Forskare från ETH Zürich har för första gången visat att mikrofordon kan styras genom blodkärl i hjärnan på möss med hjälp av ultraljud. De hoppas att detta så småningom kommer att leda till behandlingar som kan leverera läkemedel med precision. Deras studie publiceras i Nature Communications .
Hjärntumörer, hjärnblödningar och neurologiska och psykologiska tillstånd är ofta svåra att behandla med medicin. Och även när effektiva läkemedel finns tillgängliga tenderar dessa att ha allvarliga biverkningar eftersom de cirkulerar i hela hjärnan och inte bara det område de är avsedda att behandla.
Mot bakgrund av denna situation har forskare stora förhoppningar om att en dag kunna tillhandahålla ett mer riktat tillvägagångssätt som skulle leverera mediciner till mycket specifikt definierade platser. För detta ändamål håller de på att utveckla minitransportörer som kan styras genom den täta labyrinten av blodkärl.
Forskare vid ETH Zürich, Universitetet i Zürich och Universitetssjukhuset Zürich har nu för första gången lyckats styra mikrofordon genom blodkärlen i hjärnan på ett djur med hjälp av ultraljud.
Jämfört med alternativa navigeringstekniker som de som baseras på magnetfält, erbjuder ultraljud vissa fördelar. Daniel Ahmed, professor i akustisk robotik vid ETH Zürich och handledare för studien, förklarar:"Förutom att ultraljud används i stor utsträckning inom det medicinska området är ultraljud säkert och tränger djupt in i kroppen."
Till sin mikrofordon använde Ahmed och hans kollegor gasfyllda mikrobubblor belagda med lipider - samma ämnen som biologiska cellmembran är gjorda av. Bubblorna har en diameter på 1,5 mikrometer och används för närvarande som kontrastmaterial vid ultraljudsavbildning.
Som forskarna nu har visat kan dessa mikrobubblor ledas genom blodkärl. "Eftersom dessa bubblor, eller vesikler, redan är godkända för användning på människor, är det troligt att vår teknologi kommer att godkännas och användas i behandlingar för människor snabbare än andra typer av mikrofordon som för närvarande är under utveckling," säger Ahmed.
En annan fördel med de ultraljudsledda mikrobubblorna är att de löses upp i kroppen när de väl har gjort sitt jobb. När man använder en annan metod, magnetiska fält, måste mikrofordonen vara magnetiska, och det är inte lätt att utveckla biologiskt nedbrytbara mikrofordon. Dessutom är mikrobubblorna som utvecklats av ETH Zürichs forskare små och släta. "Detta gör det lätt för oss att vägleda dem längs smala kapillärer", säger Alexia Del Campo Fonseca, doktorand i Ahmeds grupp och huvudförfattare till studien.
Under de senaste åren har Ahmed och hans grupp arbetat i labbet med att utveckla sin metod för att styra mikrobubblor genom smala kärl. Nu har de i samarbete med forskare från Zürichs universitet och Universitetssjukhuset Zürich testat den här metoden på blodkärl i hjärnan hos möss. Forskarna injicerade bubblorna i gnagarnas cirkulationssystem, där de sveps med i blodomloppet utan hjälp utifrån.
Forskarna lyckades dock använda ultraljud för att hålla bubblorna på plats och leda dem genom hjärnans kärl mot blodflödets riktning. Forskarna kunde till och med styra bubblorna genom krystade blodkärl eller få dem att ändra riktning flera gånger för att styra in dem i de smalaste grenarna av blodomloppet.
För att kontrollera mikrofordonens rörelser fäste forskarna även fyra små givare på utsidan av varje muss skalle. Dessa enheter genererar vibrationer i ultraljudsområdet, som sprider sig genom hjärnan som vågor. Vid vissa punkter i hjärnan kan vågorna som emitteras av två eller flera givare antingen förstärka varandra eller ta bort varandra. Forskarna styr bubblorna med hjälp av en sofistikerad metod för att justera uteffekten från varje enskild givare. Realtidsbilder visar dem i vilken riktning bubblorna rör sig.
För att skapa avbildningen för denna studie använde forskarna tvåfotonmikroskopi. I framtiden vill de också använda själva ultraljudet för bildbehandling och planerar att förbättra ultraljudstekniken för detta ändamål.
I denna studie var mikrobubblorna inte utrustade med mediciner. Forskarna ville först visa att de kunde styra mikrofordonen längs blodkärlen och att denna teknik är lämplig för användning i hjärnan. Det är där det finns lovande medicinska tillämpningar, inklusive vid behandling av cancer, stroke och psykologiska tillstånd.
Forskarnas nästa steg blir att fästa läkemedelsmolekyler på utsidan av bubbelhöljet för transport. De vill förbättra hela metoden så att den kan användas på människor, i hopp om att den en dag ska ge grunden för utvecklingen av nya behandlingar.
Mer information: Alexia Del Campo Fonseca et al, Ultraljudsfångning och navigering av mikrorobotar i mushjärnans kärlsystem, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41557-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av ETH Zürich
