Nanorobotter kunne målrette mod kræftformer og fjerne blodpropper

Små robotter og køretøjer i nanostørrelse, der kan navigere gennem blodkar for at nå stedet for en sygdom, kunne bruges til at levere lægemidler til tumorer, som ellers er svære at behandle.

Efter injektion eller indtagelse, de fleste stoffer er afhængige af bevægelse af kropsvæsker for at finde vej rundt i kroppen. Det betyder, at nogle typer sygdomme kan være svære at behandle effektivt på denne måde.

En aggressiv type hjernetumor kendt som glioblastom, for eksempel, dræber hundredtusindvis af mennesker om året. Men fordi det producerer fingerlignende fremspring ind i en patients hjernevæv, der beskadiger blodkarrene omkring dem, det er svært for lægemidler at nå frem til tumorstedet.

"Hvis du sprøjter partikler ind i kroppen, de vil følge blodet, " sagde professor Daniel Ahmed, som i øjeblikket leder Acoustic Robotics Systems Lab ved ETH Zürich i Schweiz.

I stedet, videnskabsmænd henvender sig til nanoenheder - små robotter og køretøjer - for at levere stoffer rundt i kroppen på en kontrollerbar måde. Men først, de skal finde ud af at køre dem.

Nanopartikler er "10 gange mindre end røde blodlegemer, og hvis du bruger passive partikler, der er ingen måde at kontrollere dem på, " siger prof. Ahmed.

For at overvinde dette, han og hans kolleger i SONOBOTS-projektet bruger ultralyd til at manipulere nanoenheder, der bærer kræftdræbende lægemidler. Ultralydsteknologi bruges typisk af læger til medicinsk billedbehandling på grund af den måde, de højfrekvente lydbølger preller af forskellige dele af kroppen, som kan bruges til at skabe et billede.

Prof. Ahmed og hans videnskabskolleger har vist, imidlertid, at de kan lede en luftboble indkapslet i en polymerskal og et billeddannende kemikalie - så det kan ses - ved hjælp af ultralyd. De kalder disse små køretøjer nanosvømmere på grund af deres evne til at bevæge sig fremad gennem en væske. Lydbølgerne skubber klynger af disse nanosvømmere mod karvæggene. Denne kraft, imidlertid, er ikke stærk nok til at påvirke bevægelsen af ​​røde blodlegemer i blodet. Prof. Ahmed siger, at han blev inspireret af, hvordan sædceller rejser:de klæber til skedens stationære vægge og bruger dem til at guide deres fremadrettede bevægelser. "Vi flytter (nanosvømmerne) til væggen og manipulerer dem, " sagde han. Dette gør det lettere at styre nanosvømmerne i den rigtige retning gennem et blodkar, da de kan følge væggene.

Nanosvømmere

Denne evne til fint at kontrollere nanosvømmerne er nødvendig, hvis forskerne ønsker at få deres lægemiddelbærende nanovehikler til glioblastomer, hvilket er det ultimative mål. De utætte blodkar omkring disse tumorer betyder, at nanosvømmerne skal omhyggeligt navigeres til kræftcellerne. Men først der, forskere kan ryste svømmeren akustisk, så de frigiver deres lægemiddellast i tumoren.

Indtil nu, forskerne har formået at manipulere og spore deres nanosvømmere i zebrafiskembryoner, men Prof. Ahmed sagde, at de er ivrige efter at prøve deres teknologi i mus. "Zebrafisk har en lille hjerne, men deres blod-hjerne-barriere er ikke moden. Vi er nødt til at flytte til mus for at forstå utæt vaskulatur."

Mens der er adskillige fremdriftsmekanismer, der kan bruges til at guide lægemiddelbærende nanovehicles, såsom kemikalier, magnetiske felter, eller lys, ultralyd er attraktivt af flere årsager, sagde prof. Ahmed. Ultralydsbølger kan trænge dybt ind i kroppen, men har vist sig at være sikre. Det bruges rutinemæssigt til at detektere føtale hjerteslag hos gravide kvinder, for eksempel. Teknologien er også relativt billig og kan også findes på de fleste hospitaler og klinikker.

Netop levering af medicin til bestemte steder i kroppen kan hjælpe med at tackle andre almindelige, men dødelige sygdomme.

