Mikroroboty majú potenciál spôsobiť revolúciu v medicíne. Výskumníci z Max Planck ETH Center for Learning Systems vo Švajčiarsku vyvinuli zobrazovaciu techniku, ktorá po prvýkrát rozpoznáva mikroroboty veľkosti buniek individuálne a vo vysokom rozlíšení v živom organizme.

Ako sa dá krvná zrazenina z mozgu odstrániť bez väčšieho chirurgického zásahu? Ako sa dá liek dopraviť presne do chorého orgánu, ktorý je ťažko dostupný? To sú len dva príklady nespočetných inovácií, ktoré si výskumníci predstavujú v oblasti medicínskej mikrorobotiky. Drobné roboty sľubujú zásadnú zmenu budúcich liečebných postupov: jedného dňa by sa mohli pohybovať vaskulatúrou pacienta, aby eliminovali zhubné nádory, bojovali s infekciami alebo poskytovali presné diagnostické informácie úplne neinvazívne. Vedci tvrdia, že v zásade môže obehový systém slúžiť ako ideálna dodacia cesta pre mikroroboty, pretože sa dostane do všetkých orgánov a tkanív v tele.

Aby takéto mikroroboty mohli bezpečne a spoľahlivo vykonávať zamýšľané lekárske zákroky, nesmú byť väčšie ako biologická bunka. U ľudí má bunka priemerný priemer 25 mikrometrov – mikrometer je jedna milióntina metra. Najmenšie krvné cievy u ľudí, kapiláry, sú ešte tenšie: ich priemerný priemer je iba 8 mikrometrov. Mikroroboty musia byť primerane malé, ak majú prechádzať najmenšími krvnými cievami bez prekážok. Takáto malá veľkosť ich však robí neviditeľnými voľným okom – a ani veda zatiaľ nenašla technické riešenie na detekciu a sledovanie mikrónových robotov jednotlivo, keď cirkulujú v tele.

Sledovanie cirkulujúcich mikrorobotov po prvýkrát

Ako uviedol Paul Wrede, ktorý je doktorandom v Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS): „Predtým, ako sa tento budúci scenár stane realitou a mikroroboty sa skutočne použijú u ľudí, je presná vizualizácia a sledovanie týchto malých strojov absolútne nevyhnutné.“ Ako uviedol Daniel Razansky, profesor Biomedicínskeho zobrazovania na ETH Zürich a na Univerzite v Zürichu a člen CLS: „Bez zobrazovania je mikrorobotika v podstate slepá. Zobrazovanie v reálnom čase s vysokým rozlíšením je preto nevyhnutné na detekciu a kontrolu mikrorobotov veľkosti buniek v živom organizme.“ Okrem toho je zobrazovanie tiež nevyhnutným predpokladom na monitorovanie terapeutických zásahov vykonávaných robotmi a na overenie, či roboty vykonali svoju úlohu podľa plánu. Ďalej dodal: „Nedostatok schopnosti poskytovať spätnú väzbu o mikrorobotoch v reálnom čase bol preto hlavnou prekážkou na ceste ku klinickej aplikácii.“

Spolu s Metinom Sitti, popredným svetovým odborníkom na mikrorobotiku, ktorý je tiež členom CLS ako riaditeľ Inštitútu Maxa Plancka pre inteligentné systémy (MPI-IS) a profesorom fyzickej inteligencie ETH a ďalšími výskumníkmi, tím teraz dosiahol dôležitý prelom v efektívnom spájaní mikrorobotiky a zobrazovania. V štúdii, ktorá bola práve publikovaná vo vedeckom časopise Science Advances, sa im po prvý raz podarilo pomocou neinvazívnej zobrazovacej techniky v reálnom čase jasne odhaliť a sledovať malé roboty s veľkosťou len päť mikrometrov v mozgových cievach myší.

Výskumníci použili mikroroboty s veľkosťou od 5 do 20 mikrometrov. Najmenšie roboty sú veľké asi ako červené krvinky, ktoré majú priemer 7 až 8 mikrometrov. Táto veľkosť umožňuje vnútrožilovo podaným mikrorobotom cestovať aj cez tie najtenšie mikrokapiláry v mozgu myši.

