Winzige Roboter sollen Medikamente direkt ins Herz bringen
Forschende der Johns Hopkins University haben zwei millimetergroße Roboter entwickelt, die gemeinsam Medikamente an schwer erreichbare Stellen im Körper transportieren sollen. Erste Laborversuche zeigen, wie die Technik künftig bei Herzinfektionen helfen könnte.
Eine Infektion der Herzinnenhaut, die sogenannte Endokarditis, ist schwer zu behandeln. Betroffene erhalten häufig über mehrere Wochen Antibiotika. Die Medikamente gelangen über das Blut zum Herzen, erreichen den Infektionsherd aber unter Umständen nur in geringer Konzentration. In schweren Fällen müssen Ärzte operieren. Ein Forschungsteam der Johns Hopkins University in den USA arbeitet deshalb an einer gezielteren Behandlung.
Zwei Roboter arbeiten zusammen
Die Forschenden haben dafür zwei magnetische Milliroboter entwickelt. Sie sind ungefähr so breit wie eine Bleistiftspitze und so lang wie ein Reiskorn. Jeder übernimmt eine eigene Aufgabe.
Der erste Roboter besitzt eine kleine Nadel mit Widerhaken. Damit soll er sich direkt am infizierten Herzgewebe verankern. Anschließend dient er als Andockstation für den zweiten Roboter. Dieser transportiert das Medikament zum Infektionsherd, verbindet sich magnetisch mit der Station und gibt seinen Inhalt langsam ab.
Das System erlaubt auch mehrere Medikamentengaben. Während der erste Roboter im Gewebe verankert bleibt, kann ein neues Medikamentenmodul an seine Stelle treten. Die Forschenden wollen so wiederholt Wirkstoffe an derselben Stelle abgeben, ohne jedes Mal eine neue Verankerung setzen zu müssen.
Magnetfelder übernehmen die Steuerung
Die Roboter besitzen weder Batterien noch eigene Motoren. Stattdessen erzeugt ein externes Spulensystem elektromagnetische Felder, die ihre Bewegungen steuern. Das Prinzip ähnelt der Magnetfeldtechnik eines Magnetresonanztomografen (MRT).
In den Laborversuchen nutzte das Forschungsteam außerdem eine KI-gestützte Bildverarbeitung. Sie erfasst die Position der Roboter und unterstützt ihre automatische Navigation. Auf diese Weise können sich die kleinen Geräte entlang vorgegebener Wege bewegen.
Erste Tests zeigen, was die Roboter können
Für ihre Experimente verwendeten die Forschenden künstliche Herzmodelle mit pulsierendem Flüssigkeitsstrom. Dieser sollte die Strömungsverhältnisse im Herzen nachbilden. Die Roboter konnten sich dabei auch entgegen der simulierten Blutströmung bewegen.
Weitere Versuche fanden an entnommenem Schweineherzgewebe statt. Dabei untersuchte das Team unter anderem, wie sich die Roboter verankern und wieder voneinander lösen lassen.
Die Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam im Fachjournal «Advanced Materials Technologies». Unter den getesteten Bedingungen gelang das magnetische Andocken in allen Versuchen. Beim Lösen der Verbindung erreichten die Forschenden eine Erfolgsquote von 93 Prozent.
Auch die Medikamentengabe untersuchten sie. Ein Modul konnte 22 Mikroliter Flüssigkeit, also 0,022 Milliliter, über einen Zeitraum von drei Stunden freisetzen. Ob diese Menge für eine wirksame Behandlung ausreicht, muss weitere Forschung zeigen.
Der Weg zum Einsatz am Menschen ist noch weit
Die Forschenden verbinden mit der Technik große Hoffnungen. Langfristig könnte sie die Behandlung einer Endokarditis deutlich verkürzen und möglicherweise bestimmte Operationen am offenen Herzen vermeiden.
Bhattacharjee hält Eingriffe von zehn Minuten bis zu einer Stunde für denkbar. Bislang benötigen Betroffene häufig vier bis sechs Wochen Antibiotika. Das sind allerdings Zukunftsprognosen. Die bisherigen Experimente fanden ausschließlich an künstlichen Modellen und entnommenem Gewebe statt. Ob die Technik auch in einem lebenden, schlagenden Herzen zuverlässig funktioniert und Infektionen bekämpfen kann, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Als Nächstes will das Team realistischere Herzmodelle entwickeln, die auch die Muskelbewegungen eines echten Herzschlags nachbilden. Später könnten die Roboter möglicherweise auch Medikamente zu schwer erreichbaren Tumoren transportieren.
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