Gezielte magnetische Navigation von Mikrorobotern zu Lebertumoren
Bei der Bekämpfung von Lebertumoren können Mikroroboter helfen. Die müssen ihr Ziel jedoch genau ansteuern können.
(Bild: Kitreel/Shutterstock.com)
Wissenschaftler der University of Montreal haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Mikroroboter injiziert in den menschlichen Körper und gesteuert durch ein MRT-Magnetfeld (Magnetresonanztomografie) Medizin gezielt zu den Arterien bringen, die Lebertumore versorgen und deren Versorgung unterbinden. Die Forscher haben damit ein bislang großes technisches Hindernis gelöst. Denn die auf die Mikroroboter wirkende Schwerkraft ist höher als die magnetische Kraft. Deswegen war eine zielgenaue Steuerung der Roboter teilweise nicht möglich.
Sollte ein Tumor höher liegen als die Injektionsstelle, durch die ein medizinischer Mikroroboter eingebracht wird, so reicht die magnetische Kraft eines MRTs nicht aus, um den magnetischen Roboter genau zu navigieren und an die gewünschte Stelle im menschlichen Körper zu bringen. Zwar ist das Magnetfeld eines MRTs hoch, allerdings sind die magnetischen Gradienten, die zur Navigation verwendet werden, deutlich schwächer.
Die Forscher der University of Montreal haben deshalb einen Algorithmus entwickelt, der vorab die Lage bestimmt, die ein Körper einnehmen sollte, damit ein Mikroroboter besser die Schwerkraft ausnutzen und zusammen mit der magnetischen Navigationskraft kombinieren kann. Dies geht aus der Studie "Human-scale navigation of magnetic microrobots in hepatic arteries" hervor, die in Science Robotics veröffentlicht ist.
Die Kombination aus Magnet- und Schwerkraft erleichtere es dem Roboter, zu den Arterienzweigen zu gelangen, die einen Tumor versorgen. Eine Richtungsvariation des Magnetfeldes erlaube es, den Roboter genau an die zu behandelnden Stellen zu führen und dabei die gesunden Zellen zu schonen. Bei dieser invasiven Behandlung wird die Chemotherapie direkt in die Arterie verabreicht, die den Lebertumor versorgt. Zugleich kann die Blutzufuhr zum Tumor mit einem röntgen-gesteuerten Mikrokatheter unterbunden werden.
Praktische Tests
Die Forscher testeten das Verfahren an zwölf Schweinen, denen sie die MRT-kompatiblen Mikroroboter injizierten. Die Roboter weisen eine verstärkte Magnetkraft auf, lassen sich dadurch besser steuern und sind auf MRT-Bildern auch besser zu erkennen. Die Roboter navigierten bevorzugt durch die vom Algorithmus anvisierten Äste der Leberarterie und konnten so ihr Ziel erreichen. Dabei stellten die Forscher sicher, dass die Lage des Tumors in der Leber keinen Einfluss auf die Wirksamkeit des Verfahrens hatte.
Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftler die Wirksamkeit ihres Ansatzes in simulierten Lebern von 19 Patienten. In den digital nachempfundenen Lebern befanden sich insgesamt dreißig Tumore. In 95 Prozent der Fälle ermittelte der Navigationsalgorithmus den richtigen Weg zum Tumor.
Die Wissenschaftler räumen ein, dass eine klinische Anwendung der Methode aber noch in weiter Ferne liege. Zunächst müsse die Echtzeitnavigation optimiert werden. Dies soll nach Angaben der Forscher durch Künstliche Intelligenz geschehen. Zusätzlich müsse der Blutfluss, die Position des Patienten sowie die Richtung des Magnetfeldes mit einer Software modelliert werden, um so den Fluss von Flüssigkeiten in den Gefäßen vorab herauszufinden. So sei es dann möglich, eventuelle Auswirkungen auf den Transport des Mikroroboters zu bewerten und gegebenenfalls Anpassungen vorzunehmen.
(olb)