An einem hellen Herbstabend im Jahr 2006 hielt Dr. Sylvain Martel den Atem an, als ein Techniker ein anästhesiertes Schwein in eine rotierende fMRT-Maschine lud. Seine Augen blickten auf einen Computerbildschirm, auf dem eine Magnetperle in einem dünnen Schweineblutgefäß hing. Die Spannung im Raum war körperlich zu spüren. Plötzlich erwachte der Ballon zum Leben und glitt über das Schiff wie ein mikroskopisch kleines U-Boot, das auf sein Ziel zusteuerte. Das Team brach in Applaus aus.
Martel und sein Team testeten eine neue Methode zur Fernsteuerung winziger Objekte in einem lebenden Tier durch Manipulation der Magnetkräfte der Maschine. Und zum ersten Mal hat es funktioniert.
Wissenschaftler und Schriftsteller haben lange von winzigen Robotern geträumt, die sich wie Weltraumforscher, die Galaxien und ihre Bewohner untersuchen, durch das riesige Kreislaufsystem des Körpers bewegen. Das Potenzial ist enorm: Winzige medizinische Roboter könnten beispielsweise radioaktive Medikamente auf Krebscluster übertragen, Operationen im Körper durchführen oder Blutgerinnsel tief im Herzen oder Gehirn reinigen.
Ein Traum, ein Traum, aber mit Hilfe von Robotern, so Dr. Bradley Nelson von der Polytechnischen Universität Zürich, könnten Menschen direkt in den Blutkreislauf eintauchen, um eine Gehirnoperation durchzuführen.
Im Moment sind medizinische Mikroroboter meistens fiktiv, aber dies kann sich im nächsten Jahrzehnt ändern. Diese Woche veröffentlichten Dr. Mariana Medina-Sánchez und Oliver Schmidt vom Leibniz-Institut für Feststoff- und Materialforschung in Dresden einen Artikel in Nature, der sich von großen Bildschirmen zu Nanoengineering-Labors wandelte und Prioritäten und realistische Tests zur Wiederbelebung dieser winzigen Chirurgen darlegte.
Schaffung von Movern
Medizinische Mikroroboter sind Teil der Reise der Medizin in die Miniaturisierung. Im Jahr 2001 stellte das israelische Unternehmen die PillCam vor, eine Plastikkapsel in Bonbongröße, die mit einer Kamera, einem Akku und einem Funkmodul ausgestattet ist. Während der Fahrt durch den Verdauungskanal sendete die PillCam regelmäßig Bilder drahtlos zurück und bot so eine empfindlichere und weniger toxische Diagnosemethode als herkömmliche Endoskopie oder Radiographie.
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Die PillCam hat eine gigantische Größe für einen perfekten Mikroroboter und ist daher nur für den relativ breiten Schlauch unseres Verdauungssystems geeignet. Diese Pille war auch passiv und konnte nicht an interessanten Orten für eine detailliertere Untersuchung verweilen.
„Ein echter medizinischer Roboter muss sich durch ein komplexes Netzwerk flüssigkeitsgefüllter Tubuli in Geweben tief im Körper bewegen und fortschreiten“, erklärt Martel.
Der Körper ist leider nicht sehr einladend für externe Gäste. Mikroroboter müssen ätzenden Magensäften standhalten und ohne Motor stromaufwärts im Blut schweben.
Laboratorien auf der ganzen Welt versuchen, sinnvolle Alternativen zur Lösung des Ernährungsproblems zu finden. Eine Idee ist die Herstellung chemischer Raketen: zylindrische Mikroroboter mit "Kraftstoff" - einem Metall oder einem anderen Katalysator -, der mit Magensäften oder anderen Flüssigkeiten reagiert und Blasen von der Rückseite des Zylinders emittiert.
"Diese Motoren sind schwer zu steuern", sagen Medina-Sanchez und Schmidt. Wir können ihre Richtung grob mit chemischen Gradienten steuern, aber sie sind nicht robust und effektiv genug. Die Entwicklung ungiftiger Kraftstoffe auf der Basis von Zucker, Harnstoff oder anderen Körperflüssigkeiten steht ebenfalls vor Herausforderungen.
Eine bessere Alternative wären physikalische physikalische Motoren, die durch Änderungen des Magnetfelds aktiviert werden könnten. Martel war einer der ersten, der solche Motoren untersuchte, wie seine Perl-in-Pig-Demonstration zeigte.
Das MRT-Gerät ist ideal für die Steuerung und Abbildung von Mikrorobotern aus Metallprototypen, erklärt Martel. Die Maschine verfügt über mehrere Sätze von Magnetspulen: Der Hauptsatz magnetisiert den Mikroroboter, nachdem er durch einen Katheter in den Blutkreislauf eingeführt wurde. Durch Manipulieren der MRT-Gradientenspulen können wir dann schwache Magnetfelder erzeugen, um den Mikroroboter durch Blutgefäße oder andere biologische Röhrchen zu drücken.
In nachfolgenden Experimenten stellte Martel Eisen- und Kobaltnanopartikel her, die mit einem Krebsmedikament beschichtet waren, und injizierte diese winzigen Soldaten in Kaninchen. Mit einem Computerprogramm zur automatischen Änderung des Magnetfelds führte sein Team die Bots direkt zum Ziel. Während es in dieser speziellen Studie keine tatsächlichen Tumoren gab, sagt Martel, dass Projekte wie diese bei der Bekämpfung von Leberkrebs und anderen Tumoren mit relativ großen Gefäßen hilfreich sein könnten.
