Z mikrorobotom do zanesljive dostave zdravila

03.03.2026

Raziskovalci na ETH Zürichu so s kolegi z Univerze v Würzburgu razvili mikrorobota, ki je sposoben prenašati zdravila na določene lokacije v telesu. Magnetni navigacijski sistem omogoča zanesljivo krmiljenje v krvnem obtoku in v kompleksnih možganskih strukturah. Tehnologija je bila uspešno testirana v realističnih modelih žil in na velikih živalih. Preboj raziskovalcev bi lahko utrlo pot novim terapijam v prihodnosti, vključno z možnostjo uporabe v bolnišnicah. - See more at: https://www.strojnistvo.com/z-mikrorobotom-do-zanesljive-dostave-zdravila.html#sthash.WLDPC1OJ.dpuf

Tako majhen je najnovejši mikrorobot ETH. Foto: Luca Donati, ETH Zurich

Do možganske kapi pride, ko krvni strdki zamašijo žile, ki možgane oskrbujejo s krvjo. Vsako leto možgansko kap doživi dvanajst milijonov ljudi po vsem svetu – številni umrejo ali ostanejo s trajnimi posledicami, kot je paraliza. Za raztapljanje krvnih strdkov se trenutno uporabljajo zdravila, ki se porazdelijo po celotnem telesu. Da bi zadostna količina zdravila dosegla strdek, je treba uporabiti visok odmerek. To pa lahko povzroči resne stranske učinke, kot so notranje krvavitve. Ker so zdravila pogosto potrebna le na specifičnih delih telesa, medicinske raziskave že dolgo iščejo način, kako z mikroroboti dostaviti farmacevtike tja, kjer so potrebni – v primeru možganske kapi neposredno do tromba, povezanega s kapjo.

Za ciljno usmerjen transport zdravil se raziskovalci zanašajo na mikrorobota – sferično kapsulo, ki so jo razvili sami. Sestavljena je iz raztopljive gelske ovojnice in nanodelcev železovega oksida. Ti omogočajo magnetno krmiljenje mikrorobota skozi telo.

Potrebni so natančni nanodelci in magnetno krmiljiv mikrorobot

Spuščanje kapsule. Foto: Zajem zaslona ETH Zurich.

»Ker so žile v človeških možganih zelo majhne, obstaja omejitev glede velikosti kapsule. Tehnični izziv je zagotoviti, da ima tako majhna kapsula hkrati zadostne magnetne lastnosti,« pojasnjuje dr. Fabian Landers, glavni avtor članka in podoktorski raziskovalec v laboratoriju Multi-Scale Robotics Lab na ETH Zürich.

Mikrorobot potrebuje tudi kontrastno sredstvo, ki zdravnikom omogoča sledenje njegovega gibanja skozi žile z rentgenskim slikanjem. Raziskovalci so v ta namen uporabili nanodelce tantala, ki se v medicini pogosto uporabljajo uporabljajo, vendar jih je zaradi večje gostote in mase težje nadzorovati.

»Združevanje magnetne funkcionalnosti, vidnosti pri slikanju in natančnega krmiljenja v enem samem mikrorobotu zahteva popolno sodelovanje med znanostjo o materialih in robotiko. Za dosego tega cilja smo potrebovali več let,« pravi profesor Bradley Nelson z ETH. Skupina pod vodstvom profesorja Salvadorja Panéja, kemika z Inštituta za robotiko in inteligentne sisteme, je v ta namen razvila po meri izdelane nanodelce železovega oksida, ki omogočajo to občutljivo ravnovesje.

Mikroroboti, napolnjeni z običajnimi zdravili

Raziskovalcem je uspelo mikrorobote napolniti z običajnimi zdravili za različne namene – v tem primeru s sredstvom za raztapljanje trombov, antibiotikom ali zdravilom za zdravljenje tumorjev. Ta zdravila so bila sproščena s pomočjo visokofrekvenčnega magnetnega polja, ki segreje magnetne nanodelce, raztopi gelsko ovojnico in s tem mikrorobot.

Razgradnja krvnega strdka. Foto: Zajem zaslona ETH Zurich.

Zdravilo, uporabljeno za raztapljanje krvnih strdkov, je encim, ki ga je odobrila ameriška Uprava za hrano in zdravila (FDA), imenovan tkivni aktivator plazminogena (tissue plasminogen activator, tPA). »Beljakovine, kot je tPA, so zelo občutljive. Imajo zapleteno tridimenzionalno strukturo, ki mora biti zelo natančno zvita, da molekula deluje pravilno,« pojasnjuje dr. Tessa Lühmann profesorica farmacevtske tehnologije in živilske tehnologije z Univerze v Würzburgu. Že majhne spremembe v okolju – na primer previsoka temperatura, nepravilen pH ali dolgotrajno shranjevanje – lahko to strukturo porušijo: »Encim takrat izgubi svojo aktivnost ali se lahko celo zlepi.« Za boljše obvladovanje in ciljno uporabo tPA so mikrorobote na Inštitutu za farmacijo in kemijo živil Univerze v Würzburgu obsežno testirali glede njihove biološke združljivosti, aktivnosti encimov, ki jih vsebujejo, ter njihove stabilnosti med shranjevanjem. Skupina iz Würzburga se je posebej osredotočila na ciljno usmerjen transport učinkovine.

