Medizintechnik: Robotchen und die sieben Zwerge

29. Oktober 2015
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Vitalparameter erfassen, Thrombosen entfernen oder Arzneistoffe zielgerichtet applizieren: Roboter auf Mikro- oder Nanoebene erfüllen im Labor schon so manche Aufgabe. Experten schätzen, dass im nächsten Jahrzehnt viele Tools Patienten zugutekommen werden.

Davon träumen Menschen seit Jahrhunderten: Erkranken wir, muss kein Chirurg zum Messer greifen. Vielmehr gelangen mikroskopisch kleine Roboter in unseren Körper und führen Eingriffe durch oder applizieren Arzneistoffe zielgerichtet am Ort des Geschehens. Im Labor ist es Ärzten und Ingenieuren gemeinsam gelungen, technische Schwierigkeiten zu meistern: ein großer Schritt in Richtung Anwendung.

Baukasten oder Origami

Die erste Frage: Wie gelangen Tools in unseren Körper? Das gelingt über rekonfigurierbare Systeme. Ärzte spritzen – momentan noch im Labor – eine Vielzahl kleiner, teilweise identischer Module in den Körper. Durch intelligente Kombination entstehen größere Funktionsgruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Sie erreichen über klassische Wege schwer zugängliche Stellen, um Biopsien zu nehmen, chirurgische Eingriffe auszuführen oder Wirkstoffe abzuladen.

Auf der International Conference on Robotics and Automation (ICRA) präsentierten MIT-Forscher Mikroroboter, die Origami-Figuren gleichen. Sie bestehen aus Folien und können sich fortbewegen beziehungsweise schwimmen – dank Neodym-Magneten und elektromagnetischen Spulen unter der Oberfläche. Zwischen drei und vier Zentimeter pro Sekunde beträgt die Höchstgeschwindigkeit. Die neue Minidrohne transportiert kleine Lasten. Das könnten Arzneistoffe oder radioaktive Seeds sein. Kleinere Hindernisse, etwa Blutgerinnsel, werden erfolgreich durchquert.

Ein besonderer Saft

Herausforderungen bleiben dennoch. Um sich in Blut oder Gelenkflüssigkeit fortzubewegen, gilt es, die Viskosität menschlicher Körperflüssigkeiten zu berücksichtigen. Spiralförmige Anhängsel, wie sie die Natur bei Bakterien verwendet, erwiesen sich als zu komplex. Damit nicht genug: Die meisten biologischen Flüssigkeiten sind keine Newtonschen Fluide mit konstanter Viskosität. Ihre Eigenschaften ändern sich je nach Bewegungsgeschwindigkeit.

Forscher der Max-Planck-Gesellschaft setzen jetzt auf ein internes Antriebssystem bei ihren Mikroschwimmern. Einer Arbeitsgruppe ist es gelungen, per 3D-Druck miniaturisierte Silikonmuscheln herzustellen. Ihre Gebilde könnten locker Blutgefäße passieren. Um sich fortzubewegen, klappen beide Schalen schnell zu, aber langsam wieder auf – der magnetischen Steuerung sei Dank. Die Viskosität zwischen beiden Hälften verändert sich, und schon beginnt die Reise. Auch hier lautet ein Ziel, Medikamente lokal zu applizieren.

Frische Fische im Körper

Apropos 3D-Druck: Wissenschaftler aus La Jolla setzen auf dreidimensionale Techniken, um kleinste, fischförmige Werkstücke herzustellen [Paywall]. Per Microscale Continuous Optical Printing (μCOP) erzeugen sie innerhalb weniger Sekunden mehrere hundert Mikrofische. Herzstück des μCOP ist ein digitales Mikrospiegelarray mit zwei Millionen Mikrospiegeln, von denen jeder einzeln angesteuert werden kann, um UV-Strahlung auf lichtempfindliche Schichten zu projizieren. Im Schwanzbereich wurden Nanopartikel aus Platin aufgetragen – als Katalysator, um chemisch gebundene Energie zu nutzen. Lösungen mit Wasserstoffperoxid dienen als Medium; das Molekül zerfällt unter Katalyse zu Wasser und Sauerstoff. Für mögliche Einsätze im Körper würden sich Enzyme zur Energiegewinnung eignen. Darüber hinaus platzierten Forscher Eisenoxid-Partikel im „Kopf“ ihrer Mikrofische: eine Möglichkeit zur externen Steuerung per Magnetfeld. Sie versuchen jetzt, Arzneistoffe mikroverkapselt zu transportieren. Am Ziel setzen ihre Tools das Pharmakon frei, was lokal hohe Konzentrationen ermöglicht, ohne den gesamten Organismus zu belasten – viel Zukunftsmusik in den Ohren von Ärzten.

Säge im Blutgefäß

Ähnlich futuristisch klingen Experimente mit Miniatur-Greifern. Die John-Hopkins-University berichtet von ersten Erfolgen mit künstlichen „Seesternen“. Kleine „Gripper“ buddeln sich förmlich durch Gefäßverschlüsse hindurch. Temperatursensitive Versionen können aber auch Biopsien durchführen. Sie schießen ihre Minitentakel bei höheren Celsiusgraden und nehmen en passant eine Gewebeprobe. Genau hier liegt der Mehrwert: Während Gastroenterologen heute bei Koloskopien nur einzelne Proben nehmen, verteilen sich „Mikrogripper“ statistisch im ganzen Darm. Setzen Ärzte tausende dieser Tools ein, sinkt die statistische Wahrscheinlichkeit, malignes Gewebe zu übersehen. Nach getaner Arbeit sammeln Kollegen die kleinen Probenjäger mit handelsüblichen Stabmagneten ein und schicken sie ins Labor.

Das geht ins Auge

Innovative Untersuchungen beschränken sich keineswegs auf den Darm. Auch im Glaskörper von Augen spielen kleinste Tools ihre Stärke aus. Aktuellstes Beispiel: Die Kombination mit Fluoreszenzfarbstoffen führte zu einem Sensor der besonderen Art. Änderte sich die Sauerstoffsättigung, zeigten sich Unterschiede im Fluoreszenzspektrum. Gerade bei Risikopatienten bieten sich hier Möglichkeiten, um Messungen von der Arztpraxis in den Patientenalltag zu verlegen. Laien könnten sich regelmäßig selbst untersuchen und Messwerte per App zum Augenarzt übertragen – eine Möglichkeit, um engmaschige Kontrollen durchzuführen. Hehre Ziele – jetzt geht es vom Labor ins Tiermodell und weiter in die Praxis.

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