Каждый год 12 миллионов человек по всему миру переносят инсульт; многие умирают или получают необратимые повреждения. В настоящее время для растворения тромба, блокирующего кровеносный сосуд, вводятся лекарства. Однако эти препараты распространяются по всему телу, поэтому для достижения тромба требуется высокая доза. Это может вызвать серьёзные побочные эффекты, такие как внутреннее кровотечение.
Поскольку лекарства часто нужны только в определённых частях тела, медицинские исследования давно ищут способ использовать микророботов для доставки фармацевтических препаратов туда, где они необходимы: в случае инсульта — непосредственно к тромбу, вызванному инсультом.
Прорыв в ETH Zurich
Команда исследователей из ETH Zurich добилась значительных успехов. Они опубликовали свои результаты в журнале Science.
Микроробот, который используют исследователи, представляет собой запатентованную сферическую капсулу из растворимой гелевой оболочки. Ею можно управлять с помощью магнитов и направлять через тело к месту назначения. Намагниченность капсуле придают наночастицы оксида железа.
«Поскольку сосуды в человеческом мозге очень маленькие, есть ограничение на размер капсулы. Техническая задача состоит в том, чтобы убедиться, что такая маленькая капсула также обладает достаточными магнитными свойствами», — объясняет Фабиан Ландерс, ведущий автор статьи и постдокторский исследователь в лаборатории мультимасштабной робототехники в ETH Zurich.
Для отслеживания движения микроробота через сосуды с помощью рентгеновских лучей исследователям необходимо контрастное вещество. Они сосредоточились на наночастицах тантала, которые обычно используются в медицине, но сложнее в управлении из-за их большей плотности и веса.
«Сочетание магнитных свойств, видимости при визуализации и точного управления в одном микророботе потребовало идеальной синергии между материаловедением и робототехникой, на достижение которой у нас ушли годы», — говорит профессор ETH Брэдли Нельсон, который десятилетиями изучает микророботов.
Профессор Сальвадор Пане, химик из Института робототехники и интеллектуальных систем, и его команда разработали точные наночастицы оксида железа, которые позволяют достичь этого хрупкого баланса.
Микророботы также содержат активный ингредиент, который им необходимо доставить. Исследователи успешно загрузили микророботов распространёнными лекарствами для различных применений — в данном случае тромболитическим средством, антибиотиком или противоопухолевым препаратом.
Эти препараты высвобождались под действием высокочастотного магнитного поля, которое нагревало магнитные наночастицы, растворяя гелевую оболочку и микроробота.
Стратегия доставки микророботов
Исследователи использовали двухэтапную стратегию, чтобы приблизить микроробота к цели: сначала они вводили микроробота в кровь или спинномозговую жидкость через катетер. Затем использовали электромагнитную систему навигации для направления магнитного микроробота к месту назначения.
Дизайн катетера основан на коммерчески доступной модели с внутренним проводником, соединённым с гибким полимерным захватом. Когда толкатель выходит за пределы внешнего проводника, полимерный захват открывается и выпускает микроробота.
Чтобы точно управлять микророботами, исследователи разработали модульную электромагнитную систему навигации, пригодную для использования в операционной.
«Скорость кровотока в артериальной системе человека сильно варьируется в зависимости от местоположения. Это усложняет навигацию микроробота», — объясняет Нельсон. Исследователи объединили три различные стратегии магнитной навигации, которые позволили им перемещаться по всем участкам артерий головы.
Это позволяет им катить капсулу по стенке сосуда, используя вращающееся магнитное поле. Капсулу можно направить к цели с огромной точностью со скоростью 4 миллиметра в секунду.
В другой модели капсулу перемещают с помощью градиента магнитного поля: магнитное поле сильнее в одном месте, чем в другом. Это притягивает микроробота в сосуде к более сильному полю. Капсула может даже двигаться против тока — и со значительной скоростью потока, превышающей 20 сантиметров в секунду.
«Поразительно, сколько крови течёт по нашим сосудам и с такой высокой скоростью. Наша система навигации должна выдерживать всё это», — говорит Ландерс.
Когда микроробот достигает развилки сосудов, по которой трудно маневрировать, в игру вступает навигация по потоку. Магнитный градиент направлен против стенки сосуда таким образом, что капсула переносится в нужный сосуд.
Объединив эти три стратегии навигации, исследователи получили эффективный контроль над микророботами в различных условиях потока и анатомических сценариях. Более чем в 95% протестированных случаев капсула успешно доставляла лекарство в нужное место.
«Магнитные поля и градиенты идеально подходят для малоинвазивных процедур, поскольку они проникают глубоко в тело и — по крайней мере, при той силе и частоте, которые мы используем — не оказывают вредного воздействия на организм», — объясняет Нельсон.
Для тестирования микророботов и их навигации в реалистичной среде исследователи разработали силиконовые модели, точно воспроизводящие сосуды пациентов и животных. Эти модели сосудов настолько реалистичны, что теперь их используют для медицинского обучения, и они продаются ETH-стартапом Swiss Vascular.
«Модели имеют решающее значение для нас, поскольку мы много практиковались, чтобы оптимизировать стратегию и её компоненты. Вы не сможете сделать это на животных», — объясняет Пане. В модели исследователи смогли нацелиться на тромб и растворить его.
После многочисленных успешных испытаний на модели команда стремилась продемонстрировать, чего может достичь микроробот в реальных клинических условиях. Сначала они смогли продемонстрировать на свиньях, что все три метода навигации работают и что микроробот остаётся чётко видимым на протяжении всей процедуры. Затем они направили микророботов через спинномозговую жидкость овцы.
Ландерс особенно доволен. «Эта сложная анатомическая среда имеет огромный потенциал для дальнейших терапевтических вмешательств, поэтому мы были так взволнованы, что микроробот смог найти свой путь и в этой среде».
Помимо лечения тромбоза, этих новых микророботов можно использовать при локализованных инфекциях или опухолях. На каждом этапе разработки исследовательская группа сосредоточилась на своей цели: обеспечить, чтобы всё, что они создают, было готово к использованию в операционных как можно скорее. Следующая цель — как можно скорее начать клинические испытания на людях.
Говоря о том, что мотивирует всю команду, Ландерс говорит: «Врачи уже проделывают невероятную работу в больницах. Что движет нами, так это знание того, что у нас есть технология, которая позволяет нам помогать пациентам быстрее и эффективнее и даёт им новую надежду с помощью инновационных методов лечения».
Предоставлено ETH Zurich