Gelska ovojnica mikrorobotov se v telesu raztopi s kontroliranim povišanjem temperature. Vendar to predstavlja tveganje za stabilnost encimov. Velik izziv je bil zlasti najti točno tisti temperaturni razpon, pri katerem se kapsula razgradi, občutljivi tPA pa ohrani svojo strukturo in učinkovitost. Ekipi z Würzburga je to uspela doseči z obsežnimi raziskavami.

Poseben kateter sprosti kapsulo z zdravilom

Raziskovalci so uporabili dvofazno strategijo, da so mikrorobot približali cilju: najprej so mikrorobot vbrizgali v kri ali cerebrospinalno tekočino prek katetra. Nato so uporabili elektromagnetni navigacijski sistem, s katerim so magnetni mikrorobot usmerjali do ciljne lokacije. Zasnova katetra temelji na komercialno dostopnem modelu z notranjo vodilno žico, povezano s fleksibilnim polimernim prijemalom. Ko se prijemalo potisne prek zunanjega vodila, se odpre in sprosti mikrorobot.

Za natančno krmiljenje mikrorobotov so raziskovalci razvili modularni elektromagnetni navigacijski sistem, primeren za uporabo v operacijski dvorani. »Hitrost pretoka krvi v človeškem arterijskem sistemu se zelo razlikuje glede na lokacijo, kar navigacijo mikrorobota naredi izjemno zapleteno,« razloži dr. Nelson. Raziskovalci so združili tri različne magnetne navigacijske strategije, ki jim omogočajo navigacijo v vseh predelih arterij v glavi.

To jim omogoča, da kapsulo z vrtečim magnetnim poljem valjajo vzdolž stene žile. Kapsulo je mogoče z izjemno natančnostjo voditi do cilja s hitrostjo 4 milimetre na sekundo.

V drugem modelu se kapsula premika s pomočjo gradienta magnetnega polja, pri katerem je magnetno polje na enem mestu močnejše kot na drugem. To vleče mikrorobot po žili proti močnejšemu polju. Kapsula se lahko celo premika proti toku – in to pri znatni hitrosti pretoka, več kot 20 centimetrov na sekundo. »Presenetljivo je, koliko krvi teče skozi naše žile in s kakšno hitrostjo. Naš navigacijski sistem mora vse to zdržati,« pravi dr. Landers.

Ko mikrorobot doseže razcep žil, skozi katerega bi bilo težko manevrirati, pride v poštev navigacija z izkoriščanjem toka. Magnetni gradient je usmerjen proti steni žile tako, da kapsulo tok odnese v pravilno žilo.

Z integracijo teh treh navigacijskih strategij raziskovalci dosežejo učinkovit nadzor nad mikroroboti v različnih pogojih pretoka in anatomskih scenarijih. V več kot 95 odstotkih preizkušenih primerov je kapsula uspešno dostavila zdravilo na pravo mesto. »Magnetna polja in gradienti so idealni za minimalno invazivne posege, saj prodrejo globoko v telo in – vsaj pri jakostih in frekvencah, ki jih uporabljamo – nimajo škodljivega vpliva na telo,« dodaja dr. Nelson.

Veliko inovacij, ne le s področja robotike

Raziskovalci so za preizkušanje mikrorobotov razvili izjemno realistične silikonske modele žil, ki danes služijo tudi medicinskemu usposabljanju in jih trži podjetje ETH Swiss Vascular. Ti modeli so omogočili natančno vadbo in optimizacijo navigacijskih strategij, vključno z uspešnim raztapljanjem krvnega strdka. Po uspehih v laboratoriju so mikrorobote preizkusili še v živih organizmih: pri prašičih so potrdili zanesljivo navigacijo in vidnost, pri ovcah pa dokazali, da se mikrorobot uspešno giblje tudi v kompleksnem okolju cerebrospinalne tekočine, kar odpira nove možnosti za prihodnje terapevtske posege. »To kompleksno anatomsko okolje ima izjemen potencial za nadaljnje terapevtske posege, zato smo bili zelo navdušeni, da je mikrorobot našel svojo pot tudi v tem okolju,« dodaja dr. Landers.

Rezultati ne le za žilne zapore

Novi mikroroboti bi se lahko uporabljali ne le proti krvnim strdkom, temveč tudi pri lokaliziranih okužbah ali tumorjih. Raziskovalna skupina je v vseh fazah razvoja upoštevala, da mora biti vse, kar razvijejo, čim prej uporabno v operacijski dvorani. Naslednji cilj je čimprejšnji začetek kliničnih preskušanj na ljudeh. Dr. Landers sklene: »Zdravniki že zdaj opravljajo izjemno delo v bolnišnicah. Kar nas žene naprej, je zavedanje, da imamo tehnologijo, ki nam omogoča hitrejšo in učinkovitejšo pomoč pacientom ter jim z inovativnimi terapijami daje novo upanje.«

Avtor: Jernej Kovač

Za več vsebin s področja razvoja, inovacij in tehnologij novega tisočletja lahko brezplačno dostopate do naše revije v digitalni obliki na: https://issuu.com/irt3000

Če želite tiskano izdajo revije prejemati na dom, se lahko naročite tukaj: Naročilo revije