Medizinische "Mikroroboter" könnten eines Tages Blasenleiden und andere Krankheiten behandeln

"Stellen Sie sich vor, Mikroroboter könnten bestimmte Aufgaben im Körper übernehmen, z. B. nicht-invasive Operationen"

30.05.2023 - USA

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Ein Team von Ingenieuren der University of Colorado Boulder hat eine neue Klasse von winzigen, selbstfahrenden Robotern entwickelt, die mit unglaublicher Geschwindigkeit durch Flüssigkeiten sausen können - und eines Tages vielleicht sogar verschreibungspflichtige Medikamente an schwer zugängliche Stellen im menschlichen Körper bringen.

"Stellen Sie sich vor, Mikroroboter könnten bestimmte Aufgaben im Körper übernehmen, z. B. nicht-invasive Operationen", sagt Jin Lee, Hauptautor der Studie und Postdoktorand in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen. "Anstatt in den Patienten zu schneiden, können wir die Roboter einfach durch eine Pille oder eine Injektion in den Körper einführen, und sie würden den Eingriff selbst durchführen."

Lee und seine Kollegen sind noch nicht so weit, aber die neue Forschung ist ein großer Schritt nach vorn für winzige Roboter.

Die Mikroroboter der Gruppe sind wirklich klein. Jeder von ihnen ist nur 20 Mikrometer breit und damit um ein Vielfaches kleiner als ein menschliches Haar. Außerdem sind sie sehr schnell: Sie können sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 Millimetern pro Sekunde fortbewegen, was etwa dem 9.000-fachen ihrer eigenen Länge pro Minute entspricht. Das ist relativ gesehen ein Vielfaches schneller als ein Gepard.

Sie haben auch ein großes Potenzial. In der neuen Studie setzte die Gruppe Flotten dieser Maschinen ein, um Dosen von Dexamethason, ein gängiges Steroidmedikament, in die Blasen von Labormäusen zu transportieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mikroroboter ein nützliches Werkzeug für die Behandlung von Blasenkrankheiten und anderen Krankheiten bei Menschen sein könnten.

"Mikroroboter haben in wissenschaftlichen Kreisen viel Aufsehen erregt, aber was sie für uns interessant macht, ist, dass wir sie so konstruieren können, dass sie nützliche Aufgaben im Körper erfüllen", so C. Wyatt Shields, Mitautor der neuen Studie und Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen.

Fantastische Reise

Wenn das klingt, als sei es aus einem Science-Fiction-Film entnommen, dann ist es das auch. In dem Filmklassiker Fantastic Voyage reist eine Gruppe von Abenteurern mit einem geschrumpften U-Boot in den Körper eines Mannes, der im Koma liegt.

"Der Film wurde 1966 veröffentlicht. Heute leben wir in einer Ära von Robotern im Mikrometer- und Nanometermaßstab", so Lee.

Er stellt sich vor, dass Mikroroboter wie im Film durch den Blutkreislauf eines Menschen schwirren und gezielt Bereiche für die Behandlung verschiedener Krankheiten aufsuchen könnten.

Das Team stellt seine Mikroroboter aus Materialien her, die als biokompatible Polymere bezeichnet werden, und verwendet dabei eine dem 3D-Druck ähnliche Technologie. Die Maschinen sehen ein wenig aus wie kleine Raketen und sind mit drei winzigen Flossen ausgestattet. Außerdem haben sie noch ein kleines Extra: Jeder der Roboter trägt eine kleine Blase mit eingeschlossener Luft, ähnlich wie bei einem Glas, das man kopfüber in Wasser taucht. Wenn man die Maschinen einem akustischen Feld aussetzt, wie es bei Ultraschall verwendet wird, beginnen die Blasen wild zu vibrieren, drücken das Wasser weg und schießen die Roboter vorwärts.

Zu den Co-Autoren der neuen Studie an der CU Boulder gehören Nick Bottenus, Assistenzprofessor für Maschinenbau, Ankur Gupta, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen, sowie die Diplomanden Ritu Raj, Cooper Thome, Nicole Day und Payton Martinez.

Um ihre Mikroroboter auf die Probe zu stellen, nahmen die Forscher ein häufiges Problem des Menschen ins Visier: die Blasenerkrankung.

Erleichterung bringen

Interstitielle Zystitis, auch bekannt als schmerzhaftes Blasensyndrom, betrifft Millionen von Amerikanern und kann, wie der Name schon sagt, starke Schmerzen im Beckenbereich verursachen. Die Behandlung der Krankheit kann ebenso unangenehm sein. Oft müssen die Patienten über einen Zeitraum von mehreren Wochen mehrmals in eine Klinik kommen, wo ein Arzt eine scharfe Dexamethasonlösung über einen Katheter in die Blase injiziert.

Lee glaubt, dass Mikroroboter hier Abhilfe schaffen könnten.

In Laborexperimenten stellten die Forscher Schulen von Mikrorobotern her, die hohe Konzentrationen von Dexamethason einkapselten. Anschließend führten sie Tausende dieser Bots in die Blasen von Labormäusen ein. Das Ergebnis war eine fantastische Reise ins wirkliche Leben: Die Mikroroboter verteilten sich in den Organen, bevor sie sich an den Blasenwänden festsetzten, was es ihnen wahrscheinlich schwer machen würde, herauszupinkeln.

Dort angekommen, gaben die Maschinen ihr Dexamethason im Laufe von etwa zwei Tagen langsam ab. Ein solcher stetiger Fluss von Medikamenten könnte es den Patienten ermöglichen, über einen längeren Zeitraum mehr Medikamente zu erhalten, sagte Lee, was die Ergebnisse für die Patienten verbessern würde.

Er fügte hinzu, dass das Team noch viel Arbeit vor sich hat, bevor Mikroroboter durch echte menschliche Körper wandern können. Zunächst einmal will die Gruppe die Maschinen vollständig biologisch abbaubar machen, so dass sie sich schließlich im Körper auflösen würden.

"Wenn wir es schaffen, dass diese Partikel in der Blase funktionieren", so Lee, "dann können wir eine nachhaltigere Wirkstofffreisetzung erreichen, und die Patienten müssen vielleicht nicht mehr so oft in die Klinik kommen.

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