Inspirerad av vita blodkroppar som rullar på endovaskulära väggar innan de överförs till sjukdomsplatsen, forskare vid ETH Zürich har lyckats få partiklar att röra sig längs väggarna i mikroskopiska, tredimensionella kärl. Denna metod skulle kunna användas i riktad cancerterapi.

När vita blodkroppar kallas för att bekämpa invasiva bakterier, de rör sig längs blodkärlen på ett specifikt sätt, dvs. som en boll som drivs av vinden, de rullar längs kärlväggen för att nå sin utplaceringspunkt. Eftersom vita blodkroppar kan förankra sig i kärlsystemet, de kan röra sig mot blodflödets riktning.

Denna typ av beteende hos de vita blodkropparna fungerade som inspiration för postdoktorn, Daniel Ahmed, som arbetade i professor Bradley Nelsons forskargrupp vid ETH Zürich. I labbet, Ahmed och hans medarbetare utvecklade ett nytt system som gör det möjligt för aggregat som består av magnetiserade partiklar att rulla längs en kanal i ett kombinerat akustiskt och magnetiskt fält. Dessutom, forskare från Jürg Duals grupp har utvecklat numeriska och teoretiska studier av projektet. Deras arbete publicerades nyligen i tidskriften, Naturkommunikation .

Strategin för enheternas transportmekanism är både enkel och genialisk, dvs. forskarna sätter kommersiellt tillgängliga, biokompatibla magnetiska partiklar in i en artificiell kärl. När ett roterande magnetfält appliceras, dessa partiklar sätts samman till aggregat och börjar snurra runt sina egna axlar. När forskarna applicerar ultraljud vid en specifik frekvens och tryck, ballasten vandrar mot väggen och börjar rulla längs gränserna. Rullningsrörelsen initieras när mikropartiklarna uppnår en minsta storlek på sex mikrometer, vilket är 1/10 av diametern på ett människohår. När forskare stänger av magnetfältet, aggregaten dissocierar i sina beståndsdelar och dispergerar i vätskeströmmen.

Möjligt i levande vävnad

Hittills, Ahmed har bara testat detta system i konstgjorda kanaler. Dock, han tror att metoden är genomförbar för användning i levande organismer. Han uttalade, "Det slutliga målet är att använda den här typen av transportmekanism för att leverera droger på svåråtkomliga platser i kroppen och integrera det med bildbehandlingsmetoder, " säger han. Han funderar på tumörer som bara kan nås via smala kapillärer men som kan dödas med hjälp av rullande mikroterapeutika och deras aktiva substanser.

In vivo-avbildning är en viktig utmaning inom området mikro- och nanorobotik. Ultraljuds- och magnetavbildningstekniken är väletablerad i klinisk praxis. För närvarande, det finns flera in vivo bildtekniker, t.ex., magnetisk resonanstomografi (MRI) och magnetisk partikelavbildning (MPI). Båda kan användas för att spåra aggregaten av de superparamagnetiska partiklarna som används i studien. MPI som använder kliniskt godkända, järnoxidbaserade MRI-kontrastmedel kan 3D, högupplöst bildbehandling i realtid. Forskarna ser fram emot att funktionalisera nanodroger med järnoxidpartiklarna för att möjliggöra kartläggning av kärlsystemet och samtidig transport av nanodroger.

Förbättra upplösningen av ultraljudsbilder

Mekanismen som utvecklats via ultraljud är en annan potentiell tillämpning. Till exempel, superparamagnetiska partiklar och kemoterapeutiska läkemedel kan inkorporeras i de polymera skalade mikrobubblorna. Bubblor används som kontrastmedel som kan distribueras via en rullande rörelse till svåråtkomliga områden på kroppen. Detta kan förbättra upplösningen av ultraljudsavbildning.

"I den här studien visade vi framdrivning med hjälp av självmonterande mikroaggregat, men det är bara början, ", kommenterade Daniel Ahmed. Nästa steg blir att undersöka hur magnetiska mikrovalsar beter sig under flödesförhållanden med hjälppartiklar, som röda och vita blodkroppar, och om det går att övertala de magnetiska partiklarna att röra sig mot strömmen också. Han vill också testa sitt system in vivo i djurmodeller.