Små robotar och fordon i nanostorlek som kan navigera genom blodkärl för att nå platsen för en sjukdom kan användas för att leverera läkemedel till tumörer som annars är svåra att behandla.

Efter injicering eller förtäring, de flesta droger förlitar sig på rörelse av kroppsvätskor för att leta sig runt i kroppen. Det betyder att vissa typer av sjukdomar kan vara svåra att behandla effektivt på detta sätt.

En aggressiv typ av hjärntumör som kallas glioblastom, till exempel, dödar hundratusentals människor om året. Men eftersom det producerar fingerliknande projektioner i en patients hjärnvävnad som skadar blodkärlen runt dem, det är svårt för läkemedel att nå tumörstället.

"Om du injicerar partiklar i kroppen, de kommer att följa blodet, sa professor Daniel Ahmed, som för närvarande leder Acoustic Robotics Systems Lab vid ETH Zürich i Schweiz.

Istället, forskare vänder sig till nanoenheter – små robotar och fordon – för att leverera droger runt kroppen på ett kontrollerbart sätt. Men först, de måste komma på hur de ska köra dem.

Nanopartiklar är "10 gånger mindre än röda blodkroppar, och om du använder passiva partiklar, det finns inget sätt att kontrollera dem, " säger prof. Ahmed.

För att övervinna detta, han och hans kollegor i SONOBOTS-projektet använder ultraljud för att manipulera nanoenheter som bär cancerdödande läkemedel. Ultraljudsteknik används vanligtvis av läkare inom medicinsk bildbehandling på grund av hur högfrekventa ljudvågor studsar mot olika delar av kroppen, som kan användas för att skapa en bild.

Prof. Ahmed och hans forskarkollegor har visat, dock, att de kan styra en luftbubbla innesluten i ett polymerskal och en avbildningskemikalie – så att den kan ses – med hjälp av ultraljud. De kallar dessa små fordon för nanosimmare på grund av deras förmåga att röra sig framåt genom en vätska. Ljudvågorna trycker kluster av dessa nanosimmare mot kärlväggarna. Denna kraft, dock, är inte tillräckligt stark för att påverka rörelsen av röda blodkroppar i blodet. Prof. Ahmed säger att han blev inspirerad av hur spermier färdas:de fastnar på slidans stationära väggar och använder dem för att styra sin framåtrörelse. "Vi flyttar (nanosimmare) till väggen och manipulerar dem, " sa han. Detta gör det lättare att styra nanosimmare i rätt riktning genom ett blodkärl eftersom de kan följa väggarna.

Nanosimmare

Denna förmåga att finkontrollera nanosimmare är nödvändig om forskarna vill få sina läkemedelsbärande nanovehicles till glioblastom, vilket är det yttersta målet. De läckande blodkärlen runt dessa tumörer gör att nanosimmare måste noggrant navigeras till cancercellerna. Men väl där, forskare kan akustiskt skaka simmaren så att de släpper ut sin drognyttolast i tumören.

Än så länge, forskarna har lyckats manipulera och spåra sina nanosimmare i zebrafiskembryon, men Prof. Ahmed sa att de är ivriga att testa sin teknik på möss. "Zebrafiskar har en liten hjärna, men deras blod-hjärnbarriär är inte mogen. Vi måste flytta till möss för att förstå läckande kärl."

Även om det finns många framdrivningsmekanismer som kan användas för att styra nanovehicles som bär droger, som kemikalier, magnetiska fält, eller ljus, ultraljud är attraktivt av flera skäl, sa prof. Ahmed. Ultraljudsvågor kan tränga djupt in i kroppen men har visat sig vara säkra. Det används rutinmässigt för att upptäcka fostrets hjärtslag hos gravida kvinnor, till exempel. Tekniken är också relativt billig och finns även på flertalet sjukhus och kliniker.

Att just leverera droger till specifika platser i kroppen kan hjälpa till att ta itu med andra vanliga, men dödliga sjukdomar.

