Magnetische nanodeeltjes die met succes door complexe bloedvaten navigeren, zijn mogelijk klaar voor klinische proeven

Jaarlijks krijgen 12 miljoen mensen wereldwijd een beroerte; Velen sterven of zijn blijvend gehandicapt. Momenteel worden medicijnen toegediend om de trombus op te lossen die het bloedvat blokkeert. Deze medicijnen verspreiden zich door het hele lichaam, wat betekent dat er een hoge dosis moet worden toegediend om ervoor te zorgen dat de benodigde hoeveelheid de trombus bereikt. Dit kan ernstige bijwerkingen veroorzaken, zoals inwendige bloedingen.

Omdat medicijnen vaak alleen in specifieke delen van het lichaam nodig zijn, is medisch onderzoek al lang op zoek naar een manier om microrobots te gebruiken om medicijnen af ​​te leveren waar ze moeten zijn: in het geval van een beroerte, rechtstreeks naar de trombus die verband houdt met een beroerte.

Nu heeft een team van onderzoekers van ETH Zürich op verschillende niveaus grote doorbraken bereikt. Ze hebben gepubliceerd hun bevindingen binnen Wetenschap.

Precisie nanodeeltjes vereist

De microrobot die de onderzoekers gebruiken, bestaat uit een gepatenteerde bolvormige capsule gemaakt van een oplosbare gelschaal die ze met magneten kunnen besturen en door het lichaam naar zijn bestemming kunnen leiden. IJzeroxide-nanodeeltjes in de capsule zorgen voor de magnetische eigenschappen.

“Omdat de vaten in het menselijk brein zo klein zijn, is er een limiet aan hoe groot de capsule kan zijn. De technische uitdaging is om ervoor te zorgen dat een capsule van deze grootte ook voldoende magnetische eigenschappen heeft”, legt Fabian Landers uit, hoofdauteur van het artikel en postdoctoraal onderzoeker bij het Multi-Scale Robotics Lab van de ETH Zürich.

De microrobot heeft ook een contrastmiddel nodig, zodat artsen via röntgenstralen kunnen volgen hoe hij door de bloedvaten beweegt. De onderzoekers concentreerden zich op tantaalnanodeeltjes, die vaak in de geneeskunde worden gebruikt, maar moeilijker te controleren zijn vanwege hun grotere dichtheid en gewicht.

“Het combineren van magnetische functionaliteit, beeldzichtbaarheid en nauwkeurige controle in één enkele microrobot vereiste een perfecte synergie tussen materiaalwetenschap en robotica-engineering, wat ons vele jaren heeft gekost om dit met succes te bereiken”, zegt ETH-professor Bradley Nelson, die al tientallen jaren onderzoek doet naar microrobots.

Professor Salvador Pané, een scheikundige aan het Institute of Robotics and Intelligent Systems, en zijn team ontwikkelden precisie-ijzeroxide-nanodeeltjes die deze delicate evenwichtsoefening mogelijk maken.

Speciale katheter geeft met medicijn geladen capsule vrij

De microrobots bevatten ook het actieve ingrediënt dat ze moeten leveren. De onderzoekers hebben de microrobots met succes geladen met gewone medicijnen voor een verscheidenheid aan toepassingen – in dit geval een trombusoplossend middel, een antibioticum of tumormedicatie.

Deze medicijnen komen vrij door een hoogfrequent magnetisch veld dat de magnetische nanodeeltjes verwarmt, waardoor de gelomhulling en de microrobot oplossen.

De onderzoekers gebruikten een tweestapsstrategie om de microrobot dicht bij zijn doel te brengen: eerst injecteerden ze de microrobot via een katheter in het bloed of het hersenvocht. Vervolgens gebruikten ze een elektromagnetisch navigatiesysteem om de magnetische microrobot naar de doellocatie te leiden.

Het ontwerp van de katheter is gebaseerd op een in de handel verkrijgbaar model met een interne voerdraad verbonden met een flexibele polymeergrijper. Wanneer hij voorbij de externe geleider wordt geduwd, gaat de polymeergrijper open en laat de microrobot los.

Tegen de stroom in zwemmen – bloedvaten navigeren

Om de microrobots nauwkeurig te kunnen sturen, ontwikkelden de onderzoekers een modulair elektromagnetisch navigatiesysteem geschikt voor gebruik in de operatiekamer.

