En grupp forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) har utvecklat världens första mikrorobot ("mikrorobot") som kan navigera inom cellgrupper och stimulera enskilda celler. Berna Özkale Edelmann, professor i nano- och mikrorobotik, ser potential för nya behandlingar av mänskliga sjukdomar. Forskningen är publicerad i tidskriften Advanced Healthcare Materials .
Mikrobotarna är runda, hälften så tjocka som ett människohår, innehåller guldnanorods och fluorescerande färgämne och omges av ett biomaterial som erhållits från alger. De kan drivas av laserljus för att flytta mellan celler. Dessa små robotar uppfanns av Prof. Berna Özkale Edelmann. För att vara exakt har bioingenjören och chefen för Microrobotic Bioengineering Lab arbetat med sitt team av forskare för att utveckla en teknisk plattform för storskalig produktion av dessa fordon. De används för närvarande in vitro, utanför människokroppen.
TACSI-mikrobotarna skiljer sig från klassiska humanoida robotar eller robotarmar som ses i fabriker. Hela systemet kräver ett mikroskop för att förstora de småskaliga världarna, en dator och en laser för att driva de 30-mikrometer (µm), människokontrollerade mikrobotarna. Robotarna kan värmas upp och de anger också kontinuerligt sin temperatur. Detta är viktigt eftersom de, tillsammans med förmågan att hitta till enskilda celler, också är utformade för att värma upp platserna för enskilda celler eller cellgrupper.
TACSI står för Thermally Activated Cell-Signal Imaging. Enkelt uttryckt är det ett bildbaserat system som kan värma upp celler för att aktivera dem. TACSI är en "taxi" i ordets alla bemärkelser - i framtiden kommer den lilla roboten "köra" direkt till den plats där forskare vill studera cellulära processer. "I en världsomspännande förstagång har vi utvecklat ett system som inte bara gör det möjligt för mikrobotar att navigera genom grupper av celler. Det kan till och med stimulera enskilda celler genom temperaturförändringar", säger prof. Özkale Edelmann.
Hur tillverkas mikrobotar?
Tillverkningen av mikrobotar är baserad på "mikrofluidiska chips" som modellerar tillverkningsprocessen. Biomaterial injiceras genom en kanal på vänster sida av chipet. En olja med specifika komponenter tillsätts sedan ovanifrån och underifrån genom 15–60 µm kanaler. De färdiga robotarna dyker upp till höger. I fallet med TACSI-mikroboten läggs följande komponenter till:
"Detta gör det möjligt att göra upp till 10 000 mikrobotar i en enda produktionskörning", förklarar Philipp Harder, medlem i forskargruppen.
Små temperaturförändringar är ibland tillräckligt för att påverka cellprocesser. "När huden skadas, till exempel genom ett skärsår, stiger kroppstemperaturen något, vilket gör att immunförsvaret aktiveras", förklarar prof. Özkale Edelmann.
Hon vill lära sig mer om huruvida denna "termiska stimulering" kan användas för att läka sår. Det saknas också forskning om huruvida cancerceller blir mer aggressiva när de stimuleras. Aktuella studier visar att cancerceller dör ut vid höga temperaturer (60°C). Denna effekt kan också användas för att behandla hjärtarytmi och depression.
Forskare i prof. Özkale Edelmanns team använde njurceller för att visa att cellulära jonkanaler kan påverkas. För att göra detta styrde de TACSI-mikrobotarna till cellerna. "Vi använde den infraröda lasern för att höja temperaturen. För att mäta ökningen mätte vi intensiteten av rhodamine B-färgämnet", förklarar Philipp Harder. Teamet observerade att jonkanalerna i cellerna öppnades vid vissa temperaturer, till exempel för att tillåta kalcium att komma in i cellen.
"Med det här konkreta exemplet visade vi att värme orsakar förändringar i cellen, även med små temperaturhöjningar", säger prof. Özkale Edelmann. Hon hoppas att ytterligare forskning ska visa vägen till nya behandlingar – till exempel genom att göra det möjligt att kanalisera läkemedel in i enskilda celler.
Mer information: Philipp Harder et al, En laserdriven mikrorobot för termisk stimulering av enstaka celler, Avancerat hälsovårdsmaterial (2023). DOI:10.1002/adhm.202300904
Journalinformation: Avancerat vårdmaterial
Tillhandahålls av Technical University Munich
