Mikroroboter als viele kleine Kugeln in einem hochaufgelösten Bild

Neue Bildgebungsmethode macht Kleinstroboter im Körper sichtbar

Mikroroboter k?nnen die Medizin revolutionieren. Nun haben Forschende am Max Planck ETH Center for Learning Systems ein Bildgebungs-Verfahren entwickelt, das zellgrosse Mikroroboter erstmals einzeln und hochaufgel?st in einem lebenden Organismus erkennt.

von Florian Meyer
Bild: ETH Zürich / MPI-IS

Wie l?sst sich ein Blutgerinnsel ohne einen grossen chirurgischen Eingriff aus dem Hirn entfernen? Wie bringt man ein Medikament pr?zise zu einem schwer erreichbaren, erkrankten Organ? Das sind nur zwei Beispiele für die zahlreichen Innovationen, die Forschende im Gebiet der medizinischen Mikrorobotik anpeilen. Die winzigen Roboter versprechen, künftige medizinische Behandlungen grundlegend zu ver?ndern: Eines Tages k?nnten sie sich durch die Blutgef?sse von Patient:innen bewegen, um b?sartige Tumore zu beseitigen, Infektionen zu bek?mpfen oder pr?zise diagnostische Informationen zu liefern – und das alles auf nicht-invasive Weise. Im Prinzip, so die Forschenden, k?nnte der Blutkreislauf als ideales Transportnetz für die Mikroroboter dienen, da es alle Organe und Gewebe im K?rper erreicht.

Damit solche Mikroroboter die vorgesehenen medizinischen Eingriffe sicher und zuverl?ssig durchführen k?nnen, dürfen sie nicht gr?sser als eine biologische Zelle sein. Beim Menschen hat eine Zelle im Schnitt einen Durchmesser von 25 Mikrometer – dabei betr?gt ein Mikrometer ein Millionstel Meter. Die kleinsten Blutgef?sse des Menschen, die Kapillaren, sind sogar noch dünner: Ihr Durchmesser betr?gt im Schnitt nur 8 Mikrometer. Entsprechend klein müssen die Mikroroboter sein, wenn sie die kleinsten Blutgef?sse ungehindert durchqueren sollen. Damit sind sie zugleich so klein, dass sie von blossem Auge nicht zu sehen sind – und auch die Wissenschaft hat noch keine technische L?sung gefunden, um die mikrometerkleinen Roboter im K?rper einzeln zu erkennen und zu verfolgen.

Erstmals zirkulierende Mikroroboter abgebildet

?Bevor dieses Zukunftsszenario Realit?t wird, und die Mikroroboter tats?chlich am Menschen zum Einsatz kommen, ist es absolut erforderlich, dass wir diese winzigen Maschinen pr?zise sichtbar machen und nachverfolgen k?nnen?, sagt Paul Wrede, Doktorand und Fellow am Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS). ?Ohne Bildgebung ist die Mikrorobotik im Grunde blind?, erg?nzt Daniel Razansky, Professor für Biomedizinische Bildgebung der ETH Zürich und der Universit?t Zürich sowie Mitglied des CLS. ?Eine hochaufl?sende Bildgebung in Echtzeit ist daher unerl?sslich, um zellgrosse Mikroroboter in einem lebenden Organismus zu erkennen und zu steuern.?

?Ohne Bildgebung ist die Mikrorobotik im Grunde blind.?
Daniel Razansky

Weiter ist die Bildgebung auch eine Voraussetzung, um die erfolgten therapeutischen Eingriffe zu überwachen und zu überprüfen, ob die Roboter ihre Aufgabe wie vorgesehen erfüllt 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 führenden Mikrorobotiker, der als Abteilungsleiter am Max-???Planck-??Institut für Intelligente Systeme (MPI-?IS) und ETH-?Professor für Physische Intelligenz ebenfalls CLS-?Mitglied ist, sowie weiteren Forschenden hat das Team nun einen wichtigen Durchbruch in der effizienten Zusammenführung von Mikrorobotik und Bildgebung erzielt. In einer Studie, die soeben im Wissenschaftsjournal Science Advances erschienen ist, schafften sie es erstmals, bis zu fünf Mikrometer winzige Kleinstroboter mit einem nichtinvasiven, bildgebenden Verfahren in den Hirn-?Blutgef?ssen von M?usen klar und in Echtzeit nachzuweisen und zu verfolgen.

Linkes Bild: Kugelförmige, grüne Mikroroboter. Rechtes Bild: Mehrere Mikroroboter in einem Blutgefäss.
Ein Durchbruch: Winzige zirkulierende Mikroroboter, die so klein wie rote Blutk?rperchen sind (linkes Bild), wurden einzeln in den Blutgef?ssen von M?usen mit optoakustischer Bildgebung sichtbar gemacht (rechtes Bild). (Bild: ETH Zürich / Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme)

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 dünnsten 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 aufzuspüren, 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. Für 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 für 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.

Der Aufbau der Mikroroboter in einer Grafik erklärt
Die Mikroroboter bestehen aus Partikeln auf Siliziumdioxidbasis und wurden zur H?lfte mit Nickel (Ni) und zur H?lfte mit Gold (Au) beschichtet und mit Nanoblasen (grün) beladen. So k?nnen sie mit der neuen Bildgebungstechnik einzeln nachgewiesen werden. (Bild: ETH Zürich / MPI-IS)

?Gold ist ein sehr gutes Kontrastmittel für 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, grünen Farbstoff enthielten, der ebenfalls als Kontrastmittel diente. ?Liposomen haben zudem den Vorteil, dass man sie mit Medikamenten beladen kann, was für künftige 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 – schliesslich müssen die künftigen 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 für den Roboterteil und der ETH Zürich für den bildgebenden Teil zu kombinieren?, schliesst er.

Max Planck ETH Center for Learning Systems

Das Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS) ist ein gemeinsames Lehr- und Forschungszentrum der ETH Zürich und der Max-Planck-Gesellschaft im Gebiet der intelligenten Systeme. Rund 50 Forschende beider Institutionen engagieren sich im CLS. Das Herzstück des CLS ist das Doktorandenf?rderprogramm. Die Doktorierenden werden gemeinsam von ETH-Professor:innen und Max-Planck-Direktor:innen und -Gruppenleiter:innen betreut und erlangen am Ende einen Doktortitel der ETH Zürich.

Literaturhinweis

Wrede P, Degtyaruk O, Kalva SK, Deán-Ben XL, Bozuyuk U, Aghakhani A, Akolpoglu B, Sitti M, Razansky D. Real-time 3D optoacoustic tracking of cell-sized magnetic microrobots circulating in the mouse brain vasculature. Science Advances, 11. Mai 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abm9132

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