Miniaturowe roboty dostarczą leki bezpośrednio do serca? Pierwsze wyniki badań są obiecujące

Co roku około 50 tys. osób w Stanach Zjednoczonych zapada na zapalenie wsierdzia, czyli infekcję tkanki, która wyścieła jamy przedsionków i komór oraz tworzy zastawki serca. Typowe leczenie polega na tygodniowej kuracji antybiotykami dożylnymi. Często nie jest ona skuteczna, ponieważ zanim leki dotrą do serca, są zbyt rozcieńczone. W takiej sytuacji lekarz ma dwa wyjścia – ryzykownie podnieść dawkę, co grozi toksycznym działaniem leku, albo przeprowadzić bardzo ryzykowną operację na otwartym sercu.

Inżynierowie z Johns Hopkins University (USA) opracowali kilkumilimetrowe roboty, których zadaniem jest dostarczanie leków bezpośrednio do zakażonej tkanki wewnątrz bijącego serca. Roboty te, nazwane przez twórców „milirobotami” (millirobots), są napędzane za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Mają szerokość główki zapałki i długość mniej więcej ziarenka ryżu.

Mogłyby również być wykorzystywane do mniej inwazyjnego i precyzyjniejszego leczenia chorób w trudno dostępnych miejscach, na przykład do leczenia nowotworów.

– Wystarczy niewielkie ukłucie, aby wprowadzić milirobota i wykonać zabieg bez infekcji i utraty krwi. Nie trzeba obsługi przez chirurga, aby sprawnie i bezpiecznie podać leki we właściwe miejsce – powiedział Axel Krieger, specjalista od robotyki medycznej, znany z tworzenia robotów wykonujących operacje bez pomocy człowieka. – Istnieje wiele obszarów poza zakażeniami serca, w których tego typu celowana terapia lekowa i tego typu sterowalne roboty mogłyby odegrać kluczową rolę.

Przewlekły stan zapalny może po cichu zmieniać serce. Naukowcy przebadali prawie pół miliona osóbOsoby z najwyższym poziomem przewlekłego stanu zapalnego mają o 43 proc. wyższe ryzyko zawału serca i udaru mózgu. Stan ten przez lata po cichu zmienia budowę i pracę serca, a pierwsze takie zmiany mogą pojawić się na długo przed wystąpieniem objawów – wynika z analizy danych pół miliona osób.

Roboty pracują parami. Jeden z nich, nazywany „modułem igłowym” (needle module), delikatnie przyczepia się do tkanki serca bezpośrednio w miejscu zakażenia. Tam pełni funkcję stacji dokującej, czekając na moduł z lekiem bezpośrednio w bijącym sercu. Moduł z lekiem transportuje lek do stacji dokującej, gdzie magnetycznie dokuje i powoli uwalnia antybiotyki dokładnie tam, gdzie są najbardziej potrzebne. Oba roboty są magnetyczne i sterowane bezprzewodowo przez zewnętrzny system cewek elektromagnetycznych, który działa trochę jak aparat do rezonansu magnetycznego (MRI).

Zastosowanie dwóch małych robotów zamiast jednego większego pozwala dotrzeć do trudno dostępnych miejsc w ciele. Igła może pozostać zadokowana podczas wymiany modułu leku, co w razie potrzeby pozwala na podanie kolejnych dawek.

– Naprowadzanie magnetyczne sprawia, że nie trzeba zasilać samego robota. Nie posiada on baterii ani silników – powiedział Krieger. – Leki można bezpiecznie podawać dzięki technologii takiej jak gradienty i pola w MRI. Nie jest wykorzystywana do obrazowania, lecz steruje milirobotami.

Testy na fantomowych modelach serca i na tkance serca świni

Naukowcy z powodzeniem przetestowali roboty na fantomowych modelach serca, które wiernie naśladują ludzkie serce, oraz na prawdziwej tkance serca świni. Roboty poruszały się płynnie i autonomicznie, nawet w warunkach symulowanego przepływu krwi. – Możemy po prostu wstrzyknąć dożylnie małą tabletkę, która dotrze do miejsca, gdzie naprawdę potrzebujemy podać leki i jest to minimalnie inwazyjne – stwierdziła główna autorka badania, Anuruddha Bhattacharjee, była doktorantka na Johns Hopkins, a obecnie adiunkt na University of Alabama w Birmingham.

Zastosowanie robotów nie tylko eliminuje konieczność operacji na otwartym sercu, ale także pozwala wyleczyć infekcję w ciągu godzin, a nie tygodni. – Zwykle dożylne leczenie farmakologiczne wymaga od czterech do sześciu tygodni terapii. Jednak w przypadku tych robotów cała procedura może zająć 10 minut – może godzinę, jeśli chcemy przeprowadzić kilka rund – podkreśliła badaczka. – Jeśli wszystko pójdzie dobrze, leczenie skróci się z czterech–sześciu tygodni do jednego dnia lub krócej.

W przyszłości naukowcy zamierzają przetestować roboty na bardziej realistycznych sercach fantomowych, ze skurczami mięśni i biciem podobnym do prawdziwego serca. Wyniki dotychczasowych badań opisali w artykule „Wireless Modular Millirobots With Magnetic Actuation for Targeted Cardiac Drug Delivery” („Bezprzewodowe mikroroboty modułowe sterowane magnetycznie do celowanego dostarczania leków do serca”), który ukazał się w „Advanced Materials Technologies”.

Przeczytaj także: „Optymalizacja kontrolnych kolonoskopii – wnioski z badań EPoS II i EPoS III”.