Warum nicht kleine Schiffe? Das Problem ist wieder Energie. Martel konnte den Roboter auf einige hundert Mikrometer verkleinern - alles andere erfordert magnetische Gradienten, die so groß sind, dass sie Neuronen im Gehirn stören.
Microcyborgs
Eine elegantere Lösung besteht darin, biologische Motoren zu verwenden, die bereits in der Natur vorhanden sind. Bakterien und Spermien sind mit Schleudertrauma-Schwänzen bewaffnet, die sie auf natürliche Weise durch gewundene Tunnel und Körperhöhlen treiben, um biologische Reaktionen durchzuführen.
Durch die Kombination von mechanischen und biologischen Teilen wäre es möglich, die beiden Komponenten zu ergänzen, wenn eine ausfällt.
Ein Beispiel ist ein Spermabot. Schmidt entwarf winzige Metallspulen, die sich um ein faules Sperma wickeln und ihm die Beweglichkeit geben, das Ei zu erreichen. Das Sperma kann auch mit Medikamenten beladen werden, die mit der magnetischen Mikrostruktur assoziiert sind, um Krebserkrankungen im Fortpflanzungstrakt zu behandeln.
Es gibt auch spezialisierte Gruppen von MC-1-Bakterien, die sich mit dem Erdmagnetfeld ausrichten. Durch die Erzeugung eines relativ schwachen Feldes - genug, um das der Erde zu überwinden - können Wissenschaftler den internen Kompass der Bakterien auf ein neues Ziel wie Krebs ausrichten.
Leider können MC-1-Bakterien nur 40 Minuten in warmem Blut überleben und die meisten sind nicht stark genug, um gegen den Blutkreislauf zu schwimmen. Martel möchte ein Hybridsystem aus Bakterien und Fettblasen schaffen. Mit Magnetpartikeln und Bakterien beladene Blasen werden mit starken Magnetfeldern in größere Gefäße geleitet, bis sie in die schmaleren eintreten. Dann platzen sie und setzen einen Schwarm Bakterien frei, die auf die gleiche Weise mit schwachen Magnetfeldern ihre Reise beenden.
Vorwärts gehen
Während Wissenschaftler eine Reihe von Ideen zum Antrieb entworfen haben, bleibt die Verfolgung der Mikroroboter, sobald sie in den Körper implantiert wurden, eine große Herausforderung.
Kombinationen verschiedener Bildgebungstechniken können helfen. Ultraschall, MRT und Infrarotbildgebung sind zu langsam, um die Operationen von Mikrorobotern tief im Körper zu beobachten. Durch die Kombination von Licht, Ton und elektromagnetischen Wellen können wir jedoch die Auflösung und Empfindlichkeit erhöhen.
Idealerweise sollte eine Bildgebungstechnik in der Lage sein, Mikromotoren 10 Zentimeter unter der Haut in 3D und in Echtzeit zu verfolgen, wobei sie sich mit einer Mindestgeschwindigkeit von mehreren zehn Mikrometern pro Sekunde bewegen, sagen Medina-Sanchez und Schmidt.
Im Moment ist dies schwer zu erreichen, aber die Wissenschaftler hoffen, dass modernste optoakustische Techniken, die Infrarot- und Ultraschallbildgebung kombinieren, in einigen Jahren gut genug sind, um Mikroroboter zu verfolgen.
Und dann bleibt die Frage, was mit den Robotern am Ende ihrer Mission zu tun ist. Wenn Sie sie im Körper treiben lassen, können Sie Gerinnsel oder andere katastrophale Nebenwirkungen wie Metallvergiftungen zulassen. Es kann überwältigend sein, Roboter wieder an ihren Ausgangspunkt zu bringen (Mund, Augen und andere natürliche Öffnungen). Daher erwägen Wissenschaftler bessere Optionen: Roboter auf natürliche Weise entfernen oder aus biologisch abbaubaren Materialien herstellen.
Letzteres hat ein separates Plus: Wenn die Materialien empfindlich gegen Hitze, Säure oder andere körperliche Faktoren sind, können sie zur Herstellung autonomer Bioroboter verwendet werden, die ohne Batterien arbeiten. Zum Beispiel haben Wissenschaftler bereits kleine sternförmige "Greifer" hergestellt, die sich um das Gewebe schließen, wenn sie Hitze ausgesetzt werden. Wenn der Greifer um erkrankte Organe oder Gewebe gelegt wird, kann er in situ biopsiert werden und bietet eine weniger invasive Methode für das Screening auf Darmkrebs oder die Verfolgung chronisch entzündlicher Darmerkrankungen.
„Ziel ist es, Mikroroboter zu entwickeln, die autonom erkennen, diagnostizieren und handeln können, während Menschen im Falle einer Fehlfunktion zuschauen und die Kontrolle behalten“, sagen Medina-Sanchez und Schmidt.
Die fantastische Reise der medizinischen Mikroroboter steht erst am Anfang.
Alle Kombinationen von Materialien, Mikroorganismen und Mikrostrukturen müssen auf unbestimmte Zeit getestet werden, um sicherzustellen, dass sie sicher sind, zuerst an Tieren und dann an Menschen. Wissenschaftler warten auch auf die Unterstützung der Aufsichtsbehörden.
Der Optimismus der Wissenschaftler geht jedoch nicht zu Ende
"Durch koordinierte Initiativen könnten uns die Mikroroboter zehn Jahre lang in die Ära der nicht-invasiven Therapien führen", sagen die Forscher.
ILYA KHEL
