Leverkanker behandelen met microrobots bestuurd door een magnetisch veld

Canadese onderzoekers onder leiding van radioloog Gilles Soulez uit Montreal hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om levertumoren te behandelen met behulp van magneetgeleide microrobots in een MRI-apparaat.

Het idee om microscopisch kleine robots in de bloedbaan te injecteren om het menselijk lichaam te genezen is niet nieuw. Het is ook geen sciencefiction. Geleid door een extern magnetisch veld kunnen miniatuur biocompatibele robots, gemaakt van magnetiseerbare ijzeroxide nanodeeltjes, theoretisch op een zeer gerichte manier medische behandeling bieden.

Tot nu toe was er een technisch obstakel: de zwaartekracht van deze microrobots overschrijdt die van de magnetische kracht, wat hun begeleiding beperkt wanneer de tumor zich hoger bevindt dan de injectieplaats. Hoewel het magnetische veld van de MRI hoog is, zijn de magnetische gradiënten die worden gebruikt voor navigatie en het genereren van MRI-beelden zwakker.

“Om dit probleem op te lossen, hebben we een algoritme ontwikkeld dat de positie bepaalt waarin het lichaam van de patiënt zich moet bevinden voordat een klinische MRI gebruik kan maken van de zwaartekracht en deze kan combineren met de magnetische navigatiekracht”, zegt dr. Gilles Soulez, onderzoeker aan het CHUM Research Center en directeur van de afdeling radiologie, radio-oncologie en nucleaire geneeskunde van de Université de Montréal.

“Dit gecombineerde effect maakt het gemakkelijker voor de microrobots om naar de arteriële takken te reizen die de tumor voeden”, zei hij. “Door de richting van het magnetische veld te variëren, kunnen we ze nauwkeurig naar de te behandelen plaatsen leiden en zo de gezonde cellen behouden.”

Op weg naar grotere precisie

Gepubliceerd in Wetenschap Roboticadit proof-of-concept zou de interventionele radiologische benaderingen die worden gebruikt om leverkanker te behandelen, kunnen veranderen.

Het meest voorkomende hiervan, hepatocellulair carcinoom, is wereldwijd verantwoordelijk voor 700.000 sterfgevallen per jaar en wordt momenteel het vaakst behandeld met transarteriële chemo-embolisatie. Deze invasieve behandeling vereist hooggekwalificeerd personeel en omvat het toedienen van chemotherapie rechtstreeks in de slagader die de levertumor voedt en het blokkeren van de bloedtoevoer naar de tumor met behulp van microkatheters onder leiding van röntgenstraling.

“Onze magnetische resonantie-navigatiebenadering kan worden uitgevoerd met behulp van een implanteerbare katheter zoals die wordt gebruikt bij chemotherapie”, aldus Soulez. “Het andere voordeel is dat de tumoren beter zichtbaar zijn op MRI dan op röntgenfoto’s.”

Voor deze studie werkten Soulez en zijn onderzoeksteam samen met die van Sylvain Martel (Polytechnique Montreal) en Urs O. Häfeli’s (University of British Columbia). De eerste auteur van de studie, Ning Li, is een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Soulez.

Dankzij de ontwikkeling van een MRI-compatibele microrobotinjector konden de wetenschappers ‘deeltjestreinen’ samenstellen, aggregaten van magnetiseerbare microrobots. Omdat deze een grotere magnetische kracht hebben, zijn ze gemakkelijker te besturen en te detecteren op de beelden van het MRI-apparaat.

Op deze manier kunnen de wetenschappers er niet alleen voor zorgen dat de trein de goede kant op gaat, maar ook dat de behandeldosis voldoende is. Na verloop van tijd zal elke microrobot een deel van de uit te voeren behandeling dragen, dus het is essentieel dat radiologen weten hoeveel het er zijn.

Een goed richtingsgevoel

“We hebben proeven uitgevoerd op 12 varkens om de anatomische omstandigheden van de patiënt zo goed mogelijk na te bootsen”, aldus Soulez. “Dit bleek overtuigend: de microrobots navigeerden bij voorkeur door de takken van de leverslagader die het doelwit waren van het algoritme en bereikten hun bestemming.”

Zijn team zorgde ervoor dat de locatie van de tumor in verschillende delen van de lever de effectiviteit van een dergelijke aanpak niet beïnvloedde.

“Met behulp van een anatomische atlas van menselijke levers konden we het besturen van microrobots simuleren bij 19 patiënten die werden behandeld met transarteriële chemo-embolisatie”, zei hij. “Ze hadden in totaal dertig tumoren op verschillende locaties in hun lever. In meer dan 95% van de gevallen was de locatie van de tumor compatibel met het navigatiealgoritme om de beoogde tumor te bereiken.”

Ondanks deze wetenschappelijke vooruitgang is de klinische toepassing van deze technologie nog ver weg.

“Allereerst moeten we met behulp van kunstmatige intelligentie de real-time navigatie van de microrobots optimaliseren door hun locatie in de lever te detecteren en ook het optreden van blokkades in de takken van de leverslagader die de tumor voeden”, aldus Soulez.

Wetenschappers zullen ook de bloedstroom, de positionering van de patiënt en de richting van het magnetische veld moeten modelleren met behulp van software die de vloeistofstroom door de bloedvaten simuleert. Dit zal het mogelijk maken om de impact van deze parameters op het transport van de microrobots naar de doeltumor te beoordelen, waardoor de nauwkeurigheid van de aanpak wordt verbeterd.