Een team van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) in Stuttgart heeft een kleine microrobot uitgevonden. Het robotje is volgens het instituut de voorbode van een manier om gericht medicatie af te leveren in het menselijk lichaam. De ‘microroller’ heeft de vorm, de grootte en het bewegingsvermogen van witte bloedcellen. Het MPI-IS hoopt dat de vinding een revolutie teweeg kan brengen in de minimaal invasieve behandeling van ziekten.
In het lichaam is er geen betere toegangsroute naar alle weefsels en organen dan de bloedsomloop. Het beslaat elke cel en biedt een ideale route voor navigatie. Door een bloedvat te simuleren in een laboratoriumomgeving, slaagde het team onderzoekers erin de microrobot magnetisch door de dynamische en dichte omgeving te sturen. Het weerstond daarbij de gesimuleerde bloedstroom. De resultaten van het onderzoeksproject werden op 20 mei gepubliceerd in Science Robotics.
Inspiratie uit witte bloedcellen
Het team liet zich inspireren door witte bloedcellen, omdat dit de enige cellen in de bloedbaan zijn die zelf in staat zijn om te bewegen. Onderweg naar plaatsen waar ziekteverwekkers zijn binnengedrongen, rollen ze langs de bloedvatwanden en verlaten ze het bloedvat wanneer ze de betreffende locatie bereiken. De sleutel tot hun beweeglijkheid ligt vooral in de aanzienlijk verminderde stroomsnelheid aan de vaatwanden.
Op basis van dit fenomeen ontwikkelden de wetenschappers van het MPI-IS de microrobot. Ze kunnen hem dankzij de magnetische eigenschappen ervan actief naar voren bewegen en via de bloedvaten kunnen navigeren in ‘fysiologische hogesnelheidsstromingen’. Volgens Metin Sitti, directeur van de afdeling Physical Intelligence bij de MPI-IS en medeauteur van de studie, is het robotje een volgende generatie voertuig voor minimaal invasieve gerichte medicijnafgifte.
“De microroller kan nog diepere weefsels in het lichaam bereiken met nog moeilijkere toegangsroutes dan voorheen mogelijk was.” Dit in tegenstelling tot meer conventionele aflevering van minder gerichte medicatie-aflevering, die mogelijk ernstige bijwerkingen kan veroorzaken in ander organen en weefsels.
Herkennen van kankercellen
Elke microroller heeft een diameter van iets minder dan 8 micrometer en is gemaakt van glazen microdeeltjes. De ene kant is bedekt met een dunne film van nikkel en goud, de andere met medicatiemoleculen tegen kanker en specifieke biomoleculen die kankercellen kunnen herkennen.
“Met behulp van magnetische velden kunnen onze microrobots stroomopwaarts navigeren door een gesimuleerd bloedvat,” legt Yunus Alapan uit. Hij is postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Fysische Intelligentie en co-hoofdauteur van de publicatie. “Dit is een uitdaging vanwege de sterke doorbloeding en de dichte cellulaire omgeving. Geen van de huidige microrobots kan deze stroom weerstaan. Bovendien kunnen onze robots autonoom interessante cellen zoals kankercellen herkennen. Ze doen dit dankzij een coating van celspecifieke antilichamen op hun oppervlak. Ze kunnen dan onderweg de medicijnmoleculen vrijgeven.”
Diverse uitdagingen
In het laboratorium kan de microroller een nog niet eerder behaalde snelheid bereiken van maximaal 600 micrometer per seconde. Er moeten echter verschillende uitdagingen worden aangepakt voordat ze deze beweging in een real-life scenario kunnen uitvoeren. Daaronder testen in het menselijk lichaam. In het lab kon het team de robots in beeld brengen met microscopen en ze sturen met elektromagnetische spoelen.
Bovendien zouden therapeutische ladingen getransporteerd door een enkele microrobot niet voldoende zijn, gezien het verschil in grootte tussen een microrobot (ongeveer 10 micrometer) en de doelweefsels (duizenden micrometers). Daarom zou de gecontroleerde manipulatie van een groot aantal microrobots in een zwerm nodig zijn om een voldoende effect te genereren. “Maar daar zijn we nog ver van verwijderd ', zegt Ugur Bozuyuk, een Ph.D. student in dezelfde afdeling en co-lead van de studie. “Dit is pas het begin.”
Versnelling onderzoek microrobots
In de afgelopen twee decennia is het onderzoeksveld op het gebied van microrobots versneld dankzij vele sprongen op het gebied van fabricagetechnieken, gebruikte materialen, bediening en beeldvorming van de micro-machines. De huidige microrobots in het menselijk lichaam zijn echter meestal beperkt tot oppervlakteweefsels (zoals in het oog), locaties met relatief eenvoudigere toegangsroutes (zoals het maagdarmkanaal) en stagnerende of fluïde omgevingen met lage snelheid.
De wetenschappers van het MPI-IS hopen dat de bio-geïnspireerde strategie die ze hebben ontwikkeld, zal helpen bij het creëren van gecontroleerde navigatie van microrobots in de bloedsomloop ondanks de hoge snelheid van de bloedstroom. Dit zou mogelijk de weg kunnen vrijmaken voor gerichte en gelokaliseerde therapeutische toediening door microrobots.
