Het is een knap stukje technologie waar Zwitserse onderzoekers mee komen: slimme nanocapsules, zo klein als een zandkorrel, die medicijnen precies op de plek afleveren waar ze nodig zijn.
Elk jaar krijgen wereldwijd zo’n 12 miljoen mensen een beroerte, vaak met dodelijke afloop of blijvende hersenschade. De huidige medicijnen om bloedstolsels op te lossen werken goed, maar verspreiden zich door het hele lichaam. De dosering is zo hoog dat gevaarlijke bijwerkingen, zoals inwendige bloedingen, op de loer liggen. Maar onderzoekers van de ETH Zürich denken daar nu iets op gevonden te hebben: magnetische microrobots die medicijnen rechtstreeks naar het verstopte bloedvat brengen.
Magnetische minirobots met precisienavigatie
De microrobot bestaat uit een bolvormige capsule met een oplosbare gelschil, gevuld met ijzeroxide-nanodeeltjes die magnetisch reageren. Artsen zijn zo in staat om de capsule met behulp van magneten door het lichaam te sturen en precies op de plaats van bestemming af te leveren. “De capsule is extreem klein, omdat bloedvaten in de hersenen erg smal zijn. Het is technisch een enorme uitdaging om de minirobot voldoende magnetisch te maken, zodat hij goed bestuurbaar blijft”, legt hoofdonderzoeker Fabian Landers uit.
En dan is er nog een vereiste: de robot moet te zien zijn op röntgenbeelden. Om dit voor elkaar te krijgen, gebruikten de onderzoekers tantaal-nanodeeltjes. Deze zijn relatief zwaar en lastig te controleren, maar erg goed zichtbaar. “Het is ons gelukt om magnetische controle, zichtbaarheid en precisie in één microrobot te combineren. Daar hebben we jaren aan gewerkt”, vertelt ETH-professor Bradley Nelson, pionier op het gebied van medische microrobots.
Medicijnen op commando vrijgeven
De kleine capsules glippen niet alleen als de beste door het vaatstelsel, ze dragen ook het medicijn zelf in hun buik. Er kan bijvoorbeeld een bloedstolseloplosser, antibioticum of kankermiddel binnenin het zwarte bolletje verstopt zitten. Als het einddoel is bereikt, warmt een hoogfrequent magnetisch veld de ijzerdeeltjes op, waardoor de gelschil oplost en het medicijn precies op de juiste plek vrijkomt.
De microrobot wordt via een speciaal kathetermechanisme in het bloed of hersenvocht gebracht. Vervolgens stuurt een elektromagnetisch systeem de capsule naar de juiste locatie. “De bloedstroom in de menselijke slagaders varieert sterk per plek. Dat maakt navigeren bijzonder complex”, vertelt Nelson. Door drie magnetische navigatiemethoden te combineren, kunnen de onderzoekers de robot rollen, trekken en sturen. Zo zijn ze in staat om zelfs tegen de bloedstroom in met snelheden tot 4 millimeter per seconde te bewegen. In meer dan 95 procent van de tests bereikte de capsule haar doel en lukte het om daar het stolsel op te lossen. “Magnetische velden zijn ideaal voor dit soort minimaal invasieve operaties: ze dringen diep in het lichaam door en zijn volkomen veilig bij de sterktes die wij gebruiken”, garandeert de Amerikaanse roboticus.
Van laboratorium naar operatiekamer
Om de techniek te testen, ontwikkelde het team realistische siliconenmodellen van bloedvaten, gebaseerd op echte patiëntdata. De modellen zijn zo accuraat dat ze inmiddels worden gebruikt in medische trainingen. “We hebben eindeloos geoefend op deze modellen. Met dieren kun je dat simpelweg niet doen”, zegt onderzoeker Salvador Pané, die de nanodeeltjes ontwikkelde.
De volgende stap was om de techniek te testen op levende dieren. Het team was in staat om alle drie de navigatiemethoden te laten werken in varkens. Bovendien bleef de robot goed zichtbaar op de röntgenbeelden. Ook in het hersenvocht van een schaap vond de microrobot succesvol zijn weg. “Die complexe anatomie biedt enorme kansen voor toekomstige behandelingen. Het was geweldig om te zien dat onze robot zich daar ook staande hield”, vertelt Landers enthousiast.
Hoop voor de toekomst
Deze technologie werkt niet alleen bij de behandeling van beroertes. Microrobots kunnen in de toekomst ook worden ingezet tegen plaatselijke infecties, tumoren en bloedpropjes op andere plekken in het menselijk lichaam.
Als alles volgens plan verloopt, starten binnenkort de klinische proeven met menselijke deelnemers. De dag waarop artsen microrobots door onze bloedvaten sturen om levens te redden, lijkt dus niet ver weg meer.