Professor Salvador Pané og professor Josep Puigmartí-Luis, forskere i ANGIE-projektet, håber, at målrettet medicinudlevering vil gøre det muligt for læger at behandle et større antal patienter med slagtilfælde mere effektivt. Iskæmiske slagtilfælde, som opstår, når blodpropper afbryder blodstrømmen i hjernen, er en førende dødsårsag i EU, med mere end 1,1 millioner mennesker, der lider af slagtilfælde hvert år.

Slag

Den førende behandlingsform for patienter, der ankommer på hospitalet efter et slagtilfælde, er med medicin, der sprænger blodpropper, men disse gives som en indsprøjtning og rejser rundt i kroppen, før de når hjernen. Disse lægemidler har også mange bivirkninger, lige fra kvalme og lavt blodtryk til blødning i hjernen, og ikke alle er i stand til at tage dem.

Hvis behandlinger kan rettes mod det sted i en vene eller arterie, hvor der opstår en blodprop, de kunne ryddes langt mere effektivt.

"Hvis vi koncentrerer den nødvendige mængde til koaguleringen, vi vil reducere disse bivirkninger drastisk, og vi vil være i stand til at behandle flere patienter og reducere bivirkninger, " sagde prof. Pané, meddirektør for Multi-Scale Robotics Lab ved ETH Zürich og leder af dets kemilaboratorium.

I ANGIE, forskerne skaber bittesmå nanorobotter, der kan gøre netop dette og levere stoffet direkte på blodproppen.

I modsætning til nanosvømmerne i SONOBOTs, de nanorobotter, der udvikles under ANGIE, er mere sofistikerede med hensyn til, hvordan de kan styres.

"De konventionelle mekanismer til svømning virker ikke på nanoskalaen - hvis du prøver at lave crawl (svømmeslag) og implementere det på nanoskala, det kommer ikke til at virke, " sagde han. For at overvinde dette bruger holdet magnetiske felter til at kontrollere strukturer i nanostørrelse, som indeholder magnetiske partikler eller film.

Prof. Pané sammenlignede dem med en robotarm på et industrielt samlebånd. Mens industrirobotter bruger en computerstyret arm til at flytte en griber rundt i enden, i tilfældet med ANGIE nanorobotterne, 'armen' er det magnetiske felt, der flytter de magnetiske nanorobotter rundt. Nanorobotterne er lavet af bionedbrydelige små jernbaserede polymerkompositstrukturer. Ændring af formen og sammensætningen af ​​disse strukturer kan ændre, hvordan de styres.

Når nanorobotten når sit mål - en koagel i hjernen i tilfælde af slagtilfældepatienter - interagerer den derefter med koaglet for at levere sin lægemiddellast. Taget i sin helhed, ANGIE kan betragtes som et robotsystem på grund af niveauet af kontrol, magnetfeltet tillader, ifølge forskerne.

Robotter

"De er virkelig robotter - du er i stand til at kontrollere dem, fremskynde, hold op, flytte dem i alle tre retninger, " sagde prof. Puigmartí-Luis, en kemiker ved universitetet i Barcelona i Spanien. I princippet, de kan rulle, proptrækker, og tumle.

Mens man stadig var i sit første år, ANGIE-forskerholdet udvikler i øjeblikket det elektromagnetiske system, som omfatter nanorobotterne og den nødvendige infrastruktur til at styre disse enheder. For at bekræfte, at deres teknologi virker, de vil 3D-printe et menneskeligt karsystem baseret på rigtige data, og kortlægge den optimale vej for deres nanorobotter til at nå en koagel, Prof. Puigmartí-Luis siger.

Men hvis det lykkes, bruge sådanne nanorobotter til at levere medicin til blodpropper hos patienter med slagtilfælde, for eksempel, kunne opnås med eksisterende udstyr på mange større hospitaler. "Magnetiske felter bruges allerede på hospitaler til magnetisk resonansbilleddannelse, " tilføjede prof. Pané.

Selvom deres nuværende mål er at finde slagtilfælde-fremkaldende blodpropper, teknologien kan anvendes på mange andre sygdomme, siger prof. Pané. Men de er nødt til at vise, at deres teknologi virker, før de kan prøve den i mennesker.

Nanodevices tilbyder en lovende måde at målrette sygdomsbehandling på, og noget, som SONOBOTS' prof. Ahmed tror vil være en realitet i en ikke alt for fjern fremtid.

"I første omgang, da vi talte med læger om ideerne, de syntes det var for science fiction, "men efterhånden som undersøgelsesdataene vokser, de kommer rundt, han sagde.