Professor Salvador Pané och professor Josep Puigmartí-Luis, forskare i ANGIE-projektet, hoppas riktad läkemedelsleverans gör det möjligt för läkare att behandla ett större antal strokepatienter mer effektivt. Ischemiska stroke, som uppstår när blodproppar stänger av blodflödet i hjärnan, är en ledande dödsorsak i Europeiska unionen, med mer än 1,1 miljoner människor som drabbas av stroke varje år.

Stroke

Den ledande behandlingsformen för patienter som anländer till sjukhus efter en stroke är med propplösande läkemedel, men dessa ges som en injektion och reser runt i kroppen innan de når hjärnan. Dessa läkemedel har också många biverkningar, allt från illamående och lågt blodtryck till blödningar i hjärnan, och inte alla kan ta dem.

Om behandlingar kan riktas till platsen i en ven eller artär där en propp uppstår, de skulle kunna rensas mycket mer effektivt.

"Om vi ​​koncentrerar den mängd som behövs vid koagel, vi kommer att drastiskt minska dessa biverkningar och vi kommer att kunna behandla fler patienter och minska biverkningarna, " sade prof. Pané, meddirektör för Multi-Scale Robotics Lab vid ETH Zürich och chef för dess kemilaboratorium.

I ANGIE, forskarna skapar små nanorobotar som kan göra just detta och leverera läkemedlet direkt till koagel.

Till skillnad från nanosimmare i SONOBOTs, de nanorobotar som utvecklas under ANGIE är mer sofistikerade när det gäller hur de kan styras.

"De konventionella mekanismerna för simning fungerar inte på nanoskala - om du försöker göra crawl (simslag) och implementera det i nanoskala, det kommer inte att fungera, " sa han. För att övervinna detta använder teamet magnetfält för att kontrollera strukturerna i nanostorlek, som innehåller magnetiska partiklar eller filmer.

Prof. Pané liknade dem vid en robotarm på ett industriellt löpande band. Medan industrirobotar använder en datorstyrd arm för att flytta runt en gripare i änden, i fallet med ANGIE nanorobotar, "armen" är det magnetiska fältet som flyttar de magnetiska nanorobotarna runt. Nanorobotarna är gjorda av biologiskt nedbrytbara små järnbaserade polymerkompositstrukturer. Att ändra formen och sammansättningen av dessa strukturer kan förändra hur de kontrolleras.

När nanoroboten når sitt mål – en propp i hjärnan när det gäller strokepatienter – interagerar den sedan med propparna för att leverera sin läkemedelsnyttolast. Taget i sin helhet, ANGIE kan betraktas som ett robotsystem på grund av den kontrollnivå magnetfältet tillåter, enligt forskarna.

Robotar

"De är verkligen robotar - du kan kontrollera dem, accelerera, sluta, flytta dem i alla tre riktningarna, " sade prof. Puigmartí-Luis, en kemist vid universitetet i Barcelona i Spanien. I princip, de kan rulla, korkskruv, och tumla.

Medan det fortfarande var på sitt första år, forskargruppen ANGIE utvecklar för närvarande det elektromagnetiska systemet, som omfattar nanorobotarna och den infrastruktur som behövs för att styra dessa enheter. För att bekräfta att deras teknik fungerar, de kommer att 3D-printa ett mänskligt kärlsystem baserat på verkliga data, och kartlägga den optimala vägen för deras nanorobotar att nå en propp, Prof. Puigmartí-Luis säger.

Men om det lyckas, använda sådana nanorobotar för att leverera läkemedel till blodproppar hos strokepatienter, till exempel, skulle kunna uppnås med befintlig utrustning på många större sjukhus. "Magnetiska fält används redan på sjukhus för magnetisk resonanstomografi, " tillade prof. Pané.

Även om deras nuvarande mål är att hitta blodproppar som orsakar stroke, Tekniken skulle kunna tillämpas på många andra sjukdomar, säger prof. Pané. Men de måste visa att deras teknik fungerar innan de kan pröva den på människor.

Nanoenheter erbjuder ett lovande sätt att rikta in sig på sjukdomsbehandling, och något som SONOBOTS Prof. Ahmed tror kommer att bli verklighet inom en inte alltför avlägsen framtid.

"Initialt, när vi pratade med läkare om idéerna, de tyckte att det var för science fiction, " men när studiedata växer, de kommer runt, han sa.