malen sneller dan een jachtluipaard.

Ze hebben ook veel potentieel. In de nieuwe studie zette de groep een vloot van deze machines in om doses dexamethason, een veelgebruikt steroïde medicijn, naar de blazen van laboratoriummuizen te transporteren. De resultaten suggereren dat microrobots een nuttig hulpmiddel kunnen zijn voor de behandeling van blaasaandoeningen en andere ziekten bij mensen.

“Microschaalrobots hebben in wetenschappelijke kringen voor veel opwinding gezorgd, maar wat ze voor ons interessant maakt, is dat we ze kunnen ontwerpen om nuttige taken in het lichaam uit te voeren,” zei C. Wyatt Shields, een co-auteur van de nieuwe studie en assistent-professor chemische en biologische engineering.

Fantastische Reis

Als dat klinkt als iets dat uit sciencefiction is gerukt, is dat omdat het zo is. In de klassieke film Fantastic Voyage reist een groep avonturiers via een gekrompen onderzeeër naar het lichaam van een man in coma.

“De film werd uitgebracht in 1966. Vandaag leven we in een tijdperk van robots op micrometer- en nanometerschaal,” zei Lee.

Hij stelt zich voor dat, net als in de film, microrobots door de bloedbaan van een persoon kunnen wervelen, op zoek naar gerichte gebieden om verschillende aandoeningen te behandelen.

Het team maakt zijn microrobots van materialen die biocompatibele polymeren worden genoemd, met behulp van een technologie die vergelijkbaar is met 3D-printen. De machines lijken een beetje op kleine raketten en worden compleet geleverd met drie kleine vinnen. Ze bevatten ook iets extra’s: elk van de robots draagt ​​een klein luchtbelletje ingesloten lucht, vergelijkbaar met wat er gebeurt als je een glas ondersteboven in water dompelt. Als je de machines blootstelt aan een akoestisch veld, zoals het soort dat wordt gebruikt in echografie, beginnen de bellen wild te trillen, waardoor het water wordt weggeduwd en de robots naar voren worden geschoten.

Andere co-auteurs van CU Boulder van de nieuwe studie zijn Nick Bottenus, assistent-professor werktuigbouwkunde; Ankur Gupta, assistent-professor chemische en biologische engineering; en technische afgestudeerde studenten Ritu Raj, Cooper Thome, Nicole Day en Payton Martinez.

Om hun microrobots mee te nemen voor een proefrit, richtten de onderzoekers hun blik op een veelvoorkomend probleem voor mensen: blaasziekte.

Opluchting brengen

Interstitiële cystitis, ook bekend als pijnlijk blaassyndroom, treft miljoenen Amerikanen en kan, zoals de naam al doet vermoeden, ernstige bekkenpijn veroorzaken. Het behandelen van de ziekte kan even ongemakkelijk zijn. Vaak moeten patiënten gedurende een periode van weken meerdere keren naar een kliniek komen waar een arts via een katheter een agressieve oplossing van dexamethason in de blaas injecteert.

Lee gelooft dat microrobots misschien wat verlichting kunnen brengen.

In laboratoriumexperimenten fabriceerden de onderzoekers scholen microrobots die hoge concentraties dexamethason inkapselden. Vervolgens introduceerden ze duizenden van die bots in de blazen van laboratoriummuizen. Het resultaat was een levensechte Fantastic Voyage: de microrobots verspreidden zich door de organen voordat ze aan de blaaswanden bleven kleven, waardoor ze waarschijnlijk moeilijk uit te plassen zouden zijn.

Eenmaal daar lieten de machines langzaam hun dexamethason vrij in de loop van ongeveer twee dagen. Zo’n gestage stroom medicijnen zou patiënten in staat kunnen stellen om gedurende een langere periode meer medicijnen te krijgen, zei Lee, waardoor de resultaten voor patiënten verbeterden.

Hij voegde eraan toe dat het team nog veel werk te doen heeft voordat microrobots door echte menselijke lichamen kunnen reizen. Om te beginnen wil de groep de machines volledig biologisch afbreekbaar maken, zodat ze uiteindelijk oplossen in het lichaam.

“Als we deze deeltjes in de blaas kunnen laten werken,” Lee zei, “dan kunnen we een langdurigere medicijnafgifte bereiken en hoeven patiënten misschien niet zo vaak naar de kliniek te komen.”