Mikroroboter zur Medikamentengabe Ein Krankenwagen in der (künstlichen) Blutbahn

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Die Blutbahnen sind das Verkehrsnetz des Körpers. Damit bieten sie sozusagen die Infrastruktur, um Medikamente zielgerichtet an den Ort der Erkrankung zu transportieren. Bisher fehlt es allerdings an den Fahrzeugen, die diese „Straßen“ nutzen können. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben nun nach dem Vorbild von weißen Blutkörperchen mobile Mikroroller entwickelt. Diese miniaturisierten Krankenwagen testeten sie dann in künstlichen Blutgefäßen auf ihre Tauglichkeit.

Stuttgart – Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben einen winzigen Mikroroboter in der Form und Größe eines weißen Blutkörperchens entwickelt. Wie ein Leukozyt bewegt sich der Roboter rollend vorwärts und bahnt sich so seinen Weg durch den Blutkreislauf. Möglicherweise könnten derartige Mikroroller zur Minimal-invasiven Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden.

Der Blutkreislauf als idealer Zugangsweg

Den neuartigen Mikroroller haben die Forscher bereits in einem künstlichen Blutgefäß getestet. Mithilfe kleiner Magnetspulen ist es ihnen gelungen, ihn durch diese dynamische und dichte Umgebung zu steuern: Das kugelförmige Medikamententransportvehikel hielt dem simulierten Blutfluss stand. Dieser Erfolg ist dem Team zufolge ein wesentlicher Schritt im Forschungsgebiet rund um die zielgenaue Medikamentenabgabe: Es gebe keinen besseren Zugangsweg zu allen Geweben und Organen im Körper als den Blutkreislauf, da er alle Zellen versorgt.

Als Inspiration dienten dem Team weiße Blutkörperchen – die Wächter des Immunsystems und die einzigen beweglichen Zellen innerhalb des Blutflusses. Auf ihrer Patrouille zu Orten, an denen Krankheitserreger eingedrungen sind, rollen sie an der Blutgefäßinnenwand entlang und dringen aus dieser heraus, wenn sie zum Beispiel an einer Wunde ankommen. Dass sie sich bewegen können, liegt vor allem an der wesentlich geringeren Fließgeschwindigkeit an den Gefäßinnenwänden.

Die Forscher haben sich dieses Phänomen zunutze gemacht. Sie haben einen Mikroroboter entwickelt, den sie dank seiner magnetischen Eigenschaften aktiv vorwärtsbewegen und innerhalb eines künstlichen Blutgefäßes steuern konnten. „Unsere Vision ist es, die nächste Generation Transportmittel für die minimal-invasive, gezielte Medikamentenverabreichung zu kreieren – eines, das noch weiter ins Körperinnere dringen kann und dabei noch schwieriger zu erreichende Bereiche zugänglich macht“, sagt Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS.

Magnetischer Antrieb

Jeder Mikroroller hat einen Durchmesser von knapp acht Mikrometern und besteht aus winzigen Glaspartikeln. Eine Seite ist mit einem magnetischen Nanofilm aus Nickel und Gold bedeckt, an der anderen haften Krebsmedikamente sowie spezielle Moleküle, die Krebszellen aufspüren können. „Mithilfe von Magnetfeldern können unsere Mikroroboter stromaufwärts durch ein simuliertes Blutgefäß navigieren, was aufgrund des starken Blutflusses und der dichten zellulären Umgebung eine Herausforderung darstellt. Kein einziger Mikroroboter konnte einem solchen Strom bisher standhalten“ sagt Yunus Alapan, Post-Doc in der Abteilung für Physische Intelligenz.

Mit den neu entwickelten Mikrorollern ist dies nun gelungen. „Darüber hinaus können unsere Roboter selbstständig für sie interessante Zellen, beispielsweise Krebszellen, erkennen. Das können sie, weil wir sie mit zellspezifischen Antikörpern beschichtet haben. Sie können die Wirkstoffmoleküle dann während der Fahrt freisetzen“, ergänzt Alapan.

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Einsatz im menschlichen Körper noch in weiter Ferne

Im Labor erreicht der Mikroroller eine Geschwindigkeit von bis zu 600 Mikrometern pro Sekunde. Das sind rund 76 Körperlängen pro Sekunde, was ihn zum schnellsten magnetischen Mikroroboter dieser Größe macht. Bevor jedoch der Roboter solch eine Bewegung unter realen Bedingungen ausführen kann, müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden. Tatsächlich sind sie noch weit davon entfernt, im menschlichen Körper getestet zu werden.

Im Labor gelang es den Forschern, die Roboter mit Mikroskopen abzubilden und mit elektromagnetischen Spulen zu steuern. „In Kliniken allerdings ist die Auflösung der derzeitigen Bildgebungsverfahren nicht hoch genug, um einzelne Mikroroboter im menschlichen Körper abbilden zu können“, sagt Ugur Bozuyuk, der als Doktorand ebenfalls an der Studie mitgearbeitet hat. Zudem würde die Medikamenten-Fracht, die von einem einzelnen Mikroroboter (etwa zehn Mikrometer) transportiert werden kann, nicht ausreichen, um ein Tausende Mikrometer großes Organgewebe zu behandeln, wie der Forscher erklärt. „Man müsste also mehrere Mikroroboter zusammen in einem Schwarm manipulieren können, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Aber davon sind wir noch weit entfernt, dies ist erst der Anfang.“

Originalpublikation: Yunus Alapan, Ugur Bozuyuk, Pelin Erkoc, Alp Can Karacakol and Metin Sitti: Multifunctional surface microrollers for targeted cargo delivery in physiological blood flow, Science Robotics 20 May 2020: Vol. 5, Issue 42, DOI: 10.1126/scirobotics.aba5726

* L. Behringer, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 70569 Stuttgart

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