Kleine robots en voertuigen van nanoformaat die door bloedvaten kunnen navigeren om de plaats van een ziekte te bereiken, kunnen worden gebruikt om medicijnen te leveren aan tumoren die anders moeilijk te behandelen zijn.

Eenmaal geïnjecteerd of ingeslikt, de meeste medicijnen zijn afhankelijk van de beweging van lichaamsvloeistoffen om hun weg door het lichaam te vinden. Het betekent dat sommige soorten ziekten op deze manier moeilijk effectief te behandelen zijn.

Een agressief type hersentumor bekend als glioblastoom, bijvoorbeeld, doodt honderdduizenden mensen per jaar. Maar omdat het vingerachtige uitsteeksels in het hersenweefsel van een patiënt produceert die de bloedvaten om hen heen beschadigen, het is moeilijk voor medicijnen om de tumorplaats te bereiken.

"Als je deeltjes in het lichaam injecteert, zij zullen het bloed volgen, " zei professor Daniel Ahmed, die momenteel het Acoustic Robotics Systems Lab leidt aan de ETH Zürich in Zwitserland.

In plaats daarvan, wetenschappers wenden zich tot nanodevices - kleine robots en voertuigen - om medicijnen op een controleerbare manier door het lichaam te brengen. Maar eerst, ze moeten uitzoeken hoe ze ermee moeten rijden.

Nanodeeltjes zijn "10 keer kleiner dan rode bloedcellen, en als je passieve deeltjes gebruikt, er is geen manier om ze te beheersen, " zegt prof. Ahmed.

Om dit te overwinnen, hij en zijn collega's in het SONOBOTS-project gebruiken ultrageluid om nanodevices te manipuleren die kankerdodende medicijnen bevatten. Echografietechnologie wordt meestal gebruikt door artsen in medische beeldvorming vanwege de manier waarop de hoogfrequente geluidsgolven weerkaatsen op verschillende delen van het lichaam, waarmee een afbeelding kan worden gemaakt.

Prof. Ahmed en zijn collega-wetenschappers hebben aangetoond, echter, dat ze een luchtbel kunnen geleiden die is ingekapseld in een polymeeromhulsel en een beeldvormende chemische stof - waardoor deze kan worden gezien - met behulp van ultrageluid. Ze noemen deze kleine voertuigen nanozwemmers vanwege hun vermogen om vooruit te komen door een vloeistof. De geluidsgolven duwen clusters van deze nanozwemmers richting de vaatwanden. Deze kracht, echter, niet sterk genoeg is om de beweging van rode bloedcellen in het bloed te beïnvloeden. Prof. Ahmed zegt dat hij werd geïnspireerd door hoe sperma reist:ze plakken aan de stationaire wanden van de vagina en gebruiken ze om hun voorwaartse beweging te leiden. "We verplaatsen (de nanozwemmers) naar de muur en manipuleren ze, " zei hij. Dit maakt het gemakkelijker om de nanozwemmers door een bloedvat in de goede richting te sturen, omdat ze de muren kunnen volgen.

Nanozwemmers

Dit vermogen om de nanozwemmers fijn te controleren is nodig als de wetenschappers hun medicijndragende nanovoertuigen naar glioblastomen willen brengen, wat het uiteindelijke doel is. Door de lekkende bloedvaten rond deze tumoren zullen de nanozwemmers voorzichtig naar de kankercellen genavigeerd moeten worden. Maar eenmaal daar, onderzoekers kunnen de zwemmer akoestisch schudden zodat ze hun drugslading in de tumor loslaten.

Tot dusver, de wetenschappers zijn erin geslaagd hun nanozwemmers te manipuleren en te volgen in zebravisembryo's, maar prof. Ahmed zei dat ze hun technologie graag op muizen willen uitproberen. "Zebravissen hebben kleine hersenen, maar hun bloed-hersenbarrière is niet volwassen. We moeten overstappen op muizen om lekkende vasculatuur te begrijpen."

Hoewel er tal van voortstuwingsmechanismen zijn die kunnen worden gebruikt om drugsdragende nanovoertuigen te leiden, zoals chemicaliën, magnetische velden, of licht, echografie is om een ​​aantal redenen aantrekkelijk, zei prof. Ahmed. Ultrageluidsgolven kunnen diep in het lichaam doordringen, maar het is aangetoond dat ze veilig zijn. Het wordt routinematig gebruikt om foetale hartslagen te detecteren bij zwangere vrouwen, bijvoorbeeld. De technologie is ook relatief goedkoop en is ook te vinden in de meeste ziekenhuizen en klinieken.

Het precies afleveren van medicijnen op specifieke locaties in het lichaam zou kunnen helpen om andere veelvoorkomende, maar dodelijke ziekten.

