Il microrobot dell'ETH di Zurigo indirizza i farmaci ai coaguli di sangue causati dall'ictus / ETH Zurich microrobot targets drugs to stroke clots

Il microrobot dell'ETH di Zurigo indirizza i farmaci ai coaguli di sangue causati dall'ictus / ETH Zurich microrobot targets drugs to stroke clots

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un microrobot che sfrutta la navigazione magnetica per somministrare farmaci direttamente ai coaguli di sangue causati dall'ictus all'interno del corpo.

L'ictus è causato da un'interruzione del flusso sanguigno al cervello, che può portare a danni o morte delle cellule cerebrali. Attualmente, vengono somministrati farmaci per sciogliere il trombo che ostruisce il vaso sanguigno. Questi farmaci circolano in tutto il corpo e devono essere somministrati a dosi elevate per garantire che una quantità sufficiente raggiunga il trombo, aumentando il rischio di effetti collaterali come emorragie interne.

Poiché spesso i medicinali sono necessari solo in aree specifiche del corpo, la ricerca medica ha preso in considerazione l'uso di microrobot per trasportare i farmaci dove necessario. 

Ora un gruppo di ricercatori dell'ETH di Zurigo ha fatto "importanti progressi" e ha pubblicato i suoi risultati su Science.

Il microrobot è costituito da una capsula sferica brevettata con un involucro di gel solubile controllato magneticamente e guidato attraverso il corpo fino al suo bersaglio, con nanoparticelle di ossido di ferro all'interno della capsula che forniscono le proprietà magnetiche.

"Poiché i vasi sanguigni del cervello umano sono così piccoli, esiste un limite alle dimensioni della capsula. La sfida tecnica è garantire che una capsula così piccola abbia anche sufficienti proprietà magnetiche", ha affermato in una nota l'autore principale Fabian Landers, ricercatore post-dottorato presso il Multi-Scale Robotics Lab dell'ETH di Zurigo.

Il microrobot necessita anche di un mezzo di contrasto affinché i medici possano seguirne il movimento attraverso i vasi sanguigni mediante radiografia. I ricercatori hanno selezionato nanoparticelle di tantalio, ampiamente utilizzate in medicina ma più difficili da controllare a causa della loro maggiore densità e peso.

"Combinare funzionalità magnetica, visibilità delle immagini e controllo preciso in un singolo microrobot ha richiesto una perfetta sinergia tra scienza dei materiali ed ingegneria robotica, un obiettivo che abbiamo raggiunto con successo in molti anni", ha affermato il professor Bradley Nelson dell'ETH. Il professor Salvador Pané, chimico presso l'Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti, ed il suo gruppo hanno sviluppato le nanoparticelle di ossido di ferro di precisione che consentono questo risultato.

I microrobot contengono anche il principio attivo di cui hanno bisogno per la somministrazione. I ricercatori hanno caricato i microrobot con farmaci comuni per una varietà di applicazioni, in questo caso un agente che scioglie i trombi, un antibiotico od un farmaco antitumorale. Questi farmaci sono stati rilasciati da un campo magnetico ad alta frequenza che riscalda le nanoparticelle magnetiche, dissolvendo l'involucro di gel ed il microrobot.

I ricercatori hanno utilizzato una strategia in due fasi per avvicinare il microrobot al suo bersaglio: in primo luogo, hanno iniettato il microrobot nel sangue o nel liquido cerebrospinale tramite un catetere. Successivamente, hanno utilizzato un sistema di navigazione elettromagnetico per guidare il microrobot magnetico verso la posizione bersaglio. Il progetto del catetere si basa su un modello disponibile in commercio con un filo guida interno collegato ad una pinza polimerica flessibile. Quando viene spinta oltre la guida esterna, la pinza polimerica si apre e rilascia il microrobot.

Per guidare con precisione i microrobot, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di navigazione elettromagnetica modulare adatto all'uso in sala operatoria.

"La velocità del flusso sanguigno nel sistema arterioso umano varia notevolmente a seconda della posizione. Questo rende la navigazione di un microrobot molto complessa", ha affermato Nelson.

I ricercatori hanno combinato tre diverse strategie di navigazione magnetica che hanno consentito loro di navigare in tutte le regioni delle arterie della testa.

Ciò ha permesso al gruppo di far rotolare la capsula lungo la parete del vaso utilizzando un campo magnetico rotante, guidandola con precisione verso il suo bersaglio ad una velocità di 4 mm al secondo.

In un altro modello, la capsula è azionata da un gradiente di campo magnetico, che attira il microrobot verso regioni con campo più forte, consentendogli di muoversi controcorrente rispetto al flusso sanguigno a velocità superiori a 20 cm al secondo.

