Mikrorobotter viser løfte om behandling af tumorer

At målrette medicinsk behandling mod en syg kropsdel ​​er en praksis lige så gammel som selve medicinen. Et plaster lægges på et flået knæ. Dråber går ind i kløende øjne. En brækket arm går ind i en gips.

Men ofte er det, der plager os, inde i kroppen og er ikke så let at nå. I sådanne tilfælde, en behandling som operation eller kemoterapi kan være påkrævet. Et par forskere i Caltechs afdeling for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab arbejder på en helt ny form for behandling - mikrorobotter, der kan levere lægemidler til bestemte steder inde i kroppen, mens de overvåges og kontrolleres udefra.

"Mikrorobotkonceptet er virkelig fedt, fordi du kan få mikromaskineri lige der, hvor du har brug for det, " siger Lihong Wang, Caltechs Bren professor i medicinsk teknik og elektroteknik. "Det kan være medicinafgivelse, eller en foruddesignet mikrokirurgi."

Mikrorobotterne er et fælles forskningsprojekt af Wang og Wei Gao, adjunkt i medicinsk teknik, og er beregnet til behandling af tumorer i fordøjelseskanalen.

Mikrorobotterne består af mikroskopiske kugler af magnesiummetal belagt med tynde lag guld og parylen, en polymer, der modstår fordøjelsen. Lagene efterlader en cirkulær del af kuglen afdækket, lidt som en koøje. Den afdækkede del af magnesium reagerer med væskerne i fordøjelseskanalen, generere små bobler. Strømmen af ​​bobler virker som en stråle og driver kuglen fremad, indtil den kolliderer med nærliggende væv.

På egen hånd, magnesium sfæriske mikrorobotter, der kan zoome rundt, kunne være interessante, men de er ikke særlig nyttige. For at gøre dem fra en nyhed til et køretøj til levering af medicin, Wang og Gao lavede nogle ændringer til dem.

Først, et lag af medicin er klemt mellem en individuel mikrosfære og dens parylen pels. Derefter, at beskytte mikrorobotterne mod det barske miljø i maven, de er indhyllet i mikrokapsler lavet af paraffinvoks.

På dette tidspunkt, sfærerne er i stand til at bære stoffer, men mangler stadig den afgørende evne til at levere dem til et ønsket sted. For det, Wang og Gao bruger fotoakustisk computertomografi (PACT), en teknik udviklet af Wang, der bruger pulser af infrarødt laserlys.

Det infrarøde laserlys diffunderer gennem væv og absorberes af iltbærende hæmoglobinmolekyler i røde blodlegemer, får molekylerne til at vibrere ultralyd. Disse ultralydsvibrationer opfanges af sensorer, der presses mod huden. Dataene fra disse sensorer bruges til at skabe billeder af kroppens indre strukturer.

Tidligere, Wang har vist, at variationer af PACT kan bruges til at identificere brysttumorer, eller endda individuelle kræftceller. Med hensyn til mikrorobotterne, teknikken har to opgaver. Den første er billeddannelse. Ved at bruge PACT, forskerne kan finde tumorer i fordøjelseskanalen og også spore mikrorobotternes placering, som viser sig stærkt i PACT-billederne. Når først mikrorobotterne ankommer i nærheden af ​​tumoren, en højeffekt kontinuerlig bølge nær-infrarød laserstråle bruges til at aktivere dem. Fordi mikrorobotterne absorberer det infrarøde lys så stærkt, de varmes op kortvarigt, smelter vokskapslen omkring dem, og udsætte dem for fordøjelsesvæsker. På det tidspunkt, mikrorobotternes boblestråler aktiveres, og mikrorobotterne begynder at sværme. Jetflyene er ikke styrbare, så teknikken er en slags haglgeværtilgang - mikrorobotterne vil ikke alle ramme det målrettede område, men mange vil. Når de gør, de holder sig til overfladen og begynder at frigive deres medicinnyttelast.

"Disse mikromotorer kan trænge ind i slim i fordøjelseskanalen og blive der i lang tid. Dette forbedrer medicinafgivelsen, " siger Gao. "Men fordi de er lavet af magnesium, de er biokompatible og bionedbrydelige."

Forsøg i dyremodeller viser, at mikrorobotterne fungerer efter hensigten, men Gao og Wang siger, at de planlægger at fortsætte med at skubbe forskningen fremad.

"Vi demonstrerede konceptet, at du kan nå det syge område og aktivere mikrorobotterne, " siger Gao. "Det næste skridt er at evaluere den terapeutiske effekt af dem."

Gao siger også, at han gerne vil udvikle variationer af mikrorobotterne, der kan operere i andre dele af kroppen, og med forskellige typer fremdriftssystemer.

Wang siger, at hans mål er at forbedre, hvordan hans PACT-system interagerer med mikrorobotterne. Det infrarøde laserlys, det bruger, har lidt svært ved at nå ind i dybere dele af kroppen, men han siger, at det burde være muligt at udvikle et system, der kan trænge længere ind.