Výskumníci tiež vyvinuli špeciálnu technológiu optoakustickej tomografie, aby skutočne detegovali malých robotov jedného po druhom, vo vysokom rozlíšení a v reálnom čase. Táto jedinečná zobrazovacia metóda umožňuje odhaliť malých robotov v hlbokých a ťažko dostupných oblastiach tela a mozgu, čo by nebolo možné pomocou optickej mikroskopie alebo inej zobrazovacej techniky. Metóda sa nazýva optoakustická, pretože svetlo je najskôr emitované a absorbované príslušným tkanivom. Absorpcia potom vytvára malé ultrazvukové vlny, ktoré možno detegovať a analyzovať, aby výsledkom boli objemové obrázky s vysokým rozlíšením.

Roboty s Janusovou tvárou so zlatou vrstvou

Aby boli mikroroboty na obrázkoch dobre viditeľné, potrebovali vedci vhodný kontrastný materiál. Na svoju štúdiu preto použili sférické mikroroboty na báze častíc oxidu kremičitého s takzvaným povlakom typu Janus. Tento typ robota má veľmi robustnú konštrukciu a je veľmi dobre kvalifikovaný na zložité medicínske úlohy. Je pomenovaná po rímskom bohovi Janusovi, ktorý mal dve tváre. V robotoch sú dve polovice gule potiahnuté odlišne. V súčasnej štúdii vedci pokryli jednu polovicu robota niklom a druhú polovicu zlatom.

Ako vysvetlil Razansky: „Zlato je veľmi dobrým kontrastným činidlom pre optoakustické zobrazovanie, bez zlatej vrstvy je signál generovaný mikrorobotmi príliš slabý na to, aby ho bolo možné odhaliť.“ Okrem zlata výskumníci testovali aj použitie malých bublín nazývané nanolipozómy, ktoré obsahovali fluorescenčné zelené farbivo, ktoré slúžilo aj ako kontrastná látka. Ako uviedol Wrede, prvý autor štúdie: „Lipozómy majú tiež tú výhodu, že do nich môžete naložiť silné liečivá, čo je dôležité pre budúce prístupy k cielenému podávaniu liekov.“ Potenciálne využitie lipozómov sa bude skúmať v následnej štúdii.

Okrem toho zlato tiež umožňuje minimalizovať cytotoxický účinok niklového povlaku – koniec koncov, ak majú v budúcnosti mikroroboty operovať na živých zvieratách alebo ľuďoch, musia byť biokompatibilné a netoxické, čo je súčasťou prebiehajúceho procesu výskumu. V tejto štúdii výskumníci použili nikel ako magnetické hnacie médium a jednoduchý permanentný magnet na ťahanie robotov. V následných štúdiách chcú otestovať optoakustické zobrazovanie zložitejšími manipuláciami pomocou rotujúcich magnetických polí.

Ako uviedol Metin Sitti: „To by nám dalo schopnosť presne kontrolovať a pohybovať mikroroboty aj v silne prúdiacej krvi.“ Na záver dodal: „V tejto štúdii sme sa zamerali na vizualizáciu mikrorobotov. Projekt bol mimoriadne úspešný vďaka vynikajúcemu prostrediu spolupráce v CLS, ktoré umožnilo spojiť odbornosť dvoch výskumných skupín v MPI-IS v Stuttgarte pre robotickú časť a ETH Zürich pre zobrazovaciu časť.“

Centrum Max Planck ETH pre vzdelávacie systémy

Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS) je spoločné vzdelávacie a výskumné centrum ETH Zürich a Max Planck Society v oblasti inteligentných systémov. Do CLS je zapojených približne 50 výskumníkov z oboch inštitúcií. Jadrom CLS je doktorandský študijný program. Doktorandi sú pod spoločným dohľadom profesorov ETH a riaditeľov MPI a vedúcich skupín a nakoniec získajú doktorát na ETH Zürich.

Viac informácií:

Reference

Wrede P, Degtyaruk O, Kalva SK, Deán-​Ben XL, Bozuyuk U, Aghakhani A, Akolpoglu B, Sitti M, Razansky D. Real-​time 3D optoacoustic tracking of cell-​sized magnetic microrobots circulating in the mouse brain vasculature. Science Advances, 11. Mai 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abm9132

Zdroj: https://ethz.ch, zverejnené: 12. 5. 2022, autor: rpa