“De snelheid van de bloedstroom in het menselijke arteriële systeem varieert sterk, afhankelijk van de locatie. Dit maakt het navigeren door een microrobot erg complex”, legt Nelson uit. De onderzoekers combineerden drie verschillende magnetische navigatiestrategieën waarmee ze in alle delen van de slagaders van het hoofd konden navigeren.

Hierdoor kunnen ze de capsule langs de vaatwand rollen met behulp van een roterend magnetisch veld. Met een snelheid van 4 millimeter per seconde kan de capsule met enorme precisie naar zijn doel worden geleid.

In een ander model wordt de capsule verplaatst met behulp van een magnetische veldgradiënt: het magnetische veld is op de ene plek sterker dan op de andere. Dit trekt de microrobot in het vat naar het sterkere veld. De capsule kan zelfs tegen de stroom ingaan – en dat met een aanzienlijke stroomsnelheid van ruim 20 centimeter per seconde.

“Het is opmerkelijk hoeveel bloed er met zo’n hoge snelheid door onze bloedvaten stroomt. Ons navigatiesysteem moet dat allemaal kunnen weerstaan”, zegt Landers.

Wanneer de microrobot een kruispunt in de schepen bereikt waar moeilijk doorheen te manoeuvreren is, komt instroomnavigatie in beeld. De magnetische gradiënt is zodanig tegen de wand van het vat gericht dat de capsule in het juiste vat wordt meegenomen.

Door deze drie navigatiestrategieën te integreren, krijgen de onderzoekers effectieve controle over de microrobots onder verschillende stromingsomstandigheden en anatomische scenario’s. In meer dan 95% van de geteste gevallen leverde de capsule het medicijn met succes op de juiste locatie af.

“Magnetische velden en gradiënten zijn ideaal voor minimaal invasieve procedures omdat ze diep in het lichaam doordringen en – tenminste bij de sterktes en frequenties die we gebruiken – geen nadelig effect hebben op het lichaam”, legt Nelson uit.

Innovatie stopt niet bij robotica

Om de microrobots en hun navigatie in een realistische omgeving te testen, ontwikkelden de onderzoekers siliconenmodellen die de bloedvaten van patiënten en dieren nauwkeurig nabootsen. Deze scheepsmodellen zijn zo realistisch dat ze nu worden gebruikt in medische opleidingen en op de markt worden gebracht door ETH-spin-off Swiss Vascular.

“De modellen zijn cruciaal voor ons, omdat we uitgebreid hebben geoefend om de strategie en de componenten ervan te optimaliseren. Dat kun je niet doen met dieren”, legt Pané uit. In het model waren de onderzoekers in staat een bloedstolsel te richten en op te lossen.

Na talloze succesvolle tests met het model probeerde het team aan te tonen wat de microrobot onder reële klinische omstandigheden zou kunnen bereiken. Ten eerste konden ze bij varkens aantonen dat alle drie de navigatiemethoden werken en dat de microrobot gedurende de hele procedure duidelijk zichtbaar blijft. Ten tweede navigeerden ze microrobots door het hersenvocht van een schaap.

Landers is bijzonder tevreden. “Deze complexe anatomische omgeving heeft een enorm potentieel voor verdere therapeutische interventies. Daarom waren we zo enthousiast dat de microrobot ook in deze omgeving zijn weg kon vinden.”

Toepassingen die verder gaan dan vasculaire occlusies

Naast de behandeling van trombose zouden deze nieuwe microrobots ook ingezet kunnen worden voor plaatselijke infecties of tumoren. In elke ontwikkelingsfase is het onderzoeksteam gefocust gebleven op hun doel: ervoor zorgen dat alles wat ze creëren zo snel mogelijk klaar is voor gebruik in operatiekamers. Het volgende doel is om zo snel mogelijk met klinische proeven op mensen te beginnen.

Over wat het hele team motiveert, zegt Landers: “Artsen doen al fantastisch werk in ziekenhuizen. Wat ons drijft is de wetenschap dat we over een technologie beschikken die ons in staat stelt patiënten sneller en effectiever te helpen en hen nieuwe hoop te geven door middel van innovatieve therapieën.”