Onderzoekers hebben een bellenmicrorobot ontwikkeld die ultrageluid gebruikt om hem door kleine, complexe hersenbloedvaten te leiden. De ‘microvoertuigen’ zijn met succes getest op muizen en zouden een middel kunnen worden om nauwkeurig medicijnen af ​​te leveren voor de behandeling van aandoeningen zoals hersenkanker en beroerte.

Er zijn meer dan 650 kilometer aan bloedvaten in onze hersenen. Vooruitgang in de nanotechnologie heeft de ontwikkeling mogelijk gemaakt van kleine robots die voorheen ontoegankelijke gebieden kunnen navigeren via kleine, ingewikkelde paden, nauwkeurige medicijnafgifte kunnen bieden en minimaal invasieve operaties kunnen uitvoeren.

Gezien de complexiteit van vasculaire netwerken en de bloeddruk die men tegenkomt, is een methode nodig om microrobots te begeleiden. Het gebruik van magnetische velden om microrobots door bloedvaten in de hersenen te leiden maakt nauwkeurige manipulatie mogelijk, maar omdat de microrobots magnetisch moeten zijn, beperkt dit hun biologische afbreekbaarheid.

Nu hebben onderzoekers van de ETH Zürich, de Universiteit van Zürich en het Universitair Ziekenhuis Zürich samengewerkt om microcarriers te ontwikkelen – gasgevulde microbellen bedekt met lipiden – die ultrageluid kunnen gebruiken om door de smalle en complexe bloedvaten van de hersenen van muizen te navigeren.

Daniel Ahmed, een van de corresponderende auteurs van de studie, zei: "Naast het feit dat echografie op grote schaal wordt gebruikt op medisch gebied, is het ook veilig en kan het diep in het menselijk lichaam doordringen."

Deze kleine, gladde, met gas gevulde microbelletjes hebben een diameter tussen 1,1 en 1,4 micron en zijn gemaakt van een fluorescerend contrastmiddel dat momenteel wordt gebruikt bij echografie. Na verloop van tijd lossen ze op in het lichaam en hun lipideomhulsels zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als biologische celmembranen.

Akoestische microrobotnavigatie gecombineerd met realtime optische beeldvorming Onderzoek door DelCampo Fonseca et al. ontdekte dat de microrobot lange tijd in het lichaam kan oplossen en dat de lipide-omhulling van hetzelfde materiaal is gemaakt als biologische celmembranen.

De onderzoekers injecteerden microbelletjes in muizen en lieten deze in het bloed van de dieren circuleren. De microscoop maakt real-time beeldvorming van de robot mogelijk. De onderzoekers monteerden maximaal vier ultrasone sensoren aan de buitenkant van de hoofden van muizen en ontdekten dat de microrobots op geluidsgolven reageerden door zichzelf in zwermen te verzamelen en langs de bloedvaten van de hersenen te navigeren.

De robots worden geleid door de output van elke sensor aan te passen met snelheden tot 1,5 micron/seconde en bewegen met succes in omgekeerde richting met bloedstroomsnelheden tot 10 mm/seconde. De resultaten laten zien dat de akoestische micromanipulator in vivo onder fysiologische omstandigheden kan werken. De onderzoekers analyseerden hersenweefsel na het maken van echografie en ontdekten dat de microrobot de binnenwanden van bloedvaten niet beschadigde en ook geen zenuwceldood veroorzaakte.

Het maken van microbellen uit een stof die al in gebruik is, heeft zo zijn voordelen. "Omdat deze belletjes of blaasjes al zijn goedgekeurd voor menselijk gebruik, zal onze technologie waarschijnlijk sneller worden goedgekeurd voor menselijke behandeling dan andere soorten microdragers die momenteel in ontwikkeling zijn," zei Ahmed.

Nu ze hebben aangetoond dat hun microrobot door de hersenbloedvaten van muizen kan navigeren, is de volgende stap voor de onderzoekers het hechten van medicijnmoleculen aan de buitenkant van het omhulsel van de microbellen. Als dit lukt, kunnen de door ultrasoon geluid geactiveerde microdragers mogelijk worden gebruikt voor de behandeling van kanker, beroertes en psychische aandoeningen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.