Τα μικρορομπότ έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στην ιατρική. Ερευνητές στο Max Planck ETH Center for Learning Systems ανέπτυξαν τώρα μια τεχνική απεικόνισης που για πρώτη φορά αναγνωρίζει μικρορομπότ μεγέθους κυττάρου μεμονωμένα και σε υψηλή ανάλυση σε έναν ζωντανό οργανισμό.
Πώς μπορεί να αφαιρεθεί ένας θρόμβος αίματος από τον εγκέφαλο χωρίς καμία σημαντική χειρουργική επέμβαση; Πώς μπορεί ένα φάρμακο να χορηγηθεί με ακρίβεια σε ένα άρρωστο όργανο που είναι δύσκολο να προσεγγιστεί; Αυτά είναι μόνο δύο παραδείγματα των αμέτρητων καινοτομιών που οραματίστηκαν οι ερευνητές στον τομέα της ιατρικής μικρορομποτικής. Μικροσκοπικά ρομπότ υπόσχονται να αλλάξουν θεμελιωδώς τις μελλοντικές ιατρικές θεραπείες: μια μέρα, θα μπορούσαν να κινηθούν μέσα από το αγγείο του ασθενούς για να εξαλείψουν κακοήθειες, να καταπολεμήσουν λοιμώξεις ή να παρέχουν ακριβείς διαγνωστικές πληροφορίες εντελώς μη επεμβατικά. Κατ’ αρχήν, όπως υποστηρίζουν οι ερευνητές, το κυκλοφορικό σύστημα μπορεί να χρησιμεύσει ως ιδανική οδός παράδοσης για τα μικρορομπότ, καθώς φτάνει σε όλα τα όργανα και τους ιστούς του σώματος.
Για να μπορούν τέτοια μικρορομπότ να εκτελούν τις επιδιωκόμενες ιατρικές παρεμβάσεις με ασφάλεια και αξιοπιστία, δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερα από ένα βιολογικό κύτταρο. Στους ανθρώπους, ένα κύτταρο έχει μέση διάμετρο 25 μικρόμετρα—ένα μικρόμετρο είναι το ένα εκατομμυριοστό του μέτρου. Τα μικρότερα αιμοφόρα αγγεία του ανθρώπου, τα τριχοειδή, είναι ακόμη πιο λεπτά: η μέση διάμετρός τους είναι μόλις 8 μικρόμετρα. Τα μικρορομπότ πρέπει να είναι αντίστοιχα μικρά για να περάσουν ανεμπόδιστα από τα μικρότερα αιμοφόρα αγγεία. Ωστόσο, ένα τόσο μικρό μέγεθος τα καθιστά επίσης αόρατα με γυμνό μάτι —και η επιστήμη επίσης δεν έχει βρει ακόμη μια τεχνική λύση για να ανιχνεύσει και να παρακολουθήσει μεμονωμένα τα ρομπότ μεγέθους μικρού καθώς κυκλοφορούν στο σώμα.
Για πρώτη φορά παρακολούθηση της κίνησης των μικρορομπότ
“Προτού αυτό το μελλοντικό σενάριο γίνει πραγματικότητα και τα μικρορομπότ χρησιμοποιηθούν πραγματικά στους ανθρώπους, η ακριβής απεικόνιση και παρακολούθηση αυτών των μικροσκοπικών μηχανών είναι απολύτως απαραίτητη”, λέει ο Paul Wrede, ο οποίος είναι διδάκτορας στο Max Planck ETH Center for Learnings Systems (CLS).
«Χωρίς απεικόνιση, η μικρορομποτική είναι ουσιαστικά τυφλή», προσθέτει ο Daniel Razansky, Καθηγητής Βιοϊατρικής Απεικόνισης στο ETH Ζυρίχης και το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης και μέλος του CLS. «Η απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο, υψηλής ανάλυσης είναι επομένως απαραίτητη για την ανίχνευση και τον έλεγχο μικρορομπότ μεγέθους κυττάρου σε έναν ζωντανό οργανισμό». Περαιτέρω, η απεικόνιση αποτελεί επίσης προϋπόθεση για την παρακολούθηση των θεραπευτικών παρεμβάσεων που εκτελούνται από τα ρομπότ και για την επαλήθευση ότι έχουν εκτελέσει το έργο τους όπως προβλεπόταν. “Η έλλειψη ικανότητας παροχής ανατροφοδότησης σε πραγματικό χρόνο για τα μικρορομπότ ήταν επομένως ένα σημαντικό εμπόδιο στον δρόμο προς την κλινική εφαρμογή.”
Μαζί με τον Metin Sitti, έναν παγκοσμίως κορυφαίο ειδικό στη μικρορομποτική, ο οποίος είναι επίσης μέλος της CLS ως Διευθυντής στο Ινστιτούτο Ευφυών Συστημάτων Max Planck (MPI-IS) και καθηγητής Φυσικής Νοημοσύνης στο ETH, καθώς και άλλους ερευνητές, η ομάδα έχει επιτύχει τώρα ένα σημαντικό βήμα στην αποτελεσματική συγχώνευση μικρορομποτικής και απεικόνισης. Σε μια μελέτη που μόλις δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances , κατάφεραν για πρώτη φορά να ανιχνεύσουν και να παρακολουθήσουν με σαφήνεια μικροσκοπικά ρομπότ τόσο μικρά όσο πέντε μικρόμετρα σε πραγματικό χρόνο στα εγκεφαλικά αγγεία ποντικών χρησιμοποιώντας μια μη επεμβατική τεχνική απεικόνισης.
Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να ανιχνευθούν.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικρορομπότ με μεγέθη από 5 έως 20 μικρόμετρα. Τα πιο μικροσκοπικά ρομπότ έχουν περίπου το μέγεθος των ερυθρών αιμοσφαιρίων, τα οποία έχουν διάμετρο 7 έως 8 μικρόμετρα. Αυτό το μέγεθος επιτρέπει στα μικρορομπότ που εγχύονται με ενδοφλέβια ένεση να ταξιδεύουν ακόμη και μέσα από τα πιο λεπτά μικροτριχοειδή στον εγκέφαλο του ποντικιού.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης μια αποκλειστική τεχνολογία οπτικοακουστικής τομογραφίας προκειμένου να ανιχνεύσουν πραγματικά τα μικροσκοπικά ρομπότ ένα προς ένα, σε υψηλή ανάλυση και σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η μοναδική μέθοδος απεικόνισης καθιστά δυνατό τον εντοπισμό των μικροσκοπικών ρομπότ σε βαθιές και δυσπρόσιτες περιοχές του σώματος και του εγκεφάλου, κάτι που δεν θα ήταν δυνατό με την οπτική μικροσκοπία ή οποιαδήποτε άλλη τεχνική απεικόνισης . Η μέθοδος ονομάζεται οπτικοακουστική γιατί το φως εκπέμπεται πρώτα και απορροφάται από τον αντίστοιχο ιστό. Στη συνέχεια, η απορρόφηση παράγει μικροσκοπικά κύματα υπερήχων που μπορούν να ανιχνευθούν και να αναλυθούν για να καταλήξουν σε ογκομετρικές εικόνες υψηλής ανάλυσης.
Ρομπότ “με δύο πρόσωπα” και χρυσή επικάλυψη
Για να κάνουν τα μικρορομπότ ιδιαίτερα ορατά στις εικόνες, οι ερευνητές χρειάζονταν ένα κατάλληλο υλικό αντίθεσης. Για τη μελέτη τους, λοιπόν, χρησιμοποίησαν σφαιρικά μικρορομπότ βασισμένα σε σωματίδια πυριτίου με μια λεγόμενη επικάλυψη τύπου Janus. Αυτός ο τύπος ρομπότ έχει πολύ στιβαρό σχεδιασμό και είναι πολύ καλά προσόντα για πολύπλοκες ιατρικές εργασίες. Πήρε το όνομά του από τον Ρωμαίο θεό Ιανό, ο οποίος είχε δύο πρόσωπα. Στα ρομπότ, τα δύο μισά της σφαίρας επικαλύπτονται διαφορετικά. Στην τρέχουσα μελέτη, οι ερευνητές επικάλυψαν το ένα μισό του ρομπότ με νικέλιο και το άλλο μισό με χρυσό.
«Ο χρυσός είναι ένας πολύ καλός παράγοντας αντίθεσης για την οπτικοακουστική απεικόνιση», εξηγεί ο Razansky, «χωρίς το χρυσό στρώμα, το σήμα που παράγεται από τα μικρορομπότ είναι πολύ αδύναμο για να ανιχνευθεί». Εκτός από τον χρυσό, οι ερευνητές δοκίμασαν επίσης τη χρήση μικρών φυσαλίδων που ονομάζονται νανολιποσώματα, οι οποίες περιείχαν μια φθορίζουσα πράσινη βαφή που χρησίμευε επίσης ως παράγοντας αντίθεσης. «Τα λιποσώματα έχουν επίσης το πλεονέκτημα ότι μπορείτε να τα φορτώσετε με ισχυρά φάρμακα, κάτι που είναι σημαντικό για μελλοντικές προσεγγίσεις στη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων», λέει ο Wrede, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης. Οι πιθανές χρήσεις των λιποσωμάτων θα διερευνηθούν σε μια μελέτη παρακολούθησης.
Επιπλέον, ο χρυσός επιτρέπει επίσης την ελαχιστοποίηση της κυτταροτοξικής επίδρασης της επικάλυψης νικελίου – σε τελική ανάλυση, εάν στο μέλλον πρόκειται να λειτουργήσουν μικρορομπότ σε ζωντανά ζώα ή ανθρώπους, πρέπει να γίνουν βιοσυμβατά και μη τοξικά, κάτι που αποτελεί μέρος μιας συνεχιζόμενης έρευνας . Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το νικέλιο ως μέσο μαγνητικής κίνησης και έναν απλό μόνιμο μαγνήτη για να τραβήξουν τα ρομπότ. Σε μελέτες παρακολούθησης, θέλουν να δοκιμάσουν την οπτικοακουστική απεικόνιση με πιο σύνθετους χειρισμούς χρησιμοποιώντας περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία.
«Αυτό θα μας έδινε τη δυνατότητα να ελέγχουμε και να κινούμε με ακρίβεια τα μικρορομπότ ακόμη και σε αίμα που ρέει έντονα», λέει ο Metin Sitti. “Στην παρούσα μελέτη επικεντρωθήκαμε στην οπτικοποίηση των μικρορομπότ. Το έργο ήταν εξαιρετικά επιτυχημένο χάρη στο εξαιρετικό περιβάλλον συνεργασίας στο CLS που επέτρεψε τον συνδυασμό της τεχνογνωσίας των δύο ερευνητικών ομάδων στο MPI-IS στη Στουτγάρδη για το ρομποτικό μέρος και το ETH Zurich για το απεικονιστικό κομμάτι», καταλήγει ο Sitti.
Πηγή: phys.org
