Winzige kugelige Roboter sollen gezielt Tumore behandeln

Statt Medikamente im gesamten Körper zu verbreiten, könnten Miniaturroboter die Wirkstoffe gezielt an Krankheitsherde transportieren. Forschende am California Institute of Technology (Caltech) haben winzige Mikroroboter entwickelt, die Medikamente direkt an Krankheitsherde im Körper liefern. Die bioresorbierbaren akustischen Mikroroboter (BAM) können in Körperflüssigkeiten überleben, präzise gesteuert werden und Medikamentenfracht effizient freisetzen. Erste Tests an Mäusen zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der Behandlung von Tumoren.

Anforderungen an medizinische Mikroroboter

Mikroroboter für den Einsatz im menschlichen Körper müssen viele Herausforderungen bewältigen. Sie müssen:

• In Körperflüssigkeiten wie Blut oder Magensäure überleben.
• Steuerbar sein, um präzise zu den Zielorten zu gelangen.
• Medikamente erst am Zielort freisetzen.
• Vom Körper sicher abgebaut werden.

Caltechs BAMs erfüllen all diese Anforderungen und haben ihre Wirksamkeit bereits in Tierversuchen bewiesen. „Wir haben eine einzige Plattform entwickelt, die all diese Probleme lösen kann“, erklärt Wei Gao, Professor für Medizintechnik am Caltech.

Wie funktionieren die BAMs?

Die BAMs bestehen aus kugelförmigen Mikrostrukturen, die aus Hydrogel gefertigt sind. Dieses Material kann große Mengen an Flüssigkeit speichern und ist biokompatibel. In die äußere Struktur der Kugel sind magnetische Nanopartikel und das Medikament eingebettet. Diese Zusammensetzung ermöglicht eine Steuerung mittels Magnetfeldern und die gezielte Freisetzung des Medikaments.

Für den Bau der Mikroroboter nutzten die Forscher eine hochpräzise Methode: die Zwei-Photonen-Polymerisations-Lithographie (TPP). Julia R. Greer, Professorin für Materialwissenschaften am Caltech, erklärt: „Diese spezielle Form, diese Kugel, ist sehr kompliziert zu schreiben. Wir mussten bestimmte Tricks anwenden, um ein Zusammenfallen der Struktur zu verhindern.“

Größte Herausforderung

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung der BAMs war die Anpassung der Oberflächen. Die Außenseite der Roboter musste hydrophil (wasseranziehend) sein, um zu verhindern, dass die Mikroroboter während ihrer Reise durch den Körper verklumpen. Gleichzeitig musste die Innenseite hydrophob (wasserabweisend) bleiben, um eingeschlossene Luftblasen stabil zu halten.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelten die Forschenden eine zweistufige chemische Modifikation. Zunächst wurde das Hydrogel mit langkettigen Kohlenstoffmolekülen behandelt, die es hydrophob machten. Anschließend entfernten sie selektiv diese Moleküle von der Außenseite mittels Sauerstoffplasmaätzen, sodass die gewünschte asymmetrische Struktur entstand. „Diese asymmetrische Oberflächenmodifikation ist eine der wichtigsten Innovationen unseres Projekts“, erklärt Wei Gao.

Hightech im Miniaturformat

Die BAMs bestehen aus kugelförmigen Mikrostrukturen, die aus einem Hydrogel gefertigt sind. Dieses Material, Poly(ethylenglykol)diacrylat, hat besondere Eigenschaften: Es kann große Mengen an Flüssigkeit speichern und ist biokompatibel. Dank seiner Struktur können die BAMs Medikamente sicher einschließen und zu den Zielorten transportieren.

Die Fertigung der Roboter erfolgt mit der Zwei-Photonen-Polymerisations-Lithographie (TPP). Diese Methode ermöglicht es, extrem kleine Strukturen mit einer Präzision aufzubauen, die an den 3D-Druck erinnert, jedoch wesentlich komplexere Formen erlaubt. Julia R. Greer, Professorin für Materialwissenschaften und Expertin für diese Technologie, betont: „Diese spezielle Form, diese Kugel, ist sehr kompliziert zu schreiben. Wir mussten bestimmte Tricks anwenden, um ein Zusammenfallen der Struktur zu verhindern.“

Steuerung und Nachverfolgung der Mikroroboter

Die BAMs nutzen magnetische Nanopartikel, um sie mithilfe von Magnetfeldern zu steuern. Darüber hinaus enthalten sie eingeschlossene Luftblasen, die nicht nur ihre Bewegung durch Ultraschall antreiben, sondern auch als Kontrastmittel für die Echtzeitbildgebung dienen. Dadurch können die Forscher die Position und den Fortschritt der Mikroroboter im Körper präzise verfolgen.

Ein weiteres Designelement der BAMs sind Öffnungen an der Ober- und Unterseite der Kugeln. Diese verbessern die Bewegung der Roboter in viskosen Bioflüssigkeiten. Wenn die Roboter Ultraschall ausgesetzt werden, verursachen die Vibrationen der Luftblasen einen Flüssigkeitsstrom durch die Öffnungen, der die Roboter vorantreibt. Diese Konstruktion ermöglicht höhere Geschwindigkeiten und effizientere Bewegungen.

Anwendung bei Tumorbehandlungen und Blick in die Zukunft

Die BAMs wurden bereits erfolgreich an Mäusen mit Blasentumoren getestet. Über einen Zeitraum von 21 Tagen erhielten die Mäuse vier Medikamentendosen, die von den Mikrorobotern zielgenau an die Tumore geliefert wurden. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Die Tumore schrumpften deutlich effektiver im Vergleich zur herkömmlichen Medikamentenabgabe. Wei Gao ist zuversichtlich: „Wir halten dies für eine vielversprechende Plattform für die Medikamentenverabreichung und Präzisionschirurgie.“

Die Forschenden planen, die Technologie weiterzuentwickeln und auf eine Vielzahl von Krankheiten anzuwenden. Langfristig hoffen sie, die BAMs auch in klinischen Studien am Menschen einzusetzen. Diese Miniaturroboter könnten die Medizin nachhaltig verändern, indem sie Behandlungen präziser, sicherer und wirksamer machen.