Behandling af leverkræft med mikrorobotter styret af et magnetfelt

Canadiske forskere ledet af Montreal-radiolog Gilles Soulez har udviklet en ny tilgang til behandling af levertumorer ved hjælp af magnetstyrede mikrorobotter i en MR-anordning.

Ideen om at sprøjte mikroskopiske robotter ind i blodbanen for at helbrede den menneskelige krop er ikke ny. Det er heller ikke science fiction. Styret af et eksternt magnetfelt kan miniature biokompatible robotter, lavet af magnetiserbare jernoxidnanopartikler, teoretisk yde medicinsk behandling på en meget målrettet måde.

Indtil nu har der været en teknisk hindring:Disse mikrorobotters tyngdekraft overstiger den magnetiske kraft, hvilket begrænser deres vejledning, når tumoren er placeret højere end injektionsstedet. Mens magnetfeltet i MRI er højt, er de magnetiske gradienter, der bruges til navigation og til at generere MRI-billeder, svagere.

"For at løse dette problem har vi udviklet en algoritme, der bestemmer den position, som patientens krop skal være i, for at en klinisk MRI kan udnytte tyngdekraften og kombinere den med den magnetiske navigationskraft," siger Dr. Gilles Soulez, en forsker ved CHUM Research Center og direktør for afdelingen for radiologi, radioonkologi og nuklearmedicin ved Université de Montréal.

"Denne kombinerede effekt gør det nemmere for mikrorobotterne at rejse til de arterielle grene, som fodrer tumoren," sagde han. "Ved at variere retningen af ​​magnetfeltet kan vi præcist guide dem til steder, der skal behandles og dermed bevare de raske celler."

Mod større præcision

Udgivet i Science Robotics , kunne dette proof of concept ændre de interventionelle radiologiske tilgange, der bruges til at behandle leverkræft.

Den mest almindelige af disse, hepatocellulært karcinom, er ansvarlig for 700.000 dødsfald om året på verdensplan og behandles i øjeblikket oftest med transarteriel kemoembolisering. Denne invasive behandling kræver højt kvalificeret personale og involverer administration af kemoterapi direkte i arterien, der fodrer levertumoren og blokerer blodforsyningen til tumoren ved hjælp af mikrokatetre styret af røntgen.

"Vores tilgang til magnetisk resonansnavigation kan udføres ved hjælp af et implanterbart kateter som dem, der bruges i kemoterapi," sagde Soulez. "Den anden fordel er, at tumorerne er bedre visualiseret på MR end på røntgen."

Til denne undersøgelse samarbejdede Soulez og hans forskerhold med dem fra Sylvain Martel (Polytechnique Montreal) og Urs O. Häfeli's (University of British Columbia). Studiets første forfatter, Ning Li, er postdoc i Dr. Soulez' laboratorium.

Takket være udviklingen af ​​en MRI-kompatibel mikrorobotinjektor var forskerne i stand til at samle "partikeltog", aggregater af magnetiserbare mikrorobotter. Da disse har en større magnetisk kraft, er de nemmere at styre og detektere på billederne fra MR-enheden.

På den måde kan forskerne sikre, at toget ikke kun kører i den rigtige retning, men også at behandlingsdosis er tilstrækkelig. Over tid vil hver mikrorobot bære en del af behandlingen, der skal leveres, så det er vigtigt, at radiologer ved, hvor mange der er.

En god retningssans

"Vi udførte forsøg på 12 grise for så tæt som muligt at replikere patientens anatomiske tilstande," sagde Soulez. "Dette viste sig at være afgørende:mikrorobotterne navigerede fortrinsvis i de grene af leverarterien, som var målrettet af algoritmen og nåede deres destination."

Hans team sørgede for, at placeringen af ​​tumoren i forskellige dele af leveren ikke påvirkede effektiviteten af ​​en sådan tilgang.

"Ved at bruge et anatomisk atlas af menneskelige lever var vi i stand til at simulere piloteringen af ​​mikrorobotter på 19 patienter behandlet med transarteriel kemoembolisering," sagde han. "De havde i alt tredive tumorer forskellige steder i deres lever. I mere end 95 % af tilfældene var placeringen af ​​tumoren kompatibel med navigationsalgoritmen for at nå den målrettede tumor."

På trods af disse videnskabelige fremskridt er klinisk anvendelse af denne teknologi stadig langt væk.

"Først og fremmest skal vi ved hjælp af kunstig intelligens optimere realtidsnavigation af mikrorobotterne ved at detektere deres placering i leveren og også forekomsten af ​​blokeringer i de hepatiske arteriegrene, der fodrer tumoren," sagde Soulez.

Forskere bliver også nødt til at modellere blodgennemstrømning, patientpositionering og magnetfeltretning ved hjælp af software, der simulerer strømmen af ​​væsker gennem karrene. Dette vil gøre det muligt at vurdere indvirkningen af ​​disse parametre på transporten af ​​mikrorobotterne til måltumoren og dermed forbedre nøjagtigheden af ​​tilgangen.

Flere oplysninger: NING LI et al, Navigation på menneskelig skala af magnetiske mikrorobotter i leverarterier, Science Robotics (2024). DOI:10.1126/scirobotics.adh8702. www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh8702

Journaloplysninger: Science Robotics

Leveret af University of Montreal Hospital Research Center