Neue Bildgebungsmethode macht Kleinstroboter im Körper sichtbar

Weiter ist die Bildgebung auch eine Voraussetzung, um die erfolgten therapeutischen Eingriffe zu ¨¹berwachen und zu ¨¹berpr¨¹fen, ob die Roboter ihre Aufgabe wie vorgesehen erf¨¹llt haben. ?Die fehlende M?glichkeit, ein Echtzeit-?Feedback zu den Mikrorobotern zu geben, war daher ein grosses Hindernis auf dem Weg zu einer klinischen Anwendung.?

Zusammen mit Metin Sitti, einem weltweit f¨¹hrenden Mikrorobotiker, der als Abteilungsleiter am Max-???Planck-??Institut f¨¹r Intelligente Systeme (MPI-?IS) und ETH-?Professor f¨¹r Physische Intelligenz ebenfalls CLS-?Mitglied ist, sowie weiteren Forschenden hat das Team nun einen wichtigen Durchbruch in der effizienten Zusammenf¨¹hrung von Mikrorobotik und Bildgebung erzielt. In einer Studie, die soeben im Wissenschaftsjournal Science Advances erschienen ist, schafften sie es erstmals, bis zu f¨¹nf Mikrometer winzige Kleinstroboter mit einem nichtinvasiven, bildgebenden Verfahren in den Hirn-?Blutgef?ssen von M?usen klar und in Echtzeit nachzuweisen und zu verfolgen.

Die Forschenden setzten Mikroroboter mit einer Gr?sse von 5 bis 20 Mikrometern ein. Die kleinsten Roboter sind etwa so gross wie die roten Blutk?rperchen, die einen Durchmesser von 7 bis 8 Mikrometern haben. Diese Gr?sse macht es m?glich, dass sich die intraven?s injizierten Mikroroboter selbst durch die d¨¹nnsten Mikrokapillaren im Hirn einer Maus fortbewegen k?nnen. Die Forschenden entwickelten auch eine spezielle optoakustische Tomographietechnik, um die klitzekleinen Roboter tats?chlich einzeln, hochaufgel?st und in Echtzeit zu erkennen.

Diese einzigartige Bildgebungsmethode erm?glicht es, die winzigen Roboter in tiefen und schwer zug?nglichen Regionen des K?rpers und des Gehirns aufzusp¨¹ren, was mit optischer Mikroskopie oder einer anderen Bildgebungstechnik nicht m?glich gewesen w?re. Die Methode wird als optoakustisch bezeichnet, weil man zun?chst Licht aussendet, das vom jeweiligen Gewebe absorbiert wird. Die Absorption erzeugt dann winzige Ultraschallwellen, die man erkennen und analysieren kann, um hochaufl?sende volumetrische Bilder zu erhalten.

Janusk?pfige Roboter mit Goldschicht

Um die Mikroroboter auf den Bildern deutlich sichtbar zu machen, ben?tigten die Forschenden ein geeignetes Kontrastmittel. F¨¹r ihre Studie verwendeten sie deshalb kugelf?rmige Mikroroboter auf der Basis von Siliziumdioxidpartikeln mit einer sogenannten Janus-Beschichtung. Dieser Roboter-Typ hat ein sehr robustes Design und eignet sich sehr gut f¨¹r anspruchsvolle medizinische Aufgaben. Benannt ist er nach dem r?mischen Gott Janus, der zwei Gesichter besass. Bei den Robotern sind die beiden Kugelh?lften jeweils unterschiedlich beschichtet. Im aktuellen Fall beschichteten die Forschenden die eine Roboterh?lfte mit Nickel und die andere mit Gold.

?Gold ist ein sehr gutes Kontrastmittel f¨¹r die optoakustische Bildgebung?, erkl?rt Razansky, ?ohne die Goldschicht ist das von den Mikrorobotern erzeugte Signal schlicht zu schwach, um erkannt zu werden.? Zus?tzlich zum Gold testeten die Forschenden die Verwendung kleiner Bl?schen, so genannte Nanoliposomen, die einen fluoreszierenden, gr¨¹nen Farbstoff enthielten, der ebenfalls als Kontrastmittel diente. ?Liposomen haben zudem den Vorteil, dass man sie mit Medikamenten beladen kann, was f¨¹r k¨¹nftige Ans?tze zur gezielten Verabreichung von Medikamenten wichtig ist?, sagt Wrede, der Erstautor der Studie. Die Einsatzm?glichkeiten der Liposomen werden in einer Folgestudie untersucht.

Mit dem Gold l?sst sich zudem die zelltoxische Wirkung der Nickelbeschichtung minimieren ¨C schliesslich m¨¹ssen die k¨¹nftigen Mikroroboter, wenn sie in lebenden Tieren oder Menschen eingesetzt werden sollen, biovertr?glich und ungiftig sein, was Teil einer laufenden Forschungsarbeit ist. In der vorliegenden Studie verwendeten die Forschenden Nickel als magnetisches Antriebsmedium zusammen mit einem einfachen Permanentmagneten, um die Roboter zu ziehen. In Folgestudien wollen sie die optoakustische Bildgebung auch mit einer komplexeren Bewegungssteuerung testen, die rotierende Magnetfelder verwendet.

?Das g?be uns die M?glichkeit, die Mikroroboter auch in stark fliessendem Blut pr?zise zu steuern und zu bewegen?, sagt Metin Sitti. ?In der vorliegenden Studie haben wir uns darauf konzentriert, die Mikroroboter sichtbar zu machen. Das Projekt war sehr erfolgreich dank der exzellenten Zusammenarbeit am CLS, die es erm?glichte, die Expertise der beiden Forschungsgruppen des MPI-IS in Stuttgart f¨¹r den Roboterteil und der ETH Z¨¹rich f¨¹r den bildgebenden Teil zu kombinieren?, schliesst er.