Onderzoekers van ETH Zürich hebben voor het eerst aangetoond dat microvoertuigen met behulp van echografie door bloedvaten in de hersenen van muizen kunnen worden gestuurd. Ze hopen dat dit uiteindelijk zal leiden tot behandelingen die medicijnen met uiterste precisie kunnen afleveren. Hun onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Hersentumoren, hersenbloedingen en neurologische en psychologische aandoeningen zijn vaak moeilijk met medicijnen te behandelen. En zelfs als er effectieve medicijnen beschikbaar zijn, hebben deze vaak ernstige bijwerkingen omdat ze door de hersenen circuleren en niet alleen in het gebied waarvoor ze bedoeld zijn.

In het licht van deze situatie hebben onderzoekers goede hoop dat ze ooit een meer gerichte aanpak kunnen bieden, waarbij medicijnen op zeer specifiek gedefinieerde locaties kunnen worden afgeleverd. Daartoe zijn ze bezig met het ontwikkelen van minitransporters die door het dichte doolhof van bloedvaten kunnen worden geleid.

Onderzoekers van de ETH Zürich, de Universiteit van Zürich en het Universitair Ziekenhuis Zürich zijn er nu voor het eerst in geslaagd om met behulp van echografie microvoertuigjes door de bloedvaten in de hersenen van een dier te leiden.

Echografie in plaats van magnetisme

Vergeleken met alternatieve navigatietechnologieën, zoals die op basis van magnetische velden, biedt echografie bepaalde voordelen. Daniel Ahmed, hoogleraar akoestische robotica aan de ETH Zürich en supervisor van het onderzoek, legt uit:"Naast het feit dat echografie op grote schaal wordt gebruikt in de medische wereld, is het veilig en dringt het diep door in het lichaam."

Voor hun microvoertuig gebruikten Ahmed en zijn collega's gasgevulde microbellen bedekt met lipiden – dezelfde stoffen waaruit biologische celmembranen zijn gemaakt. De belletjes hebben een diameter van 1,5 micrometer en worden momenteel gebruikt als contrastmateriaal bij echografie.

Zoals de onderzoekers nu hebben aangetoond, kunnen deze microbellen door bloedvaten worden geleid. "Aangezien deze belletjes of blaasjes al zijn goedgekeurd voor gebruik bij mensen, is het waarschijnlijk dat onze technologie sneller zal worden goedgekeurd en gebruikt bij behandelingen voor mensen dan andere soorten microvoertuigen die momenteel in ontwikkeling zijn", zegt Ahmed.

Een ander voordeel van de echogeleide microbelletjes is dat ze in het lichaam oplossen zodra ze hun werk hebben gedaan. Bij gebruik van een andere benadering, magnetische velden, moeten de microvoertuigen magnetisch zijn, en het is niet eenvoudig om biologisch afbreekbare microvoertuigen te ontwikkelen. Bovendien zijn de microbellen ontwikkeld door de onderzoekers van ETH Zürich klein en glad. "Dit maakt het voor ons gemakkelijk om ze langs nauwe haarvaten te leiden", zegt Alexia Del Campo Fonseca, een promovendus in de groep van Ahmed en hoofdauteur van het onderzoek.

Tegen de stroom in

De afgelopen jaren hebben Ahmed en zijn groep in het laboratorium gewerkt aan de ontwikkeling van een methode om microbellen door nauwe vaten te leiden. Nu hebben ze, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Zürich en het Universitair Ziekenhuis Zürich, deze methode getest op bloedvaten in de hersenen van muizen. De onderzoekers injecteerden de belletjes in de bloedsomloop van de knaagdieren, waar ze zonder hulp van buitenaf in de bloedbaan worden meegenomen.

De onderzoekers slaagden er echter in om met behulp van echografie de belletjes op hun plaats te houden en ze tegen de richting van de bloedstroom door de hersenvaten te leiden. De onderzoekers slaagden er zelfs in om de belletjes door ingewikkelde bloedvaten te leiden of ze meerdere keren van richting te laten veranderen om ze in de smalste takken van de bloedbaan te sturen.

Om de bewegingen van de microvoertuigen te controleren, bevestigden de onderzoekers ook vier kleine transducers aan de buitenkant van de schedel van elke muis. Deze apparaten genereren trillingen in het ultrasone bereik, die zich als golven door de hersenen verspreiden. Op bepaalde punten in de hersenen kunnen de golven die door twee of meer transducers worden uitgezonden, elkaar versterken of elkaar opheffen. De onderzoekers begeleiden de bellen met behulp van een geavanceerde methode om de output van elke individuele transducer aan te passen. Realtime beeldvorming laat hen zien in welke richting de bubbels bewegen.

Om de beeldvorming voor dit onderzoek te maken, gebruikten de onderzoekers twee-fotonenmicroscopie. In de toekomst willen ze echografie zelf ook gebruiken voor beeldvorming en zijn ze van plan de ultrasone technologie voor dit doel te verbeteren.

In dit onderzoek waren de microbellen niet voorzien van medicijnen. De onderzoekers wilden eerst aantonen dat ze de microvoertuigjes langs bloedvaten konden geleiden en dat deze technologie geschikt is voor gebruik in de hersenen. Daar liggen veelbelovende medische toepassingen, onder meer bij de behandeling van kanker, beroertes en psychologische aandoeningen.

De volgende stap van de onderzoekers zal zijn om medicijnmoleculen aan de buitenkant van het belomhulsel te bevestigen voor transport. Ze willen de hele methode verbeteren tot het punt waarop deze bij mensen kan worden gebruikt, in de hoop dat deze op een dag de basis zal vormen voor de ontwikkeling van nieuwe behandelingen.

Meer informatie: Alexia Del Campo Fonseca et al, Ultrasone detectie en navigatie van microrobots in het vaatstelsel van muizenhersenen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41557-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door ETH Zürich