Het lijkt pure science fiction: minuscule robotjes, nanobots, die in de bloedvaten op zoek gaan naar kankercellen en precies op de juiste plek medicijn af te leveren. Toch is dat precies waar het befaamde Duitse Max-Planck Instituut voor Intelligente Systemen (MPI-IS) in Stuttgart onlangs mee naar buiten kwam. Het vaktijdschrift Science Robotics publiceerde onlangs een artikel over deze mogelijke medische doorbraak.

De nanobots die de Duitse wetenschappers ontwikkelden wordt door de onderzoekers ‘microroller’ genoemd, vanwege de manier waarop de robot zich voortbeweegt door de bloedstroom. De nanobot gedraagt zich namelijk als een wittebloedcel, die als het ware langs de wand van een bloedvat ‘rolt’ om tegen de bloedstroom in te kunnen bewegen. Langs de wanden van een bloedvat is de stroomsnelheid namelijk lager en is de celdichtheid minder. In een kunstmatig bloedvat in het laboratorium is de nanobot getest, maar nog niet in een echt bloedvat.

Doelgericht

Met behulp van de minuscule robotjes moeten in de toekomst doelgerichte medicijnen tot in de kankercel afgeleverd kunnen worden. Volgens Metin Sitti, mede-auteur van de studie, is het de bedoeling om een volgende generatie van transportmiddelen te creëren die op minimaal invasieve wijze medicijn precies op de juiste plek kan afleveren, ook in weefsels die tot nog toe moeilijk bereikbaar zijn. Conventionele behandelingen zijn niet in staat om medicijnen zo precies af te leveren, wat mogelijk ernstige schade kan veroorzaken aan gezond weefsel en organen.

De ‘microrollers’ meten minder dan 8 micrometer in doorsnede, en zijn gemaakt van glazen microdeeltjes. Aan een kant zijn ze gecoat met een dun laagje nikkel en goud, aan de andere zijde dragen de nanobots antikankermedicijn mee, naast biomoleculen waarmee de robotjes kankercellen van gezonde cellen kunnen onderscheiden en aanvallen.

Magnetische velden

Aangedreven door middel van magnetische velden konden de nanobots tegen de bloedstroom in ‘zwemmen’ in een nagebootst bloedvat in het laboratorium. “Dat is niet eenvoudig, vanwege de kracht van de bloedstroom en de dichte hoeveelheid cellen”, legt onderzoeker Yunus Alapan van MPI-IS uit. “Tot dusver was er nog geen micro-robot in staat gebleken om tegen de stroom op te kunnen.” Dankzij de coating met celspecifieke antilichamen kunnen de nanobots kankercellen herkennen, waarna ze het geneesmiddel direct afleveren waar dat nodig is.

Tijdens de proeven in het onderzoekslaboratorium konden de microrollers een snelheid bereiken van 600 micrometer per seconde, wat overeenkomt met 76 keer de eigen doorsnede per seconde. Dat maakt de nanobots uit Stuttgart op dit moment de snelste in hun soort.

Het onderzoeksteam benadrukt wel dat het nog lang niet zo ver is dat er daadwerkelijk nanobots getest kunnen worden in echte menselijke bloedvaten. Temeer daar de methode om de robotjes dankzij elektromagneten in het laboratorium door kunstmatige aderen voort te drijven nog niet toegepast kan worden in een menselijk lichaam.

Zwerm

“Ook is de resolutie van de scan-apparatuur die nu gebruikt wordt in ziekenhuizen niet hoog genoeg om elke individuele microrobot in het lichaam te kunnen volgen. Daarbij voldoet het ook niet om maar een enkele nanobot in te zetten, simpelweg omdat ze niet genoeg medicijn mee kunnen dragen. Het grootteverschil tussen een microrobot en een kankergezwel is te groot. Er zal dus een hele zwerm nanobots nodig zijn, die gecontroleerd aangestuurd moeten worden. Zo ver zijn we nog lang niet”, zegt medeauteur Ugur Bozuyuk.

Het onderzoek naar medische toepassingen van microrobots is al zo’n 20 jaar gaande, na een befaamde lezing van Nobelprijswinnaar Richard Feynman waarin hij de term ‘swallowing the surgeon’ hanteerde, het ‘inslikken van de chirurg’. Technologische doorbraken op het gebied van fabricage, materiaalgebruik en imaging hebben voor grote stappen voorwaarts gezorgd.

Microrobots worden nu al ingezet in medische procedures, maar dan vooral in oppervlakkige weefsels (binnen in het oog, bijvoorbeeld), of locaties die makkelijk toegankelijk zijn (zoals het maag-darmkanaal).

Obstakels

Om microrobots in de bloedbaan te introduceren werd lange tijd voor onmogelijk geacht omdat de condities, zoals de kracht van de bloedstroom en de dichtheid van het aantal cellen- onoverkomelijke obstakels leken. De ‘microroller’ lijkt wel in staat te zijn om zijn werk te doen in de bloedbaan, en dat maakt het in theorie mogelijk dat mensen ooit in de toekomst via een infuus een zwerm nanobots toegediend krijgen die een kanker cel voor cel opruimen.

Bronnen
1. Lees hier het persbericht van het Max-Planck Instituut in Stuttgart.
2. Lees ook het artikel in wetenschappelijk vakblad Science Robotics.