"È incredibile quanta quantità di sangue scorra nei nostri vasi ed a una velocità così elevata. Il nostro sistema di navigazione deve essere in grado di resistere a tutto questo", ha affermato Landers.

Quando il microrobot raggiunge una giunzione vascolare complessa, viene utilizzata la navigazione in-flow: il gradiente magnetico viene allineato contro la parete vascolare in modo che il flusso sanguigno trasporti la capsula nel ramo desiderato.

Combinando queste tre strategie di navigazione, i ricercatori hanno mantenuto il controllo dei microrobot in diverse condizioni di flusso e geometrie dei vasi, con la capsula che ha rilasciato con successo il farmaco nel sito bersaglio in oltre il 95 percento dei test.

ENGLISH

Researchers at ETH Zurich have developed a microrobot that uses magnetic navigation to deliver drugs directly to stroke-related clots inside the body.

A stroke is caused by a disruption in blood flow to the brain, which can lead to brain cell damage or death. Currently, drugs are administered to dissolve the thrombus that blocks the blood vessel. These drugs circulate through the whole body and must be given at high doses to ensure enough reaches the thrombus, increasing the risk of side effects such as internal bleeding.

Since medicines are often only needed in specific areas of the body, medical research considered microrobots to deliver pharmaceuticals to where they need to be. 

Now, a team of researchers at ETH Zurich has made ‘major breakthroughs’ and have published their findings in Science.

The microrobot consists of a proprietary spherical capsule with a soluble gel shell that is magnetically controlled and guided through the body to its target, with iron oxide nanoparticles inside the capsule providing the magnetic properties.

“Because the vessels in the human brain are so small, there is a limit to how big the capsule can be. The technical challenge is to ensure that a capsule this small also has sufficient magnetic properties,” lead author Fabian Landers, a postdoctoral researcher at the Multi-Scale Robotics Lab at ETH Zurich, said in a statement.

The microrobot also requires a contrast agent so doctors can track its movement through blood vessels using X-ray imaging. The researchers selected tantalum nanoparticles, which are widely used in medicine but more difficult to control because of their higher density and weight.

“Combining magnetic functionality, imaging visibility and precise control in a single microrobot required perfect synergy between materials science and robotics engineering, which has taken us many years to successfully achieve,” said ETH Professor Bradley Nelson. Professor Salvador Pané, a chemist at the Institute of Robotics and Intelligent Systems, and his team developed the precision iron oxide nanoparticles that enable this.

The microrobots also contain the active ingredient they need to deliver. The researchers loaded the microrobots with common drugs for a variety of applications, in this case a thrombus-dissolving agent, an antibiotic or tumour medication. These drugs were released by a high-frequency magnetic field that heats the magnetic nanoparticles, dissolving the gel shell and the microrobot.

The researchers used a two-step strategy to bring the microrobot close to its target: first, they injected the microrobot into the blood or cerebrospinal fluid via a catheter. Then they used an electromagnetic navigation system to guide the magnetic microrobot to the target location. The catheter’s design is based on a commercially available model with an internal guidewire connected to a flexible polymer gripper. When pushed beyond the external guide, the polymergripper opens and releases the microrobot.

To precisely steer the microrobots, the researchers developed a modular electromagnetic navigation system suitable for use in the operating theatre.

“The speed of blood flow in the human arterial system varies a lot depending on location. This makes navigating a microrobot very complex,” said Nelson.

The researchers combined three different magnetic navigation strategies that allowed them to navigate in all regions of the arteries of the head.

This enabled the team to roll the capsule along the vessel wall using a rotating magnetic field, guiding it precisely to its target at a speed of 4mm per second.

In another model, the capsule is driven by a magnetic field gradient, which pulls the microrobot toward regions of stronger field, allowing it to move against blood flow at velocities above 20cm per second.

“It’s remarkable how much blood flows through our vessels and at such high speed. Our navigation system must be able to withstand all of that,” said Landers.

When the microrobot reaches a complex vessel junction, in-flow navigation is used: the magnetic gradient is aligned against the vessel wall so that blood flow carries the capsule into the desired branch.

By combining these three navigation strategies, the researchers maintained control of the microrobots across different flow conditions and vessel geometries, with the capsule successfully delivering the drug to the target site in over 95 per cent of tests.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/microrobot-targets-drugs-to-stroke-clots-in-the-brain?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-%20171125%20-%20Monday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fmicrorobot-targets-drugs-to-stroke-clots-in-the-brain&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer