Rollende Magnetklümpchen

Werden bestimmte weisse Blutk?rperchen (sogenannte Neutrophile) zu einem Einsatz gegen eingedrungene Keime gerufen, bewegen sie sich in den Blutgef?ssen auf spezifische Weise: Sie rollen wie ein vom Wind getriebener Ball entlang der Blutgef?sswand zu ihrem Einsatzort. Weil sie sich in der Gef?sswand verankern k?nnen, schaffen sie es sogar, sich gegen den Blutstrom fortzubewegen.

Dieses Verhalten der weissen Blutk?rperchen hat Postdoktorand Daniel Ahmed aus der Gruppe von ETH-Professor Bradley Nelson inspiriert. Im Labor hat er ein neuartiges System entwickelt, mit dem sich Aggregate aus magnetisierten Partikeln in Gef?ssen mithilfe eines kombinierten akustischen und magnetischen Felds rollend fortbewegen lassen. Die entsprechende Studie ist vor kurzem in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Communications erschienen.

Magnetfeld l?sst Partikel klumpen

Der Transportmechanismus, der dem Ger?t zugrunde liegt, ist so einfach wie genial: Die Forscher geben kommerziell erh?ltliche, biokompatible Magnetpartikel in k¨¹nstliche Blutgef?sse. Legen sie ein kreisendes Magnetfeld an, ballen sich die Partikel zu Aggregaten und beginnen, sich um die eigene Achse zu drehen.

Legen die Forscher ein Ultraschallfeld von einer bestimmten Frequenz an, bewegen sich die Aggregate zur Gef?sswand, entlang derer sie sich schliesslich rollend weiterbewegen. Das Rollen setzt dann ein, wenn die Kl¨¹mpchen eine Mindestgr?sse von sechs Mikrometern haben ¨C ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haars.

Stellen die Forscher das Magnetfeld ab, zerfallen die Aggregate in ihre Einzelteile und verteilen sich im Fl¨¹ssigkeitsstrom.

Bislang hat Ahmed dieses System erst in k¨¹nstlichen Kan?len getestet. Er ist jedoch ¨¹berzeugt, dass die Methode auch in lebenden Organismen verwenden l?sst. ?Das Ziel ist, diesen Transportmechanismus zu nutzen, um unter Einbezug von bildgebenden Methoden beispielsweise Medikamente zu Stellen des K?rpers zu bringen, die nur sehr schwer erreichbar sind ?, betont der Forscher. Dabei denkt er an Tumore, die nur ¨¹ber feine Kapillaren zug?nglich sind und mittels rollender Mikrotherapeutika und den Wirkstoffen, die sie abgeben, abget?tet werden k?nnten.

H?her aufgel?ste Ultraschall-Bildgebung

F¨¹r die Mikro- und Nanorobotik ist die Bildgebung im lebenden Organismus eine grosse Herausforderung. Ultraschallverfahren und Magnetresonanztomografie (MRI) sowie Bildgebung mithilfe von Magnetpartikeln (MPI) sind in der klinischen Praxis bereits Alltag. Die Verfahren k?nnten nun auch dazu verwendet werden, um die rollenden Aggregate nachzuverfolgen. Die Bildgebung mit Magnetteilchen kann mit klinisch zugelassenen, eisenoxidbasierten MRI-Kontrastmitteln hochaufl?sende 3D-Bilder in Echtzeit aufnehmen. Ahmed und seine Kollegen sind daher zuversichtlich, dass sie Nanomedikamente mit den Eisenoxidpartikeln kombinieren k?nnen, um Blutgef?sse in Echtzeit abzubilden und gleichzeitig Nanomedikamente zu transportieren.

Auch der Ultraschall-Transportmechanismus ist eine m?gliche Anwendung. So k?nnten die Magnetpartikel und Nanomedikamente in winzige Bl?schen eingebettet werden. Diese werden mit Polymeren beschichtet und k?nnen dann als Kontrastmittel verwendet werden, das in schwierig zu erreichende K?rperregionen verteilt werden kann. Dies k?nnte die Aufl?sung in der Ultraschallbildgebung verbessern.

In dieser Studie pr?sentieren die Forscher den Fortbewegungsmechanismus von sich selbst organisierenden Mikrok¨¹gelchen. Als n?chstes wollen sie untersuchen, wie sich die magnetischen Roller unter Str?mungsverh?ltnissen mit Zusatzpartikeln wie roten und weissen Blutk?rperchen verhalten und ob sie es schaffen, die Magnetkl¨¹mpchen auch gegen den Strom zu bewegen. Und auch im lebenden Organismus wollen Ahmed und seine Mitarbeiter das System erstmals testen.