מדי שנה, 12 מיליון אנשים ברחבי העולם סובלים משבץ מוחי; רבים מתים או נפגעים לצמיתות. כיום, תרופות ניתנות להמסת הפקקת החוסמת את כלי הדם. תרופות אלו מתפשטות בכל הגוף, כלומר יש לתת מינון גבוה כדי להבטיח שהכמות הדרושה תגיע לפקקת. זה יכול לגרום לתופעות לוואי חמורות, כגון דימום פנימי. מכיוון שלעתים קרובות יש צורך בתרופות רק באזורים ספציפיים בגוף, המחקר הרפואי חיפש מזה זמן רב דרך להשתמש במיקרורובוטים כדי לספק תרופות למקום בו הם צריכים להיות: במקרה של שבץ מוחי, ישירות לפקקת הקשורה לשבץ. כעת, צוות חוקרים ב-ETH ציריך עשה פריצות דרך משמעותיות בכמה מישורים. הם פרסמו את הממצאים שלהם ב מַדָע.
נדרשים ננו-חלקיקים מדויקים
המיקרורובוט שבו משתמשים החוקרים מורכב מקפסולה כדורית קניינית העשויה ממעטפת ג'ל מסיס שהם יכולים לשלוט בה באמצעות מגנטים ולהוביל דרך הגוף ליעדו. ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל בקפסולה מספקים את התכונות המגנטיות.
"מכיוון שהכלים במוח האנושי כל כך קטנים, יש גבול לכמה גדולה יכולה הקפסולה להיות. האתגר הטכני הוא להבטיח שלקפסולה כל כך קטנה יש גם תכונות מגנטיות מספיקות".
פביאן לנדרס, מחבר ראשי מחקר וחוקר פוסט-דוקטורט, מעבדת רובוטיקה רב קנה מידה, ETH ציריך
המיקרורובוט זקוק גם לחומר ניגוד כדי לאפשר לרופאים לעקוב באמצעות צילום רנטגן כיצד הוא נע בכלי הדם. החוקרים התמקדו בננו-חלקיקי טנטלום, הנמצאים בשימוש נפוץ ברפואה אך מאתגרים יותר לשליטה בשל צפיפותם ומשקלם הגדולים. "השילוב של פונקציונליות מגנטית, נראות הדמיה ובקרה מדויקת במיקרורובוט אחד דרש סינרגיה מושלמת בין מדעי החומרים והנדסת רובוטיקה, שלקח לנו שנים רבות להגיע להישגים מוצלחים", אומר פרופסור ETH בראדלי נלסון, שחוקר מיקרורובוטים במשך עשרות שנים. פרופסור סלבדור פאנה, כימאי במכון לרובוטיקה ומערכות חכמות, וצוותו פיתחו ננו-חלקיקים מדויקים של תחמוצת ברזל המאפשרים את פעולת האיזון העדינה הזו.
צנתר מיוחד משחרר קפסולה עמוסת תרופות
המיקרורובוטים מכילים גם את החומר הפעיל שהם צריכים לספק. החוקרים העמיסו בהצלחה את המיקרורובוטים בתרופות נפוצות למגוון יישומים – במקרה זה חומר ממיס פקקים, אנטיביוטיקה או תרופה לגידולים. תרופות אלו שוחררו על ידי שדה מגנטי בתדירות גבוהה שמחמם את הננו-חלקיקים המגנטיים, וממיס את מעטפת הג'ל ואת המיקרורובוט.
החוקרים השתמשו באסטרטגיה של שני שלבים כדי לקרב את המיקרורובוט למטרה שלו: ראשית, הם הזריקו את המיקרורובוט לדם או לנוזל השדרה באמצעות צנתר. הם המשיכו להשתמש במערכת ניווט אלקטרומגנטית כדי להנחות את המיקרורובוט המגנטי למיקום היעד. עיצוב הצנתר מבוסס על דגם זמין מסחרי עם חוט מנחה פנימי המחובר לאוחז פולימרי גמיש. כאשר דוחפים אותו מעבר למוביל החיצוני, תפס הפולימר נפתח ומשחרר את המיקרורובוט.
שחייה נגד הזרם – ניווט בכלי דם
כדי לכוון במדויק את המיקרורובוטים, החוקרים פיתחו מערכת ניווט אלקטרומגנטית מודולרית המתאימה לשימוש בחדר הניתוח. "מהירות זרימת הדם במערכת העורקים האנושית משתנה מאוד בהתאם למיקום. זה הופך את הניווט במיקרורובוט למורכב מאוד", מסביר נלסון. החוקרים שילבו שלוש אסטרטגיות ניווט מגנטיות שונות שאפשרו להם לנווט בכל אזורי עורקי הראש.
