Μικρορομπότ καθοδηγούν φάρμακα απευθείας σε θρόισμα αίματος

Κάθε χρόνο, περίπου 12 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως πλήττονται από εγκεφαλικά επεισόδια, με πολλούς από αυτούς να χάνουν τη ζωή τους ή να μένουν μόνιμα αναπηρωμένοι. Σήμερα, οι θεραπείες περιλαμβάνουν φάρμακα που διαλύουν τον θρόισμα που φράσσει τα αιμοφόρα αγγεία. Ωστόσο, αυτά τα φάρμακα διαχέονται σε ολόκληρο το σώμα, με αποτέλεσμα να απαιτείται υψηλή δόση για να φτάσει η κατάλληλη ποσότητα στον θρόισμα, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρές παρενέργειες, όπως εσωτερική αιμορραγία. Με δεδομένο ότι τα φάρμακα συχνά χρειάζονται μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές του σώματος, η ιατρική έρευνα αναζητά εδώ και καιρό τρόπους για να χρησιμοποιήσει μικρορομπότ που θα μεταφέρουν φάρμακα εκεί που είναι απαραίτητα, όπως στην περίπτωση ενός εγκεφαλικού επεισοδίου, απευθείας στον θρόισμα. Μια ομάδα ερευνητών από το ETH Zurich έχει σημειώσει σημαντικές προόδους σε αυτόν τον τομέα και δημοσίευσε τα ευρήματά της στο περιοδικό Science.

Η τεχνολογία πίσω από τα μικρορομπότ

Το μικρορομπότ που χρησιμοποιούν οι ερευνητές αποτελείται από μια σφαιρική κάψουλα με διαλυτή γέλη, την οποία μπορούν να ελέγχουν με μαγνήτες και να καθοδηγούν μέσω του σώματος προς τον προορισμό της. Οι νανοσωλήνες σιδηρούχου οξειδίου στην κάψουλα παρέχουν τις μαγνητικές ιδιότητες που απαιτούνται.

«Δεδομένου ότι τα αιμοφόρα αγγεία στον ανθρώπινο εγκέφαλο είναι πολύ μικρά, υπάρχει ένα όριο στο μέγεθος της κάψουλας. Η τεχνική πρόκληση είναι να διασφαλιστεί ότι μια κάψουλα αυτής της μικρής διάστασης έχει επαρκείς μαγνητικές ιδιότητες», δήλωσε ο Fabian Landers, κύριος συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Multi-Scale Robotics Lab του ETH Zurich.

Στρατηγική καθοδήγησης και απελευθέρωσης φαρμάκων

Το μικρορομπότ χρειάζεται επίσης έναν παράγοντα αντίθεσης για να επιτρέψει στους γιατρούς να παρακολουθούν την κίνησή του μέσω ακτίνων Χ. Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε νανοσωλήνες ταλανίου, οι οποίοι χρησιμοποιούνται συχνά στην ιατρική αλλά είναι πιο δύσκολοι στην ελέγχο λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητας και βάρους τους. «Η συνδυασμένη λειτουργικότητα μαγνητισμού, ορατότητας εικόνας και ακριβούς ελέγχου σε ένα μόνο μικρορομπότ απαιτούσε τέλεια συνεργασία μεταξύ της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής ρομποτικής, κάτι που μας πήρε πολλά χρόνια για να το πετύχουμε», δήλωσε ο καθηγητής Bradley Nelson, ο οποίος ερευνά τα μικρορομπότ εδώ και δεκαετίες.

Τα μικρορομπότ περιέχουν επίσης την ενεργή ουσία που χρειάζονται για να παραδώσουν. Οι ερευνητές κατάφεραν να φορτώσουν τα μικρορομπότ με κοινά φάρμακα για διάφορες εφαρμογές, όπως ένα φάρμακο που διαλύει θρόισμα, ένα αντιβιοτικό ή φάρμακο για όγκους. Αυτά τα φάρμακα απελευθερώνονται μέσω ενός υψηλής συχνότητας μαγνητικού πεδίου που θερμαίνει τους νανοσωλήνες σιδηρούχου οξειδίου, διαλύοντας τη γέλη και το μικρορομπότ.

Καινοτόμες μέθοδοι καθοδήγησης

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια στρατηγική δύο σταδίων για να φέρουν το μικρορομπότ κοντά στον στόχο του: αρχικά, το μικρορομπότ εγχέεται στο αίμα ή το εγκεφαλονωτιαίο υγρό μέσω καθετήρα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούν ένα ηλεκτρομαγνητικό σύστημα πλοήγησης για να καθοδηγήσουν το μαγνητικό μικρορομπότ στην επιθυμητή τοποθεσία. Ο σχεδιασμός του καθετήρα βασίζεται σε ένα εμπορικά διαθέσιμο μοντέλο με εσωτερικό οδηγό που συνδέεται με έναν ευέλικτο πολυμερικό γκρίππερ. Όταν πιεστεί πέρα από τον εξωτερικό οδηγό, ο πολυμερικός γκρίππερ ανοίγει και απελευθερώνει το μικρορομπότ.

Για να κατευθύνουν με ακρίβεια τα μικρορομπότ, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα αρθρωτό ηλεκτρομαγνητικό σύστημα πλοήγησης κατάλληλο για χρήση στην αίθουσα χειρουργείου. «Η ταχύτητα ροής του αίματος στο ανθρώπινο αρτηριακό σύστημα ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με την τοποθεσία. Αυτό καθιστά την πλοήγηση ενός μικρορομπότ πολύπλοκη», εξηγεί ο Nelson. Οι ερευνητές συνδύασαν τρεις διαφορετικές στρατηγικές μαγνητικής πλοήγησης που τους επέτρεψαν να πλοηγηθούν σε όλες τις περιοχές των αρτηριών του κεφαλιού.

Αυτό τους επιτρέπει να κυλούν την κάψουλα κατά μήκος του τοιχώματος του αγγείου χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Η κάψουλα μπορεί να καθοδηγηθεί με τεράστια ακρίβεια σε ταχύτητα 4 χιλιομέτρων ανά ώρα. Σε ένα διαφορετικό μοντέλο, η κάψουλα κινείται χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο με κλίση: το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρότερο σε ένα σημείο απ’ ότι σε άλλο. Αυτό τραβά το μικρορομπότ μέσα στον αγγείο προς το ισχυρότερο πεδίο, επιτρέποντας στην κάψουλα να κινηθεί ακόμα και ενάντια στο ρεύμα – και μάλιστα σε σημαντική ταχύτητα ροής.