De eerste microrobots die binnen groepen cellen kunnen navigeren en individuele cellen kunnen stimuleren

Een groep onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft ’s werelds eerste microrobot (“microbot”) ontwikkeld die in staat is om binnen groepen cellen te navigeren en individuele cellen te stimuleren. Berna Özkale Edelmann, hoogleraar nano- en microrobotica, ziet potentieel voor nieuwe behandelingen van ziekten bij de mens. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde gezondheidszorgmaterialen.

De microbots zijn rond, half zo dik als een mensenhaar, bevatten gouden nanostaafjes en fluorescerende kleurstof en zijn omgeven door een biomateriaal verkregen uit algen. Ze kunnen door laserlicht worden aangedreven om tussen cellen te bewegen. Deze kleine robots zijn uitgevonden door prof. Berna Özkale Edelmann. Om precies te zijn: de bio-ingenieur en directeur van het Microrobotic Bioengineering Lab heeft samen met haar team van onderzoekers gewerkt aan de ontwikkeling van een technologisch platform voor de grootschalige productie van deze voertuigen. Ze worden momenteel in vitro gebruikt, buiten het menselijk lichaam.

Minirobots: Een taxirit naar de cel

De TACSI-microbots verschillen van klassieke mensachtige robots of robotarmen zoals je ze in fabrieken ziet. Het hele systeem vereist een microscoop om de kleinschalige werelden te vergroten, een computer en een laser om de door mensen bestuurde microbots van 30 micrometer (μm) aan te drijven. De robots zijn verwarmbaar en geven bovendien voortdurend hun temperatuur aan. Dit is belangrijk omdat ze niet alleen de weg naar individuele cellen kunnen vinden, maar ook zijn ontworpen om de locaties van individuele cellen of celgroepen te verwarmen.

TACSI staat voor Thermally Activated Cell-Signal Imaging. Simpel gezegd is het een op afbeeldingen gebaseerd systeem dat cellen kan verwarmen om ze te activeren. TACSI is een ’taxi’ in elke betekenis van het woord: in de toekomst zal de kleine robot rechtstreeks naar de locatie ‘rijden’ waar onderzoekers cellulaire processen willen bestuderen. “Als wereldwijde primeur hebben we een systeem ontwikkeld waarmee microbots niet alleen door groepen cellen kunnen navigeren. Het kan zelfs individuele cellen stimuleren door temperatuurveranderingen”, zegt prof. Özkale Edelmann.

Hoe worden microbots gemaakt?

De productie van microbots is gebaseerd op ‘microfluïdische chips’ die het productieproces modelleren. Biomateriaal wordt via een kanaal aan de linkerkant van de chip geïnjecteerd. Vervolgens wordt van boven en onder via kanalen van 15–60 µm een ​​olie met specifieke componenten toegevoegd. De voltooide robots verschijnen aan de rechterkant. In het geval van de TACSI-microbot zijn de volgende componenten toegevoegd:

• Een fluorescerende kleurstof: in dit geval wordt de oranje rhodamine B-kleurstof gebruikt die bij toenemende temperatuur zijn kleurintensiteit verliest. Dit maakt de microbot tot een effectieve thermometer voor de waarnemer.
• Gouden nanostaafjes: de edelmetalen staafjes van 25-90 nanometer (nm) hebben de eigenschap dat ze snel opwarmen (en weer afkoelen) wanneer ze worden gebombardeerd met laserlicht. Het duurt slechts enkele microseconden om de temperatuur van de robot met 5°C te verhogen. De nanostaafjes kunnen worden verwarmd tot 60°C. Door het automatische temperatuurbalanceringsproces van de nanostaafjes (ook wel convectie genoemd) worden de robots in beweging gezet met een maximale snelheid van 65 µm per seconde.

“Dit maakt het mogelijk om in één productierun tot 10.000 microbots te maken”, legt Philipp Harder, lid van het onderzoeksteam, uit.

Cellen reageren op temperatuurveranderingen

Kleine temperatuurveranderingen zijn soms al voldoende om celprocessen te beïnvloeden. “Als de huid gewond raakt, bijvoorbeeld door een snee, stijgt de lichaamstemperatuur lichtjes, waardoor het immuunsysteem wordt geactiveerd”, legt prof. Özkale Edelmann uit.

Ze wil meer weten over de vraag of deze ‘thermische stimulatie’ kan worden gebruikt om wonden te genezen. Er is ook een gebrek aan onderzoek naar de vraag of kankercellen agressiever worden wanneer ze worden gestimuleerd. Uit huidige onderzoeken blijkt dat kankercellen afsterven bij hoge temperaturen (60°C). Dit effect kan ook worden gebruikt om hartritmestoornissen en depressie te behandelen.

Calciumimport: Ionenkanalen in cellen gaan open

Onderzoekers van het team van prof. Özkale Edelmann gebruikten niercellen om aan te tonen dat cellulaire ionkanalen kunnen worden beïnvloed. Om dit te doen, stuurden ze de TACSI-microbots naar de cellen. “We gebruikten de infraroodlaser om de temperatuur te verhogen. Om de toename te meten, maten we de intensiteit van de rhodamine B-kleurstof”, legt Philipp Harder uit. Het team observeerde dat de ionenkanalen van de cellen zich bij bepaalde temperaturen openden, bijvoorbeeld om calcium de cel binnen te laten.

“Met dit concrete voorbeeld hebben we laten zien dat hitte veranderingen in de cel veroorzaakt, zelfs bij lichte temperatuurstijgingen”, zegt prof. Özkale Edelmann. Ze hoopt dat verder onderzoek de weg zal wijzen naar nieuwe behandelingen, bijvoorbeeld door het mogelijk te maken medicijnen naar individuele cellen te sturen.