Op een heldere herfstavond in 2006 hield dr. Sylvain Martel zijn adem in toen een technicus een verdoofd varken in een roterende fMRI-machine laadde. Zijn ogen staarden naar een computerscherm waarop een magnetische kraal te zien was die in een dun varkensbloedvat hing. De spanning in de kamer was fysiek voelbaar. Plots kwam de ballon tot leven en gleed over het schip als een microscopisch kleine onderzeeër op weg naar zijn bestemming. Het team barstte in applaus uit.
Martel en zijn team testten een nieuwe manier om kleine objecten in een levend dier op afstand te besturen door de magnetische krachten van de machine te manipuleren. En voor het eerst werkte het.
Wetenschappers en schrijvers dromen al lang van kleine robots die door de enorme bloedsomloop van het lichaam bewegen, zoals ruimteonderzoekers die sterrenstelsels en hun bewoners bestuderen. Het potentieel is enorm: kleine medische robots kunnen bijvoorbeeld radioactieve medicijnen overbrengen naar kankerclusters, operaties in het lichaam uitvoeren of bloedstolsels diep in het hart of de hersenen reinigen.
Een droom, een droom, maar met behulp van robots, zegt Dr. Bradley Nelson van de Polytechnische Universiteit van Zürich, kunnen mensen direct in de bloedbaan duiken om een hersenoperatie uit te voeren.
Op dit moment zijn medische micro-robots meestal fictief, maar dit kan in de komende tien jaar veranderen. Deze week publiceerden dr. Mariana Medina-Sánchez en Oliver Schmidt van het Leibniz Institute for Solids and Materials Research in Dresden, Duitsland, een paper in Nature dat veranderde van grote schermen in nanoengineering labs, waarin prioriteiten en realistische tests werden uiteengezet om deze kleine chirurgen nieuw leven in te blazen.
Oprichting van verhuizers
Medische micro-robots maken deel uit van de reis van de geneeskunde naar miniaturisatie. In 2001 introduceerde het Israëlische bedrijf de PillCam, een plastic capsule ter grootte van een snoepje, uitgerust met een camera, batterij en draadloze module. Tijdens het reizen door het spijsverteringskanaal, stuurde de PillCam periodiek draadloos beelden terug, wat een gevoeliger en minder toxische diagnostische methode biedt dan traditionele endoscopie of radiografie.
Promotie video:
De PillCam is gigantisch groot voor een perfecte microrobot, waardoor hij alleen geschikt is voor de relatief brede buis van ons spijsverteringsstelsel. Deze pil was ook passief en kon niet op interessante plaatsen blijven hangen voor een meer gedetailleerd onderzoek.
“Een echte medische robot moet zich verplaatsen en door een complex netwerk van met vloeistof gevulde buizen diep in het lichaam bewegen”, legt Martel uit.
Het lichaam is helaas niet erg gastvrij voor gasten van buitenaf. Micro-robots moeten bijtende maagsappen weerstaan en zonder motor stroomopwaarts in de bloedbaan zweven.
Laboratoria over de hele wereld proberen verstandige alternatieven te bedenken om het voedingsprobleem op te lossen. Een idee is om chemische raketten te maken: cilindrische micro-robots met "brandstof" - een metaal of andere katalysator - die reageert met maagsappen of andere vloeistoffen en bellen uit de achterkant van de cilinder uitstoten.
"Deze motoren zijn moeilijk te besturen", zeggen Medina-Sanchez en Schmidt. We kunnen hun richting grofweg bepalen met behulp van chemische gradiënten, maar ze zijn niet robuust of effectief genoeg. Het ontwerpen van niet-giftige brandstoffen op basis van suiker, ureum of andere lichaamsvloeistoffen staat ook voor uitdagingen.
Een beter alternatief zijn metalen fysieke motoren die kunnen worden geactiveerd door veranderingen in het magnetische veld. Martel, zoals zijn demonstratie van bead-in-pig liet zien, was een van de eersten die dergelijke motoren onderzocht.
De MRI-machine is ideaal voor het besturen en afbeelden van metalen prototypes van microrobots, legt Martel uit. De machine heeft verschillende sets magneetspoelen: de hoofdset magnetiseert de microrobot nadat deze via een katheter in de bloedbaan is ingebracht. Door vervolgens de MRI-gradiëntspoelen te manipuleren, kunnen we zwakke magnetische velden genereren om de microrobot door bloedvaten of andere biologische buisjes te duwen.
In daaropvolgende experimenten maakte Martel nanodeeltjes van ijzer en kobalt bedekt met een antikankermedicijn en injecteerde hij deze kleine soldaatjes in konijnen. Met behulp van een computerprogramma om het magnetische veld automatisch te veranderen, richtte zijn team de bots precies op het doel. Hoewel er in deze specifieke studie geen echte tumoren waren, zegt Martel dat dergelijke projecten nuttig kunnen zijn bij de bestrijding van leverkanker en andere tumoren met relatief grote bloedvaten.
