Mikrorobotid tormavad trombe lahustama

Lisaks trombide lahustamisele saab ravimitega täidetud mikroroboteid kasutada ka infektsioonide ja kasvajate vastu.

Igal aastal saab üle maailma 12 miljonit inimest insuldi. Neist paljud surevad ja paljudel jäävad rasked tervisekahjustused. Praegu püütakse ravimitega trombi lahustada, mis veresoont blokeerib. Need ravimid levivad paraku kogu kehas, mistõttu tuleb manustada suur annus, et vajalik kogus jõuaks trombini. See võib põhjustada tõsiseid kõrvaltoimeid, näiteks sisemist verejooksu. Kuna ravimeid on sageli vaja ainult kindlates kehapiirkondades, on meditsiiniteadus juba pikka aega otsinud võimalust kasutada mikroroboteid ravimite viimiseks just sinna, kus neid vaja on. Insuldi puhul on ravimid vaja viia otse insuldiga seotud trombini. Nüüd on Zürichi ETH teadlaste meeskond saavutanud mitmel tasandil olulisi läbimurdeid. Nad avaldasid oma tulemused ajakirjas Science.

Mikrorobotid leiavad tee igale poole

Teadlaste kasutatav mikrorobot koosneb patenteeritud sfäärilisest kapslist, mis on valmistatud lahustuvast geelist. Robotit saab magnetitega juhtida ja kehas sihtkohta suunata. Kapslis olevad rauaoksiidi nanoosakesed annavad kapslile magnetilised omadused. “Kuna inimese aju veresooned on väga väikesed, on kapsli suurusel piir. Tehniline väljakutse on tagada, et nii väike kapsel oleks siiski piisavalt magnetiline,” selgitab artikli juhtivautor ja Zürichi ETH Multiskaala Robotika Labori järeldoktorant Fabian Landers. Mikrorobot vajab ka kontrastainet, et arstid saaksid röntgeni abil jälgida, kuidas see mööda veresooni liigub. Teadlased keskendusid tantaal-nanoosakestele, mida kasutatakse meditsiinis sageli, kuid mida on suurema tiheduse ja kaalu tõttu raskem juhtida. “Magnetiliste omaduste, röntgeninähtavuse ja täpse juhitavuse ühendamine ühes mikrorobotis nõudis täiuslikku koostööd materjaliteaduse ja robootika vahel – see on meil aastaid aega võtnud,” ütleb ETH professor Bradley Nelson, kes on uurinud mikroroboteid aastakümneid. Professor Salvador Pané ja tema meeskond töötasid välja täppis-rauaoksiidi nanoosakesed, mis võimaldavad seda keerulist tasakaalu saavutada.

Uus ETH mikrorobot nii väike ongi. Foto Luca Donati, lad.studio Zurich.

Roboti kapsel laetakse ravimitega

Erikateeter vabastab ravimikapsli. Mikrorobotid sisaldavad ka toimeainet, mida nad peavad kohale toimetama. Teadlased laadisid mikrorobotid edukalt erinevate ravimitega, sealhulgas trombi lahustava aine, antibiootikumi või kasvajaravimiga. Ravimid vabastati kapslist kõrgsagedusliku magnetvälja abiga, mis kuumutas magnetilisi nanoosakesi, lahustas geelkapsli ja hävitas sellega mikroroboti. Sihtmärgile lähenemiseks kasutasid teadlased kaheetapilist strateegiat: esmalt süstiti mikrorobot veresoonde või tserebrospinaalvedelikku kateetri kaudu. Seejärel kasutati elektromagnetilist navigatsioonisüsteemi, et suunata magnetiline mikrorobot sihtkohta.

Mikrorobotid liiguvad vastuvoolu 20 sentimeetrit sekundis

Mikrorobotide täpseks juhtimiseks töötasid teadlased välja modulaarse elektromagnetilise navigatsioonisüsteemi, mis sobib kasutamiseks operatsioonisaalis. “Verevoolu kiirus inimese arterites varieerub olenevalt asukohast väga palju. See muudab mikroroboti juhtimise äärmiselt keeruliseks,” selgitab Nelson. Teadlased ühendasid kolm erinevat magnetilist navigatsioonistrateegiat, mis võimaldasid liikuda kõikides peaarteri piirkondades. See võimaldab kapslil veereda mööda veresoonte seina pöörleva magnetvälja abil. Kapslit saab juhtida suure täpsusega kiirusel 4 millimeetrit sekundis. Teises mudelis liigutatakse kapslit magnetvälja gradiendiga: magnetväli on ühes piirkonnas tugevam kui teises, mis tõmbab mikrorobotit tugevama välja poole. Kapsel suudab liikuda isegi vastuvoolu – ja seda üle 20 sentimeetri sekundis voolukiirusega. “On märkimisväärne, kui palju verd meie soontes liigub ja kui kiiresti. Meie navigatsioonisüsteem peab kogu sellele koormusele vastu pidama,” ütleb Landers. Kui mikrorobot jõuab veresoonte hargnemiskohta, kust oleks keeruline liikuda, tuleb appi voolunavigatsioon: magnetiline gradient suunatakse selliselt, et kapsel kantakse voolu abil õigesse veresoonde. Kõigi kolme strateegia ühendamine annab teadlastele tõhusa kontrolli mikrorobotide üle erinevates voolutingimustes ja keha piirkondades. Üle 95 protsendi testitud juhtumitest jõudis kapsel edukalt õigesse kohta ja vabastas seal ravimi.

Silikoonist veresooned treeninguks

Innovatsioon ei piirdu robotikaga. Mikrorobotite ja nende navigatsiooni testimiseks reaalses keskkonnas töötasid teadlased välja silikoonmudelid, mis täpselt jäljendavad inimeste ja loomade veresooni. Need mudelid on nii realistlikud, et neid kasutatakse nüüd meditsiinitreeningutes ja neid müüb ETH spin-off Swiss Vascular. “Mudelite tähtsus on tohutu, sest me harjutasime nende abil põhjalikult strateegia ja komponentide optimeerimist. Loomadega poleks see võimalik,” selgitab Pané. Mudelis suutsid teadlased trombi sihtida ja lahustada. Pärast arvukaid edukaid katseid mudeliga soovis meeskond näidata, mida mikrorobot suudab päris kliinilistes tingimustes. Nad tõestasid esmalt sigadel, et kõik kolm navigatsioonimeetodit töötavad ja mikrorobot jääb kogu protseduuri jooksul selgelt nähtavaks. Teiseks navigeeriti mikroroboteid lammaste aju tserebrospinaalvedelikus. Landersi sõnul on ta tulemustega eriti rahul: “See keeruline anatoomiline keskkond pakub tohutut potentsiaali edasisteks terapeutilisteks sekkumisteks, mistõttu olime väga põnevil, et mikrorobot suutis selles keskkonnas oma tee leida.”

Saab kasutada infektsiooni ja kasvajate raviks

Lisaks tromboosi ravile võiks neid uusi mikroroboteid kasutada ka lokaalse infektsiooni või kasvaja raviks. Arenduse igas etapis on teadlased keskendunud eesmärgile viia kõik loodud tehnoloogiad võimalikult kiiresti operatsioonisaalidesse. Järgmine eesmärk on alustada võimalikult kiiresti kliinilisi katseid inimestel. Landers ütleb: “Arstid teevad haiglates juba niigi uskumatut tööd. Meid motiveerib teadmine, et meil on tehnoloogia, mis võimaldab aidata patsiente kiiremini ja tõhusamalt ning anda neile lootust innovaatiliste raviviiside abil.”