Naukowcy z ETH Zürich opracowali mikroskopijnego robota zdolnego do transportowania leków wprost do określonych obszarów organizmu. Co ciekawe, technologia jest już na tak zaawansowanym etapie, że jej wprowadzenie do szpitali może nastąpić szybciej niż w przypadku większości eksperymentalnych rozwiązań medycznych. Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Science.
Mikroroboty pomogą leczyć udary mózgu, a być może nawet i nowotwory
Sam mikrorobot przybiera formę niewielkiej, okrągłej kapsułki wykonanej z rozpuszczalnego żelu. W jego wnętrzu ukryte są nanocząsteczki tlenku żelaza nadające właściwości magnetyczne oraz nanocząsteczki tantalu pełniące funkcję kontrastu w obrazowaniu rentgenowskim. Dzięki tej kombinacji lekarze mogą śledzić pozycję urządzenia w czasie rzeczywistym podczas zabiegu.
Czytaj też: Takie mikroroboty będą wkrótce pływać w naszych organizmach. Ułatwią wiele procedur medycznych
Konstrukcja została zaprojektowana z myślą o uniwersalności – kapsułka może przenosić różne rodzaje farmaceutyków, od środków rozpuszczających zakrzepy krwi, przez antybiotyki, aż po leki przeciwnowotworowe. Mechanizm uwalniania ładunku jest zarówno prosty, jak i skuteczny. Pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości powoduje nagrzewanie się nanocząsteczek, co prowadzi do rozpuszczenia żelowej powłoki i uwolnienia leku dokładnie w docelowym miejscu.
Miniaturyzacja stanowiła największe wyzwanie techniczne. Naczynia krwionośne w mózgu są tak drobne, że kapsułka musiała przyjąć mikroskopijne rozmiary, jednocześnie zawierając wystarczająco materiału magnetycznego do skutecznego sterowania z zewnątrz. Zespołowi z ETH Zürich udało się osiągnąć ten kompromis po latach prac łączących wiedzę z zakresu materiałoznawstwa i robotyki.
Naukowcy opracowali modularny system elektromagnetyczny przystosowany do warunków sali operacyjnej, wykorzystujący trzy różne strategie sterowania. Pierwsza polega na toczeniu kapsułki wzdłuż ściany naczynia krwionośnego z prędkością 4 mm/s. Druga wykorzystuje gradient pola magnetycznego do ciągnięcia mikrorobota, pozwalając mu płynąć pod prąd z imponującą prędkością przekraczającą 20 cm/s. Trzecia strategia, nazwana nawigacją In-Flow, umożliwia precyzyjne kierowanie kapsułką przy rozgałęzieniach naczyń.
Zadanie komplikuje ogromne zróżnicowanie prędkości przepływu krwi w ludzkim układzie tętniczym – od spokojnych nurtów po prawdziwe rwące potoki. System nawigacji musi radzić sobie ze wszystkimi tymi warunkami, utrzymując pełną kontrolę nad mikrorobotem. Warto zaznaczyć, że pola magnetyczne używane do sterowania są całkowicie bezpieczne dla organizmu – przenikają głęboko w tkanki, ale przy stosowanych parametrach nie wywołują skutków ubocznych. Efektywność systemu potwierdzają liczby – w testach kapsułka z powodzeniem dostarczyła lek we właściwe miejsce w ponad 95 proc. przypadków. To wynik, który rzeczywiście otwiera drogę do zastosowań klinicznych.
Droga do tych rezultatów wiodła przez różne etapy testowania. Na początku naukowcy wykorzystywali realistyczne silikonowe modele naczyń krwionośnych odzwierciedlające anatomię ludzi i zwierząt. Te same modele są używane w szkoleniach medycznych i dystrybuowane przez spin-off ETH o nazwie Swiss Vascular. Pozwoliło to na wielokrotne ćwiczenie i optymalizację strategii nawigacji bez konieczności przeprowadzania testów na zwierzętach.
Dopiero po dopracowaniu technologii przyszedł czas na testy in vivo. Najpierw na świniach potwierdzono działanie nawigacji i widoczność mikrorobota w obrazowaniu. Następnie na owcach zespół sprawdził możliwość nawigacji przez płyn mózgowo-rdzeniowy. To złożone środowisko anatomiczne oferuje ogromny potencjał dla przyszłych interwencji terapeutycznych.
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają daleko poza leczenie udarów mózgu. Może znaleźć wykorzystanie w terapii zlokalizowanych infekcji, gdzie antybiotyk można dostarczyć bezpośrednio do ogniska zapalnego, minimalizując skutki uboczne. Równie obiecujące jest wykorzystanie w onkologii – precyzyjne dostarczanie chemioterapeutyków bezpośrednio do guza mogłoby zwiększyć skuteczność leczenia przy jednoczesnym zmniejszeniu toksyczności dla zdrowych tkanek.
Zespół badawczy zamierza teraz jak najszybciej rozpocząć testy kliniczne na ludziach. To ambitny cel, ale osiągnięty poziom zaawansowania technologii oraz pozytywne wyniki testów na zwierzętach dają pewne podstawy do ostrożnego optymizmu. Jeśli mikroroboty sprawdzą się w warunkach klinicznych, mogą znacząco zmienić sposób leczenia niektórych z najpoważniejszych schorzeń współczesnej medycyny, choć na pełne wdrożenie przyjdzie nam jeszcze poczekać.