Waarom geen kleine schepen? Het probleem is weer energie. Martel was in staat om de robot tot een paar honderd micrometer te verkleinen - alles minder vereist magnetische gradiënten die zo groot zijn dat ze neuronen in de hersenen verstoren.
Microborgs
Een elegantere oplossing is om biologische motoren te gebruiken die al in de natuur bestaan. Bacteriën en sperma zijn gewapend met whiplash-staarten die ze op natuurlijke wijze door kronkelende tunnels en lichaamsholten voortstuwen om biologische reacties uit te voeren.
Door mechanische onderdelen te combineren met biologische onderdelen, kan men ervoor zorgen dat deze twee componenten elkaar aanvullen als één defect raakt.
Een voorbeeld is een spermabot. Schmidt ontwierp kleine metalen spiralen die zich om een lui sperma wikkelen, waardoor het de mobiliteit krijgt om het ei te bereiken. De zaadcel kan ook worden geladen met medicijnen die verband houden met de magnetische microstructuur om kanker in het voortplantingsstelsel te behandelen.
Er zijn ook gespecialiseerde groepen MC-1-bacteriën die op één lijn liggen met het aardmagnetisch veld. Door een relatief zwak veld te genereren - genoeg om dat van de aarde te overwinnen - kunnen wetenschappers het interne kompas van de bacterie richten op een nieuw doel, zoals kanker.
Helaas kunnen MC-1-bacteriën slechts 40 minuten in warm bloed overleven, en de meeste zijn niet sterk genoeg om tegen de bloedbaan in te zwemmen. Martel wil een hybride systeem van bacteriën en vetblazen creëren. Bellen geladen met magnetische deeltjes en bacteriën worden met behulp van sterke magnetische velden naar grotere vaten geleid totdat ze de smallere binnendringen. Dan barsten ze uit en laten een zwerm bacteriën los, die op dezelfde manier, met behulp van zwakke magnetische velden, hun reis zullen voltooien.
Vooruit gaan
Terwijl wetenschappers een heleboel ideeën over voortstuwing hebben geschetst, blijft het een enorme uitdaging om de microrobots te volgen nadat ze in het lichaam zijn geïmplanteerd.
Combinaties van verschillende beeldvormende technieken kunnen hierbij helpen. Echografie, MRI en infraroodbeelden zijn te traag om de operaties van microrobots diep in het lichaam te observeren. Maar door licht, geluid en elektromagnetische golven te combineren, zouden we de resolutie en gevoeligheid kunnen verhogen.
Idealiter zou een beeldvormende techniek micromotoren op een diepte van 10 centimeter onder de huid moeten kunnen volgen, in 3D en in realtime, met een minimale snelheid van tientallen micrometers per seconde, zeggen Medina-Sanchez en Schmidt.
Op dit moment is dit moeilijk te bereiken, maar wetenschappers hopen dat de modernste opto-akoestische technieken, waarbij infrarood- en ultrasone beeldvorming worden gecombineerd, over een paar jaar goed genoeg worden om microrobots te volgen.
En dan blijft de vraag wat ze met de robots moeten doen aan het einde van hun missie. Als u ze in het lichaam laat afdrijven, is dit een teken van stolling of andere catastrofale bijwerkingen, zoals metaalvergiftiging. Het kan overweldigend zijn om robots terug te brengen naar hun startpunt (mond, ogen en andere natuurlijke openingen). Daarom overwegen wetenschappers betere opties: robots op een natuurlijke manier verwijderen of ze maken van biologisch afbreekbare materialen.
Dat laatste heeft een apart pluspunt: als de materialen gevoelig zijn voor warmte, zuurgraad of andere lichaamsfactoren, zouden ze kunnen worden gebruikt om autonome biorobots te maken die zonder batterijen werken. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld al kleine stervormige "grijpers" gemaakt die zich om weefsel sluiten wanneer ze aan hitte worden blootgesteld. Wanneer de grijper rond zieke organen of weefsels wordt geplaatst, kan hij ter plaatse een biopsie uitvoeren, wat een minder invasieve methode biedt voor screening op darmkanker of het volgen van chronische inflammatoire darmaandoeningen.
"Het doel is om microrobots te maken die autonoom kunnen detecteren, diagnosticeren en handelen terwijl mensen kijken en onder controle blijven in geval van storing", zeggen Medina-Sanchez en Schmidt.
De fantastische reis van medische micro-robots is nog maar net begonnen.
Alle combinaties van materialen, micro-organismen en microstructuren zullen voor onbepaalde tijd getest moeten worden om er zeker van te zijn dat ze veilig zijn, eerst op dieren en daarna op mensen. Wetenschappers wachten ook op hulp van toezichthouders.
Maar het optimisme van wetenschappers droogt niet uit.
"Door middel van gecoördineerde initiatieven kunnen de microrobots ons tien jaar lang leiden naar het tijdperk van niet-invasieve therapieën", zeggen de onderzoekers.
ILYA KHEL