Professor Salvador Pané en Professor Josep Puigmartí-Luis, onderzoekers in het ANGIE-project, hoop dat gerichte medicijntoediening artsen in staat zal stellen een groter aantal patiënten met een beroerte effectiever te behandelen. ischemische beroertes, die optreden wanneer bloedstolsels de bloedstroom in de hersenen afsnijden, zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken in de Europese Unie, met meer dan 1,1 miljoen mensen die elk jaar een beroerte krijgen.

Hartinfarct

De belangrijkste vorm van behandeling voor patiënten die na een beroerte in het ziekenhuis arriveren, is met stollingsremmende medicijnen, maar deze worden toegediend als een injectie en reizen door het lichaam voordat ze de hersenen bereiken. Deze medicijnen hebben ook veel bijwerkingen, variërend van misselijkheid en lage bloeddruk tot bloedingen in de hersenen, en niet iedereen kan ze nemen.

Als behandelingen kunnen worden gericht op de plaats in een ader of slagader waar een stolsel optreedt, ze zouden veel effectiever kunnen worden opgeruimd.

"Als we de benodigde hoeveelheid concentreren op het stolsel, we zullen deze bijwerkingen drastisch verminderen en we zullen in staat zijn om meer patiënten te behandelen en bijwerkingen te verminderen, " zei prof. Pané, co-directeur van het Multi-Scale Robotics Lab aan de ETH Zürich en hoofd van het chemielaboratorium.

In ANGIE, de onderzoekers creëren kleine nanorobots die precies dit kunnen doen en het medicijn rechtstreeks op het stolsel afleveren.

In tegenstelling tot de nanozwemmers in SONOBOT's, de nanorobots die onder ANGIE worden ontwikkeld, zijn geavanceerder in termen van hoe ze kunnen worden bestuurd.

"De conventionele mechanismen voor zwemmen werken niet op nanoschaal - als je probeert te kruipen (zwemslag) en het op nanoschaal te implementeren, het zal niet werken, " zei hij. Om dit te verhelpen gebruikt het team magnetische velden om de structuren van nanoformaat te controleren, die magnetische deeltjes of films bevatten.

Prof. Pané vergeleek ze met een robotarm op een industriële assemblagelijn. Terwijl industriële robots een computergestuurde arm gebruiken om aan het uiteinde een grijper te verplaatsen, in het geval van de ANGIE nanorobots, de 'arm' is het magnetische veld dat de magnetische nanorobots beweegt. De nanorobots zijn gemaakt van biologisch afbreekbare kleine op ijzer gebaseerde polymeercomposietstructuren. Het veranderen van de vorm en samenstelling van deze structuren kan de manier waarop ze worden bestuurd veranderen.

Wanneer de nanorobot zijn doel bereikt - een stolsel in de hersenen in het geval van patiënten met een beroerte - interageert het vervolgens met het stolsel om zijn medicijnlading af te geven. In zijn geheel genomen, ANGIE kan worden beschouwd als een robotsysteem vanwege het controleniveau dat het magnetische veld mogelijk maakt, volgens de onderzoekers.

Robots

"Het zijn echt robots - je kunt ze besturen, versnellen, stop, beweeg ze in alle drie de richtingen, " zei prof. Puigmartí-Luis, een chemicus aan de Universiteit van Barcelona in Spanje. In principe, ze kunnen rollen, kurketrekker, en tuimelen.

Hoewel nog in het eerste jaar, het onderzoeksteam van ANGIE ontwikkelt momenteel het elektromagnetische systeem, die bestaat uit de nanorobots en de infrastructuur die nodig is om deze apparaten te besturen. Om te bevestigen dat hun technologie werkt, ze zullen een menselijk vaatstelsel 3D printen op basis van echte gegevens, en het optimale pad voor hun nanorobots in kaart brengen om een ​​stolsel te bereiken, Prof. Puigmartí-Luis zegt.

Maar als het lukt, het gebruik van dergelijke nanorobots om medicijnen af ​​te geven aan bloedstolsels bij patiënten met een beroerte, bijvoorbeeld, kan worden bereikt met bestaande apparatuur in veel grote ziekenhuizen. "Magnetische velden worden al gebruikt in ziekenhuizen voor magnetische resonantie beeldvorming, " voegde prof. Pané toe.

Hoewel hun huidige doel is om bloedstolsels te vinden die een beroerte veroorzaken, de technologie zou kunnen worden toegepast op vele andere ziekten, zegt prof. Pané. Maar ze moeten laten zien dat hun technologie werkt voordat ze het bij mensen kunnen uitproberen.

Nanodevices bieden een veelbelovende manier om de behandeling van ziekten aan te pakken, en iets waarvan Prof. Ahmed van SONOBOTS denkt dat het in de niet al te verre toekomst werkelijkheid zal worden.

"In eerste instantie toen we met artsen spraken over de ideeën, ze vonden het te sciencefiction, " maar naarmate de studiegegevens groeien, ze komen eraan, hij zei.