Magnetische Mikroroboter rollen durch Blutgefäße und lösen Gerinnsel schneller auf

Saltos durch das Gefäßsystem

Wenn ein Blutgerinnsel ein Gefäß verstopft, kommt der Blutfluss zum Erliegen. Weil das Blut nicht mehr fließt, können über Standardkatheter verabreichte Medikamente die Blockade nicht leicht umspülen. Die Wirkstoffe sind auf passive Diffusion angewiesen, einen langsamen physikalischen Prozess, der bei Schlaganfällen, Herzinfarkten oder Lungenembolien irreversible Gewebeschäden riskiert. Um diese Transportbarriere zu überwinden, baute ein Team um Simone Schürle, Professorin für medizinische Mikrosysteme an der ETH Zürich, mikroskopische Roboter, die lokale Strömungen erzeugen sollen, wie MedicalXpress berichtet.

Mit rund 8 Mikrometern Länge entspricht jeder Mikroroboter ungefähr den Ausmaßen eines menschlichen roten Blutkörperchens. Die länglichen, kokonförmigen Bauteile bestehen aus einem biokompatiblen Zuckerpolymer-Gel, in das magnetische Eisenoxid-Nanopartikel eingebettet sind. Statt diese Partikel gleichmäßig zu verteilen, stellte das Team die Roboter in einem rotierenden Magnetfeld her. Dadurch richten sich die Eisenoxidpartikel entlang der Längsachse aus und bilden ein inneres magnetisches Rückgrat, das sich wie eine Kompassnadel ausrichtet.

„Nach unserem Wissensstand sind wir die ersten, die in einem klinisch relevanten Großtiermodell zeigen, dass der Einsatz von Mikrorobotern auf diese Weise die Thrombolyse tatsächlich verbessert, also den Prozess der Auflösung von Blutgerinnseln“

— Simone Schürle, Professorin für medizinische Mikrosysteme an der ETH Zürich

Künstliche Strömungen verdoppeln die Gefäßöffnung in Lebendversuchen

Um die Maschinen im Körper zu bewegen, würden Ärzte die Mikroroboter zusammen mit gängigen thrombolytischen Medikamenten über einen Katheter injizieren. Ein externes magnetisches Steuerungssystem erzeugt ein rotierendes Feld, das die Mikroroboter zu fortlaufenden Vorwärtsrollen an der Gefäßinnenwand zwingt. Die Bewegung ähnelt einem Turner, der Handstützüberschläge ausführt. Während die Maschinen vorwärts taumeln, wirbeln sie die umgebende Flüssigkeit auf und erzeugen Miniaturströmungen, die das Medikament aktiv direkt in den Thrombus drücken.

Erste Laborversuche fanden in einem synthetischen Silikon-Gefäßnetz mit Blutgerinnseln aus Schweineblut statt. In diesen Tests beseitigten die mit den rollenden Mikrobotern verabreichten Medikamente Blockaden sechs Mal schneller als das Medikament allein. Gemeinsam mit medizinischen Fachleuten am Universitätsklinikum Charité in Berlin untersuchte das ETH-Team das System an lebenden Schweinen mit verstopften Arterien. Nach 30 Minuten Behandlung war die Querschnittsfläche des wieder durchbluteten Gefäßes bei den mit Mikrobotern behandelten Tieren doppelt so groß wie bei jenen, die nur mit Medikamenten behandelt wurden.

Patentanmeldung und der Weg zu klinischen Studien

Die ETH Zürich hat eine Patentanmeldung für das Robotersystem eingereicht und die Erfindung für den jährlichen Spark Award nominiert, einen internen Preis für die vielversprechendsten Schutzrechtsanmeldungen der Hochschule. Die zugrundeliegende wissenschaftliche Arbeit durchläuft derzeit das Peer-Review-Verfahren.

Klinische Studien am Menschen sind noch mehrere Schritte entfernt. Zunächst muss das Forschungsteam untersuchen, wie sich das biokompatible Gel und die Eisenoxidpartikel über längere Zeit in lebendem Gewebe verhalten. Künftige Arbeiten sollen die Mikroroboter zudem in speziellen Krankheitsmodellen testen, darunter Szenarien eines Herzinfarkts, bevor Behörden die Plattform für den Einsatz in Notfall-OPs prüfen können.

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