Hybride micro-robot die kan navigeren in een fysiologische omgeving en gerichte beschadigde cellen kan vangen

Onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv hebben een hybride microrobot ontwikkeld, ter grootte van een enkele biologische cel (ongeveer 10 micron doorsnede), die kan worden bestuurd en genavigeerd met behulp van twee verschillende mechanismen: elektrisch en magnetisch. De microrobot kan navigeren tussen verschillende cellen in een biologisch monster, onderscheid maken tussen verschillende soorten cellen, identificeren of ze gezond of stervend zijn, en vervolgens de gewenste cel vervoeren voor verder onderzoek, zoals genetische analyse.

De microrobot kan ook een medicijn en/of gen transfecteren in de gevangen gerichte enkelvoudige cel. Volgens de onderzoekers kan de ontwikkeling helpen bij het bevorderen van onderzoek op het belangrijke gebied van eencellige analyse, maar ook bij medische diagnose, medicijntransport en -screening, chirurgie en milieubescherming.

De innovatieve technologie is ontwikkeld door prof. Gilad Yossifon van de School of Mechanical Engineering en Department of Biomedical Engineering aan de Universiteit van Tel Aviv en zijn team: postdoctoraal onderzoeker dr. Yue Wu en student Sivan Yakov, in samenwerking met dr. Afu Fu, Postdoctoraal onderzoeker, van het Technion, Israel Institute of Technology. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap.

Prof. Gilad Yossifon legt uit dat microrobots (ook wel micromotoren of actieve deeltjes genoemd) kleine synthetische deeltjes zijn ter grootte van een biologische cel, die van de ene plaats naar de andere kunnen gaan en verschillende acties kunnen uitvoeren (bijvoorbeeld: verzameling van synthetische of biologische vracht) autonoom of via externe controle door een operator.

Volgens prof. Yossifon: “De ontwikkeling van het vermogen van de microrobot om autonoom te bewegen, werd geïnspireerd door biologische microzwemmers, zoals bacteriën en zaadcellen. Dit is een innovatief onderzoeksgebied dat zich snel ontwikkelt, met een grote verscheidenheid aan toepassingen in gebieden zoals geneeskunde en het milieu, evenals een onderzoeksinstrument.”

Om de mogelijkheden van de microrobot te demonstreren, gebruikten de onderzoekers hem om enkele bloed- en kankercellen en een enkele bacterie te vangen, en toonden aan dat hij onderscheid kan maken tussen cellen met verschillende niveaus van levensvatbaarheid, zoals een gezonde cel, een cel beschadigd door een medicijn, of een cel die doodgaat of sterft in een natuurlijk “zelfmoordproces” (een dergelijk onderscheid kan bijvoorbeeld belangrijk zijn bij het ontwikkelen van geneesmiddelen tegen kanker).

Nadat de gewenste cel was geïdentificeerd, ving de microrobot deze op en verplaatste de cel naar de plek waar deze verder kon worden geanalyseerd. Een andere belangrijke innovatie is het vermogen van de microrobot om doelcellen te identificeren die niet zijn gelabeld. unieke elektrische eigenschappen.

Prof. Yossifon stelt: “Onze nieuwe ontwikkeling brengt de technologie aanzienlijk vooruit in twee hoofdaspecten: hybride voortstuwing en navigatie door twee verschillende mechanismen – elektrisch en magnetisch. Bovendien heeft de microrobot een verbeterd vermogen om een ​​enkele cel te identificeren en vast te leggen, zonder tagging, voor lokaal testen of ophalen en transporteren naar een extern instrument.Dit onderzoek is uitgevoerd op biologische monsters in het laboratorium voor in-vitro-assays, maar het is de bedoeling om in de toekomst microrobots te ontwikkelen die ook werk in het lichaam, bijvoorbeeld als effectieve medicijndragers die precies naar het doel kunnen worden geleid.

De onderzoekers leggen uit dat het hybride voortstuwingsmechanisme van de microrobot vooral van belang is in fysiologische omgevingen, zoals in vloeibare biopsieën. “De microrobots die tot nu toe werkten op basis van een elektrisch geleidingsmechanisme, waren niet effectief in bepaalde omgevingen die worden gekenmerkt door een relatief hoge elektrische geleidbaarheid, zoals een fysiologische omgeving, waar de elektrische aandrijving minder effectief is. Dit is waar het complementaire magnetische mechanisme in het spel komen, wat zeer effectief is, ongeacht de elektrische geleidbaarheid van de omgeving.”

Prof. Yossifon concludeert: “In ons onderzoek hebben we een innovatieve microrobot ontwikkeld met belangrijke mogelijkheden die aanzienlijk bijdragen aan het veld: hybride voortstuwing en navigatie door een combinatie van elektrische en magnetische velden, evenals het vermogen om te identificeren, vast te leggen, en transporteren een enkele cel van plaats naar plaats in een fysiologische omgeving.Deze mogelijkheden zijn relevant voor een breed scala aan toepassingen en voor onderzoek.

“De technologie zal onder andere de volgende gebieden ondersteunen: medische diagnose op het niveau van een enkele cel, het introduceren van medicijnen of genen in cellen, genetische bewerking, het vervoeren van medicijnen naar hun bestemming in het lichaam, het reinigen van de omgeving van vervuilende deeltjes, de ontwikkeling van geneesmiddelen, en het creëren van een ‘laboratorium voor een deeltje’ – een microscopisch laboratorium dat is ontworpen om diagnostiek uit te voeren op plaatsen die alleen toegankelijk zijn voor microdeeltjes.