Magnetische microrobot brengt medicijnen veilig naar juiste plek

Een toekomst waarin artsen medicijnen met uiterste precisie door het lichaam kunnen sturen, komt snel dichterbij. Onderzoekers van de ETH Zürich hebben een revolutionaire microrobot ontwikkeld die medicijnen exact op de juiste plaats kan afleveren, bijvoorbeeld om een bloedprop in de hersenen op te lossen of om tumoren rechtstreeks te behandelen. Deze innovatie markeert een grote stap richting minimaal invasieve therapieën en slimme precisiegeneeskunde.

Wereldwijd worden elk jaar zo’n 12 miljoen mensen getroffen door een beroerte. Voor veel van hen eindigt dat in blijvende invaliditeit of zelfs overlijden. De huidige behandelingen bestaan uit het toedienen van medicijnen die bloedstolsels moeten oplossen. Deze middelen verspreiden zich echter door het hele lichaam, waardoor een hoge dosis nodig is om de juiste hoeveelheid medicatie op de plek van de verstopping te krijgen. Dat vergroot het risico op ernstige bijwerkingen, zoals interne bloedingen.

“Medicijnen zijn vaak maar op één plek in het lichaam nodig,” legt dr. Fabian Landers, postdoctoraal onderzoeker aan het Multi-Scale Robotics Lab van ETH Zürich, uit. “Ons doel was een manier te vinden om medicijnen precies dáár te brengen waar ze hun werk moeten doen.”

De nieuwe microrobot maakt dat mogelijk. De robot kan door het lichaam navigeren en medicijnen afgeven direct op de plaats van het probleem, zoals een bloedprop, een infectie of een tumor. Het ETH-team publiceerde de onderzoeksresultaten in het toonaangevende tijdschrift Science.

Magnetische gestuurde medicatierobot

De microrobot bestaat uit een bolvormige capsule van oplosbaar gelmateriaal, slechts een fractie van een millimeter groot. In deze gel zijn ijzeroxide-nanodeeltjes verwerkt, die het robotje magnetisch maken. Hierdoor kan het op afstand worden aangestuurd via elektromagnetische velden. “De bloedvaten in het menselijk brein zijn extreem smal,” zegt Landers. “De uitdaging was om een robot te ontwikkelen die klein genoeg is om door deze vaten te bewegen, maar tegelijkertijd sterk genoeg magnetische eigenschappen heeft om bestuurbaar te blijven.”

Daarnaast is zichtbaarheid van cruciaal belang. Om te volgen waar de robot zich bevindt, voegden de onderzoekers tantaal-nanodeeltjes toe. Dit zijn materialen die vaak worden gebruikt als contrastmiddel bij röntgenonderzoek. Daarmee kan het team in real time zien hoe de microrobot zich door de bloedvaten beweegt.

Volgens professor Bradley Nelson, hoogleraar microrobotica aan de ETH Zürich, was het combineren van magnetische sturing, beeldvorming en precisie een enorme technische uitdaging: “We hebben jaren gewerkt aan het vinden van de juiste balans tussen materiaalkunde en robotica. De robot moest niet alleen zichtbaar zijn, maar ook bestuurbaar blijven onder de hoge druk en snelheid van de bloedsomloop.”

Magnetische navigatie

Om de robot nauwkeurig door het lichaam te sturen, ontwikkelde het team een modulair elektromagnetisch navigatiesysteem dat geschikt is voor gebruik in operatiekamers. De onderzoekers combineren drie verschillende magnetische strategieën die samen een stabiele besturing mogelijk maken, zelfs in snelstromend bloed.

Afhankelijk van het magnetisch veld kan de robot langs de vaatwand rollen, tegen de bloedstroom in bewegen of door vertakkingen van het vaatstelsel navigeren. Zo kan hij snelheden bereiken tot 4 millimeter per seconde, een indrukwekkende prestatie op microschaal. “De snelheid van de bloedstroom varieert sterk, afhankelijk van waar je je in het lichaam bevindt,” legt Nelson uit. “Onze robot moet die dynamiek kunnen weerstaan. Dat maakt de besturing buitengewoon complex.”

Wanneer de robot eenmaal de juiste plek heeft bereikt, kan een hoogfrequent magnetisch veld worden toegepast. Dat verhit de ijzeroxide-nanodeeltjes, waardoor de gelcapsule oplost en de geneesmiddelen gecontroleerd vrijkomen. Op deze manier komt de werkzame stof precies daar terecht waar hij nodig is, zonder schade aan omliggende weefsels. Onderstaande video geeft een beeld van de werking.

