Forscher haben einen Blasenmikroroboter entwickelt, der ihn mithilfe von Ultraschall durch winzige, komplexe Blutgefäße im Gehirn führt. Die „Mikrovehikel“ wurden erfolgreich an Mäusen getestet und könnten ein Mittel zur präzisen Abgabe von Medikamenten zur Behandlung von Erkrankungen wie Hirntumor und Schlaganfall werden.
In unserem Gehirn gibt es mehr als 650 Kilometer Blutgefäße. Fortschritte in der Nanotechnologie haben die Entwicklung winziger Roboter ermöglicht, die über winzige, komplizierte Pfade durch bisher unzugängliche Bereiche navigieren, eine präzise Medikamentenabgabe ermöglichen und minimalinvasive Operationen durchführen können.
Angesichts der Komplexität der Gefäßnetzwerke und der auftretenden Blutflussdrücke ist eine Methode zur Führung von Mikrorobotern erforderlich. Die Verwendung von Magnetfeldern zur Führung von Mikrorobotern durch Blutgefäße im Gehirn ermöglicht eine präzise Manipulation. Da die Mikroroboter jedoch magnetisch sein müssen, schränkt dies ihre biologische Abbaubarkeit ein.
Nun haben Forschende der ETH Zürich, der Universität Zürich und des Universitätsspitals Zürich gemeinsam Mikroträger entwickelt – gasgefüllte, mit Lipiden beschichtete Mikrobläschen –, die mithilfe von Ultraschall durch die engen und komplexen Blutgefäße des Mäusegehirns navigieren können.
Daniel Ahmed, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte: „Ultraschall ist nicht nur im medizinischen Bereich weit verbreitet, sondern auch sicher und kann tief in den menschlichen Körper eindringen.“
Diese kleinen, glatten, gasgefüllten Mikrobläschen haben einen Durchmesser zwischen 1,1 und 1,4 Mikrometer und bestehen aus einem fluoreszierenden Kontrastmittel, das derzeit in der Ultraschallbildgebung verwendet wird. Mit der Zeit lösen sie sich im Körper auf und ihre Lipidhüllen bestehen aus dem gleichen Material wie biologische Zellmembranen.
Akustische Mikroroboternavigation kombiniert mit optischer Bildgebung in Echtzeit. Forschung von DelCampo Fonseca et al. fanden heraus, dass sich der Mikroroboter über einen langen Zeitraum im Körper auflösen kann und seine Lipidhülle aus dem gleichen Material besteht wie biologische Zellmembranen.
Die Forscher injizierten Mäusen Mikrobläschen und ließen sie im Blut der Tiere zirkulieren. Das Mikroskop ermöglicht die Echtzeitabbildung des Roboters. Die Forscher montierten bis zu vier Ultraschallsensoren an der Außenseite der Köpfe von Mäusen und stellten fest, dass die Mikroroboter auf Schallwellen reagierten, indem sie sich selbst zu Schwärmen zusammenschlossen und entlang der Blutgefäße des Gehirns navigierten.
Die Roboter werden durch Anpassen der Ausgabe jedes Sensors auf Geschwindigkeiten von bis zu 1,5 Mikrometern/Sekunde geführt und bewegen sich erfolgreich in umgekehrter Richtung mit Blutflussgeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/Sekunde. Die Ergebnisse zeigen, dass der akustische Mikromanipulator unter physiologischen Bedingungen in vivo arbeiten kann. Die Forscher analysierten Gehirngewebe nach Ultraschallfahrten und stellten fest, dass der Mikroroboter weder die Innenwände von Blutgefäßen beschädigte noch zum Absterben von Nervenzellen führte.
Die Erzeugung von Mikrobläschen aus einer bereits verwendeten Substanz hat seine Vorteile. „Da diese Bläschen oder Vesikel bereits für die Verwendung beim Menschen zugelassen sind, wird unsere Technologie wahrscheinlich schneller für die Behandlung beim Menschen zugelassen als andere Arten von Mikroträgern, die sich derzeit in der Entwicklung befinden“, sagte Ahmed.
Nachdem sie nun gezeigt haben, dass ihr Mikroroboter durch die Gehirnblutgefäße von Mäusen navigieren kann, besteht der nächste Schritt für die Forscher darin, Arzneimittelmoleküle an der Außenseite der Mikrobläschenhülle anzubringen. Bei Erfolg könnten die ultraschallaktivierten Mikroträger möglicherweise zur Behandlung von Krebs, Schlaganfall und psychischen Erkrankungen eingesetzt werden.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.