Wetenschappers van de Universiteit van Galway (Ierland) en MIT hebben samen een AI-gestuurd robotimplantaat ontwikkeld. Die is in staat om gedurende langere tijd medicatie in het lichaam van een patiënt te transporteren en op de juiste plek af te leveren. Daarnaast kan het implantaat fibrotische inkapseling voorkomen, een afweerreactie van het immuunsysteem van het lichaam op implantaten.
Het zachte robotimplantaat, FibroSensing Dynamic Soft Reservoir (FSDSR) genaamd, is ontworpen om gedurende langere perioden in het lichaam te verblijven en medicijnen af te geven. Echter, dergelijke implantaten worden door het immuunsysteem als lichaamsvreemd herkend en afgesloten met een dikke laag littekenweefsel. Daardoor worden deze implantaten doorgaans veel eerder onbruikbaar dan gewenst.
Het idee dat miniatuur robots straks als implantaat door ons lichaam 'reizen' om ziektes aan te pakken door medicijnen af te leveren is zeker niet nieuw. Zo ontwikkelden onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) al een miniatuur-magneetveldgeleide robot voor medische toepassingen.
Robotimplantaat met afweersysteem
Het nieuwe zachte robotimplantaat heeft zelf een soort van afweermechanisme tegen deze 'aanvallen' van het immuunsysteem. Het kan zichzelf namelijk oppompen en weer leeg laten lopen. Zoals bijvoorbeeld de anti-ijs systemen op de vleugels van een vliegtuig. Wanneer het implantaat merkt dat het littekenweefsel zich ophoopt en te dik wordt, dan blaast het zichzelf op, waardoor het littekenweefsel loslaat en het robotimplantaat zich weer 'vrij' kan bewegen zijn zijn taken voort kan zetten.
Daarnaast is het robotimplantaat voorzien van een sensor die de hoeveelheid littekenweefsel op het apparaat kan meten. Vervolgens wordt met behulp AI berekent hoe het implantaat dezelfde dosis medicijn kan afgegeven, ongeacht de hoeveelheid aanwezige littekenweefsel.
"De technologie die we hebben ontwikkeld, door gebruik te maken van zachte robotica, vergroot het potentieel van implanteerbare apparaten om gedurende langere perioden in het lichaam van een patiënt te blijven, waardoor langdurige therapeutische werking wordt geboden. Stel je een therapeutisch implantaat voor dat ook zijn omgeving kan waarnemen en indien nodig kan reageren met behulp van AI – deze aanpak zou revolutionaire veranderingen kunnen teweegbrengen in de implanteerbare medicijnafgifte voor een reeks chronische ziekten", zegt Dr. Rachel Beatty van de Universiteit van Galway en co-hoofdauteur van het onderzoek.
Immuunsysteem is een hindernis
De reactie op lichaamsvreemde implantaten is een belangrijke hindernis bij de ontwikkeling van effectievere medische implantaten, zoals een kunstmatige alvleesklier. Het dikke littekenweefsel dat zich op dergelijke implantaten ophoopt, verkort de levensduur van deze implantaten aanzienlijk. Ook beperkt het hun vermogen om hun omgeving waar te nemen en als reactie daarop medicijnen af te geven. Andere technieken en oplossingen om deze biofouling te verminderen, zoals oppervlaktepatronen op medische implantaten, hebben wisselend succes gehad.
De wetenschappers van de Ierse universiteit en MIT bedachten hiervoor dus een andere oplossing. Dat werd een zacht robotisch implantaat voor medicijnafgifte die de afwerende reactie op lichaamsvreemde implantatenkan verminderen door het actief op te blazen en leeg te laten lopen. Tijdens de ontwikkeling en tests leek het al dat deze beweging het lichaam in verwarring breng, omdat het niet zoveel littekenweefsel op het apparaat kan afzetten.
AI en machine learning
Daarbij komt dat de opblaas en leegloop beweging ook nog een bijkomstig doel dient. De bewegingen kunnen namelijk gebruikt worden om vloeibare medicijnen uit het apparaat naar de omgeving te duwen. Dat ging al goed in eerste onderzoeken, maar in een latere studie hebben de onderzoekers een volgende stap gezet door 'kunstmatige intelligentie’ te introduceren, met als doel dat het robotimplantaat zelf in staat is om de hoeveelheid littekenweefsel te detecteren en daarop te reageren.
Daarvoor hebben de wetenschappers een sensormembraan in het apparaat ingebouwd dat de hoeveelheid biofouling kan detecteren die is opgetreden. Vervolgens wordt met machine learning berekend hoeveel activeringen en welke kracht het apparaat zal moeten toepassen om een consistente dosis medicijn door de omringende vezelachtige capsule te persen. Op deze manier kan de technologie consistente medicijndosering blijven leveren, zelfs als deze zwaar bedekt is met fibrotisch littekenweefsel. De technologie kan de weg vrijmaken voor volledig autonome implantaten die hun omgeving kunnen monitoren en indien nodig aanpassingen kunnen maken om hun doelen te bereiken.
“Dit is een nieuw onderzoeksgebied dat gevolgen kan hebben op andere plaatsen en zich niet uitsluitend beperkt tot de behandeling van diabetes. Onze ontdekking zou kunnen zorgen voor een consistente en responsieve dosering gedurende lange perioden, zonder tussenkomst van een arts, waardoor de werkzaamheid wordt verbeterd en de noodzaak voor vervanging van apparaten vanwege fibrose wordt verminderd", aldus Garry Duffy, een onderzoeker die bij het onderzoek betrokken is.
