Minirobots brengen antibiotica rechtstreeks naar het hart

Onderzoekers van Johns Hopkins University hebben minirobots ontwikkeld die medicijnen rechtstreeks naar geïnfecteerd hartweefsel kunnen transporteren. De magnetisch bestuurbare robots zijn ongeveer zo groot als een rijstkorrel en kunnen zich door het lichaam verplaatsen, zelfs tegen de bloedstroom in. De technologie moet het mogelijk maken om ernstige hartinfecties gerichter te behandelen, zonder ingrijpende operaties of langdurige toediening van hoge doses antibiotica. De eerste laboratoriumtesten zijn succesvol verlopen.

Het onderzoek richt zich in eerste instantie op endocarditis, een ernstige infectie van het hartweefsel. Jaarlijks krijgen ongeveer 50.000 mensen in de Verenigde Staten deze aandoening. De gebruikelijke behandeling bestaat uit vier tot zes weken intraveneuze antibiotica. Volgens de onderzoekers bereikt niet altijd voldoende medicatie de geïnfecteerde plek. Hogere doseringen kunnen schadelijke bijwerkingen veroorzaken, terwijl bij ernstige infecties soms een openhartoperatie noodzakelijk is. Met de nieuwe technologie willen de onderzoekers antibiotica rechtstreeks op de plaats van de infectie afleveren.

Samenwerkende robots

Het systeem bestaat uit twee afzonderlijke minirobots, die elk een specifieke functie hebben. De eerste robot, de zogenoemde naaldmodule, hecht zich aan het geïnfecteerde hartweefsel. Deze module vormt vervolgens een dockingstation waarop de tweede robot kan aansluiten. De tweede robot vervoert de medicatie. Zodra deze de eerste module bereikt, koppelen beide robots magnetisch aan elkaar. Vervolgens worden de antibiotica geleidelijk afgegeven op de plaats waar ze nodig zijn.

Doordat beide onderdelen afzonderlijk functioneren, kunnen de robots ook moeilijk bereikbare plekken bereiken. Bovendien kan de medicatiemodule worden vervangen terwijl de naaldmodule op haar plaats blijft. Hierdoor zouden meerdere doses achter elkaar kunnen worden toegediend. De robots worden draadloos bestuurd met een extern elektromagnetisch systeem. Dat werkt volgens principes die vergelijkbaar zijn met de magnetische velden van een MRI-scanner.

Volgens onderzoeksleider Axel Krieger, gespecialiseerd in medische robotica, heeft deze aanpak belangrijke technische voordelen. De robots hebben geen eigen batterijen of motoren nodig. Hun beweging wordt volledig aangestuurd door externe magnetische velden.

Succesvolle eerste testen

De onderzoekers testten de minirobots in kunstmatige hartmodellen die de anatomie van het menselijke hart nabootsen. Daarnaast werden experimenten uitgevoerd met echt hartweefsel van varkens. Tijdens deze testen konden de robots zich gecontroleerd en autonoom verplaatsen, ook tegen een gesimuleerde bloedstroom in. Daarmee is volgens de onderzoekers aangetoond dat het principe technisch uitvoerbaar is.

De technologie zou uiteindelijk ook de behandelduur aanzienlijk kunnen verkorten. Eerste auteur Anuruddha Bhattacharjee verwacht dat een behandeling met de robots mogelijk binnen enkele uren kan plaatsvinden, in plaats van de gebruikelijke vier tot zes weken antibiotica. Hij noemt zelfs een procedure van tien minuten tot een uur als toekomstig scenario. Dat is echter nog een verwachting. De onderzoekers hebben niet aangetoond dat de robots bij patiënten een langdurige antibioticabehandeling daadwerkelijk kunnen vervangen.

De experimenten vonden vooralsnog plaats in laboratoriumomstandigheden en op geïsoleerd hartweefsel. De volgende stap bestaat uit testen in realistischere hartmodellen, waarin ook de samentrekkingen en bewegingen van een kloppend hart worden nagebootst.

Voortbouwen op eerdere microrobots

Eerder dit jaar berichtten wij al over biologisch afbreekbare metalen microrobots. Deze werden ontwikkeld door onderzoekers van Johns Hopkins University School of Medicine. Die robots kunnen in grote aantallen worden verpakt in een capsule die patiënten kunnen doorslikken. Eenmaal in het lichaam kunnen ze van vorm veranderen en bijvoorbeeld medicijnen afgeven of kleine weefselmonsters verzamelen. Bij experimenten met muizen bleken de metalen microrobots in staat om de darmwand te penetreren en medicijnen onder de slijmvlieslaag af te geven, zonder daarbij aantoonbare weefselschade te veroorzaken.

Een belangrijk verschil met de nieuwe hartrobots is de toepassing. De biologisch afbreekbare microrobots zijn vooral ontwikkeld voor lokale medicijnafgifte en diagnostische handelingen, onder meer in het maag-darmkanaal. De magnetische millirobots zijn specifiek ontworpen om medicijnen naar moeilijk bereikbare locaties in het cardiovasculaire systeem te brengen. Ook onderzoekers van ETH Zürich ontwikkelden eerder een magnetisch bestuurbare microrobot die medicijnen via bloedvaten naar specifieke locaties kan vervoeren. Daarbij wordt gebruikgemaakt van een oplosbare gelcapsule met magnetische nanodeeltjes.

Mogelijkheden voor kankerbehandeling

De onderzoekers van Johns Hopkins zien naast endocarditis mogelijkheden voor andere aandoeningen waarbij medicijnen moeilijk op de juiste plaats terechtkomen. Zo zou de technologie in de toekomst kunnen worden gebruikt om geneesmiddelen gericht af te geven bij tumoren en uitzaaiingen. Lokale medicijnafgifte kan mogelijk helpen om de blootstelling van gezond weefsel aan geneesmiddelen te beperken.

Voor dergelijke toepassingen is echter nog uitgebreid onderzoek nodig. Ook moeten de veiligheid, betrouwbaarheid en effectiviteit van de robots onder realistische omstandigheden worden vastgesteld. De eerste resultaten laten vooral zien dat magnetisch bestuurde minirobots medicijnen naar specifieke locaties kunnen transporteren en daar gecontroleerd kunnen afgeven. Of deze aanpak uiteindelijk een veilig en effectief alternatief wordt voor bestaande behandelingen, moet verder onderzoek uitwijzen.