Магнитные наночастицы, успешно навигарующие в сложных кровеносных сосудах, могут быть готовы к клиническим испытаниям
Каждый год 12 миллионов человек в мире переносят инсульт. Существующие препараты для растворения тромба распространяются по всему телу, что требует высокой дозы и может вызвать серьёзные побочные эффекты, такие как внутреннее кровотечение.
Команда исследователей ETH Zurich добилась значительных прорывов в создании микророботов для доставки лекарств непосредственно к цели, например, к тромбу. Результаты опубликованы в Science.
Точные наночастицы
Микроробот представляет собой сферическую капсулу из растворимой гелевой оболочки, которой управляют с помощью магнитов. Магнитные свойства обеспечивают наночастицы оксида железа. Для отслеживания движения капсулы с помощью рентгена использовали наночастицы тантала.
«Сочетание магнитных свойств, видимости для визуализации и точного управления в одном микророботе потребовало идеальной синергии между материаловедением и робототехникой», — говорит профессор ETH Брэдли Нельсон.
Профессор Сальвадор Панэ и его команда разработали прецизионные наночастицы оксида железа, позволившие решить эту сложную задачу.
Специальный катетер и высвобождение лекарства
Микророботы могут быть загружены различными препаратами: тромболитиком, антибиотиком или противоопухолевым средством. Лекарство высвобождается высокочастотным магнитным полем, которое нагревает магнитные наночастицы и растворяет гелевую оболочку.
Доставка осуществляется в два этапа:
- Инъекция микроробота в кровь или спинномозговую жидкость через катетер.
- Наведение магнитного микроробота к цели с помощью электромагнитной навигационной системы.
Катетер оснащён гибким полимерным захватом, который открывается и высвобождает микроробота.
Навигация в кровотоке
Исследователи разработали модульную электромагнитную навигационную систему, подходящую для использования в операционной. Они комбинируют три стратегии магнитной навигации для работы во всех областях артерий головы:
- Вращающееся магнитное поле: позволяет капсуле катиться вдоль стенки сосуда со скоростью 4 мм/с.
- Градиент магнитного поля: тянет микроробота к области с более сильным полем, позволяя двигаться против тока со скоростью потока свыше 20 см/с.
- Навигация в потоке: на развилках сосудов градиент направляет капсулу вдоль стенки в нужный сосуд.
Интеграция этих стратегий обеспечивает эффективный контроль в различных условиях кровотока. В более чем 95% тестов капсула успешно доставляла препарат в нужное место.
«Магнитные поля и градиенты идеально подходят для малоинвазивных процедур, так как глубоко проникают в тело и — по крайней мере, при используемых нами силе и частоте — не оказывают вредного воздействия», — поясняет Нельсон.
Тестирование в реалистичных условиях
Для испытаний исследователи разработали силиконовые модели, точно воспроизводящие сосуды пациентов и животных. Эти модели, которые теперь используются в медицинском обучении и коммерциализируются через спин-офф ETH Swiss Vascular, позволили отработать стратегию и успешно растворить тромб в модели.
Затем команда продемонстрировала работу системы в реальных клинических условиях:
- На свиньях подтвердили работоспособность всех трёх методов навигации и чёткую видимость микроробота.
- Провели навигацию микророботов через спинномозговую жидкость овцы.
Применения и перспективы
Помимо лечения тромбозов, новые микророботы могут использоваться для терапии локализованных инфекций или опухолей. На каждом этапе разработки команда фокусировалась на цели — как можно быстрее подготовить технологию для использования в операционных. Следующая цель — как можно скорее начать клинические испытания на людях.
«Врачи уже делают невероятную работу в больницах. Нами движет знание, что у нас есть технология, позволяющая помочь пациентам быстрее и эффективнее и дать им новую надежду благодаря инновационным терапиям», — говорит ведущий автор работы Фабиан Ландерс.