זה מאפשר להם לגלגל את הקפסולה לאורך דופן הכלי באמצעות שדה מגנטי מסתובב. ניתן להנחות את הקפסולה אל המטרה שלה בדיוק עצום במהירות של 4 מילימטרים לשנייה.
בדגם אחר, הקפסולה מועברת באמצעות שיפוע שדה מגנטי: השדה המגנטי חזק יותר במקום אחד מאשר במקום אחר. זה מושך את המיקרורובוט בכלי לכיוון השדה החזק יותר. הקפסולה יכולה אפילו ללכת נגד הזרם – ובמהירות זרימה ניכרת של למעלה מ-20 סנטימטרים לשנייה. "זה מדהים כמה דם זורם בכלי הדם שלנו ובמהירות כל כך גבוהה. מערכת הניווט שלנו חייבת להיות מסוגלת לעמוד בכל זה", אומר לנדרס.
כאשר המיקרורובוט מגיע לצומת בכלי שיט שיהיה קשה לתמרן דרכו, ניווט בזרימה נכנס לפעולה. השיפוע המגנטי מכוון אל דופן הכלי בצורה כזו שהקפסולה נישא אל הכלי הנכון.
על ידי שילוב שלושת אסטרטגיות הניווט הללו, החוקרים משיגים שליטה יעילה על המיקרורובוטים על פני תנאי זרימה שונים ותרחישים אנטומיים. ביותר מ-95 אחוז מהמקרים שנבדקו, הקפסולה העבירה את התרופה בהצלחה למקום הנכון. "שדות מגנטיים ושיפועים הם אידיאליים להליכים זעיר פולשניים מכיוון שהם חודרים עמוק לתוך הגוף ולפחות בעוצמות ובתדרים שאנו משתמשים בהם – אין להם השפעה מזיקה על הגוף", מסביר נלסון.
חדשנות לא עוצרת ברובוטיקה
כדי לבדוק את המיקרורובוטים והניווט שלהם בסביבה מציאותית, החוקרים פיתחו מודלים של סיליקון המשכפלים במדויק את כלי הדם של חולים ובעלי חיים. דגמי כלי אלו הם כל כך מציאותיים שהם נמצאים כעת בשימוש בהכשרה רפואית ומשווקים על ידי ETH ספין-אוף Swiss Vascular. "המודלים הם קריטיים עבורנו, שכן תרגלנו רבות כדי לייעל את האסטרטגיה ומרכיביה. אי אפשר לעשות את זה עם בעלי חיים", מסביר פאנה. במודל, החוקרים הצליחו למקד ולהמיס קריש דם.
לאחר ניסויים מוצלחים רבים במודל, הצוות ביקש להדגים מה יכול המיקרורובוט להשיג בתנאים קליניים אמיתיים. ראשית, הם הצליחו להדגים בחזירים שכל שלוש שיטות הניווט עובדות ושהמיקרורובוט נשאר גלוי בבירור לאורך כל ההליך. שנית, הם ניווטו מיקרורובוטים דרך נוזל המוח של כבשה. לנדרס מרוצה במיוחד: "לסביבה האנטומית המורכבת הזו יש פוטנציאל עצום להתערבויות טיפוליות נוספות, וזו הסיבה שכל כך התלהבנו מכך שהמיקרורובוט הצליח למצוא את דרכו גם בסביבה זו".
יישומים מעבר לחסימות כלי דם
בנוסף לטיפול בפקקת, מיקרורובוטים חדשים אלה יכולים לשמש גם לזיהומים או גידולים מקומיים. בכל שלב של פיתוח, צוות המחקר נשאר ממוקד במטרה שלהם: להבטיח שכל מה שהם יוצרים יהיה מוכן לשימוש בחדרי ניתוח בהקדם האפשרי. המטרה הבאה היא להתחיל בניסויים קליניים בבני אדם מהר ככל האפשר. אם מדברים על מה שמניע את כל הצוות, אומר לנדרס, "הרופאים כבר עושים עבודה מדהימה בבתי חולים. מה שמניע אותנו הוא הידיעה שיש לנו טכנולוגיה שמאפשרת לנו לעזור למטופלים בצורה מהירה ויעילה יותר ולתת להם תקווה חדשה באמצעות טיפולים חדשניים".