Innovatieve kathetertechniek

De microrobots worden via een speciaal ontworpen katheter in het bloed- of hersenvocht gebracht. De katheter is gebaseerd op een commercieel model met een interne geleidingsdraad en een flexibele polymeren greep. Zodra de microrobot zijn bestemming nadert, opent de greep zich en laat de capsule los, waarna deze zelfstandig verder navigeert naar het doelgebied.

In laboratoriumomstandigheden bleek dit systeem zeer effectief. De onderzoekers testten de technologie in siliconenmodellen van menselijke en dierlijke bloedvaten, die zo realistisch zijn dat ze nu ook worden gebruikt voor medische training. Deze modellen zijn ontwikkeld door Swiss Vascular, een spin-off van ETH Zürich. “Met deze realistische modellen konden we de robot en de navigatiestrategie optimaal afstemmen,” zegt professor Salvador Pané, mede-onderzoeker en chemicus bij het Institute of Robotics and Intelligent Systems.

Succesvolle dierproeven

Na de laboratoriumtests volgden proeven bij varkens en schapen, waarin de onderzoekers aantoonden dat alle drie navigatiemethoden ook in levende weefsels effectief zijn. In meer dan 95 procent van de gevallen wist de microrobot de doelplaats te bereiken en het geneesmiddel af te leveren.

De robot bleek bovendien goed zichtbaar te blijven tijdens het gehele traject, wat cruciaal is voor veilige klinische toepassing. Landers benadrukt dat de technologie niet beperkt is tot de behandeling van beroertes: “We zien ook grote mogelijkheden bij lokale infecties of tumorbehandelingen. De robot kan bijvoorbeeld antibiotica of kankermedicatie direct op de juiste plek afgeven, zonder het hele lichaam te belasten.”

Klinische toepassing

De volgende stap voor het ETH-team is het opstarten van klinische studies bij mensen. Het doel is om de technologie geschikt te maken voor gebruik in ziekenhuizen en operatiekamers. “Artsen doen al geweldig werk,” zegt Landers, “maar ze beschikken nog niet over gereedschap dat op microscopisch niveau zo nauwkeurig kan ingrijpen. Wat ons motiveert, is de wetenschap dat we patiënten in de toekomst sneller en veiliger kunnen helpen, met minder bijwerkingen.”

Volgens professor Nelson is het onderzoek bovendien een voorbeeld van hoe robotica, nanotechnologie en medische wetenschap samenkomen om de geneeskunde van morgen vorm te geven. “Magnetische velden zijn ideaal voor minimaal invasieve ingrepen,” legt hij uit. “Ze dringen diep in het lichaam door en hebben, bij de frequenties die wij gebruiken, geen schadelijke effecten. Deze technologie kan de manier waarop we ziekten behandelen fundamenteel veranderen.”

Met deze ontwikkeling zet ETH Zürich een belangrijke stap richting een toekomst waarin microrobots door het bloed navigeren als precisie-instrumenten van de geneeskunde. Wat ooit sciencefiction leek, kan binnenkort realiteit worden: microscopisch kleine artsen die, aangestuurd door magnetische velden, medicijnen precies daar brengen waar ze nodig zijn, snel, veilig en effectief.

Magnetische microrobots

Twee jaar geleden werd in Twente een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van magnetische microrobots voor chirurgische toepassingen. Onderzoekers van het Surgical Robotics Laboratory van de Universiteit Twente slaagden er toen in om twee magnetische microrobots te laten samenwerken. Deze robots, slechts 1 millimeter groot, konden in een driedimensionale omgeving objecten oppakken, verplaatsen en stapelen.

Die prestatie markeerde toen een doorbraak richting biomedische toepassingen, zoals operaties op moeilijk bereikbare plaatsen in het lichaam, waar traditionele chirurgie onmogelijk is. De microrobots zijn biocompatibel, wat betekent dat ze veilig in het menselijk lichaam kunnen functioneren zonder schadelijke reacties te veroorzaken.

Een grote uitdaging was de magnetische besturing: omdat de robots elkaar aantrekken, moesten onderzoekers een speciaal regelsysteem ontwikkelen om ze nauwkeurig en onafhankelijk te besturen. Dankzij deze precisie kunnen de robots mogelijk in de toekomst niet-invasieve ingrepen uitvoeren, zoals het gericht toedienen van medicijnen, stoppen van bloedingen of vernietigen van tumoren.

 

Dit artikel hebben we gelezen op: ICT&Health