Kanadensiska forskare under ledning av Montreal-radiologen Gilles Soulez har utvecklat en ny metod för att behandla levertumörer med hjälp av magnetstyrda mikrorobotar i en MRT-enhet.
Tanken på att injicera mikroskopiska robotar i blodomloppet för att läka människokroppen är inte ny. Det är inte heller science fiction. Styrda av ett externt magnetfält kan biokompatibla miniatyrrobotar, gjorda av magnetiserbara järnoxidnanopartiklar, teoretiskt ge medicinsk behandling på ett mycket riktat sätt.
Hittills har det funnits ett tekniskt hinder:tyngdkraften hos dessa mikrorobotar överstiger den magnetiska kraften, vilket begränsar deras vägledning när tumören är placerad högre än injektionsstället. Medan magnetfältet för MRI är högt, är de magnetiska gradienterna som används för navigering och för att generera MRI-bilder svagare.
"För att lösa detta problem utvecklade vi en algoritm som bestämmer den position som patientens kropp ska vara i för en klinisk MRT för att dra fördel av gravitationen och kombinera den med den magnetiska navigeringskraften", säger Dr Gilles Soulez, forskare vid CHUM Research Center och chef för avdelningen för radiologi, radioonkologi och nuklearmedicin vid Université de Montréal.
"Denna kombinerade effekt gör det lättare för mikrorobotarna att resa till artärgrenarna som matar tumören", sa han. "Genom att variera magnetfältets riktning kan vi noggrant vägleda dem till platser som ska behandlas och på så sätt bevara de friska cellerna."
Publicerad i Science Robotics , kan detta proof of concept förändra de interventionella radiologimetoderna som används för att behandla levercancer.
Den vanligaste av dessa, hepatocellulärt karcinom, är ansvarig för 700 000 dödsfall per år över hela världen och behandlas för närvarande oftast med transarteriell kemoembolisering. Denna invasiva behandling kräver högt kvalificerad personal och innebär att kemoterapi ges direkt in i artären som matar levertumören och blockerar blodtillförseln till tumören med hjälp av mikrokatetrar som styrs av röntgen.
"Vår magnetisk resonansnavigering kan göras med hjälp av en implanterbar kateter som de som används i kemoterapi," sa Soulez. "Den andra fördelen är att tumörerna visualiseras bättre på MRT än på röntgen."
För denna studie samarbetade Soulez och hans forskargrupp med de av Sylvain Martel (Polytechnique Montreal) och Urs O. Häfeli's (University of British Columbia). Studiens första författare, Ning Li, är postdoktor vid Dr Soulez laboratorium.
Tack vare utvecklingen av en MRI-kompatibel mikrorobotinjektor kunde forskarna sätta ihop "partikeltåg", aggregat av magnetiserbara mikrorobotar. Eftersom dessa har en större magnetisk kraft är de lättare att styra och upptäcka på bilderna från MRI-enheten.
På så sätt kan forskarna säkerställa inte bara att tåget går i rätt riktning, utan också att behandlingsdosen är tillräcklig. Med tiden kommer varje mikrorobot att bära en del av behandlingen som ska levereras, så det är viktigt att radiologer vet hur många det finns.
"Vi genomförde försök på 12 grisar för att så nära som möjligt replikera patientens anatomiska tillstånd", säger Soulez. "Detta visade sig vara avgörande:mikrorobotarna navigerade i första hand de grenar av leverartären som var måltavla av algoritmen och nådde sin destination."
Hans team såg till att placeringen av tumören i olika delar av levern inte påverkade effektiviteten av ett sådant tillvägagångssätt.
"Med hjälp av en anatomisk atlas av mänskliga levrar kunde vi simulera piloteringen av mikrorobotar på 19 patienter som behandlats med transarteriell kemoembolisering," sa han. "De hade totalt trettio tumörer på olika ställen i levern. I mer än 95 % av fallen var tumörens placering kompatibel med navigeringsalgoritmen för att nå måltumören."
Trots dessa vetenskapliga framsteg är klinisk tillämpning av denna teknologi fortfarande långt kvar.
"Först och främst måste vi, med hjälp av artificiell intelligens, optimera realtidsnavigeringen av mikrorobotarna genom att detektera deras plats i levern och även förekomsten av blockeringar i leverartärens grenar som matar tumören", säger Soulez.
Forskare kommer också att behöva modellera blodflödet, patientens positionering och magnetfältets riktning med hjälp av programvara som simulerar vätskeflödet genom kärlen. Detta kommer att göra det möjligt att bedöma effekten av dessa parametrar på transporten av mikrorobotarna till måltumören, vilket förbättrar tillvägagångssättets noggrannhet.
Mer information: NING LI et al, Navigering i mänsklig skala av magnetiska mikrorobotar i leverartärer, Science Robotics (2024). DOI:10.1126/scirobotics.adh8702. www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh8702
Journalinformation: Science Robotics
Tillhandahålls av University of Montreal Hospital Research Center
