Wereldprimeur: magnetische robot navigeert door hersenweefsel

Voor het eerst hebben wetenschappers een schroefvormige robot door echt hersenweefsel gestuurd. Dat deden ze niet door de schedel te openen of invasieve instrumenten te gebruiken, maar met een magneet van buitenaf, die al het werk deed. Als het effectief blijkt, zouden deze piepkleine robots de behandeling van ernstige hersenletsels ingrijpend kunnen veranderen.

Onderzoekers van de Universiteit Twente (UT) en het Radboudumc testten het apparaat op hersenweefsel van schapen in het lab, een stap richting de behandeling van beroertes, tumoren en andere diep gelegen hersenletsels zonder invasieve chirurgie. Het idee: een robot klein genoeg om door de bloedbaan te reizen, op precies de juiste plek door een arteriewand te boren, en vervolgens door het hersenweefsel verder te gaan om het probleem rechtstreeks te bereiken.

Hoe de magnetische robot werkt

Nadat de robot via de bloedbaan het lichaam is binnengekomen, laat een magneet van buitenaf hem ronddraaien, waardoor hij zich als een kurkentrekker naar voren schroeft. Draait de magneet sneller, dan versnelt de robot ook mee — maar slechts tot op zekere hoogte. Voorbij die grens, de zogeheten "step-out frequentie", kan de robot het tempo niet meer bijhouden. Hij stokt, slipt of beweegt onregelmatig.

Tot nu toe was dat omslagpunt vooral gissen. Het team ontwikkelde een wiskundig model, gebaseerd op het Buckingham Pi-theorema, dat de grootte van de robot, de magnetische kracht en de stijfheid van het weefsel combineert om precies te voorspellen wanneer de controle verloren gaat. Stijver weefsel verlaagt die grens drastisch: in zacht weefsel hield de robot de magneet bij tot ongeveer 30 omwentelingen per seconde, maar in het stijfste geteste weefsel daalde dat aantal tot minder dan één omwenteling per seconde.

"Duw een magnetische robot te snel, en hij luistert simpelweg niet meer naar de magneet," aldus Ewout Ligtenberg, eerste auteur van de studie. "We kunnen nu precies voorspellen wanneer dat gebeurt, voor elk type weefsel, op basis van één enkele test. Dat scheelt veel giswerk bij het ontwerpen van robots voor de hersenen."

Eén test, eindeloze voorspellingen

Opmerkelijk genoeg hoeft het model maar één keer gekalibreerd te worden, met een enkele meting in weefsel van bekende stijfheid. Vanaf dat punt kan het voorspellen hoe hetzelfde robotontwerp zich zal gedragen in compleet andere weefseltypes, zonder verdere tests.

Het team valideerde dit eerst in gelatine, en vervolgens in echt hersenweefsel van schapen. Zonder bloedstroom bleef de robot in de pas met de magneet tot ongeveer 1,8 omwentelingen per seconde. Maar zodra er bloed door de vaten werd gepompt om een levend brein na te bootsen, zakte die grens tot onder de 0,45 omwentelingen per seconde — de extra druk zorgde ervoor dat het weefsel harder terugduwde.

In de praktijk boorde de robot met een voorzichtige 0,2 millimeter per seconde het hersenweefsel in. Terugkomen ging veel sneller: door zijn eigen pad terug te volgen, bewoog hij met 2,9 millimeter per seconde, omdat er geen nieuw kanaal meer hoefde te worden uitgesneden. Met behulp van real-time cameratracking stuurden de onderzoekers de robot ook naar specifieke doelen in een zacht gelmodel van de hersenen, waarbij ze in sommige gevallen een nauwkeurigheid van minder dan een millimeter behaalden.

Wat volgt

Het onderzoek, gepubliceerd in Advanced Science, werd uitgevoerd bij het TechMed Centre en MESA+ instituut van de UT, samen met het team van Michiel Warlé van het Radboudumc. De biocompatibele coating van de robot werd ontwikkeld met het Enschedese bedrijf LipoCoat B.V., met internationale bijdragen van de German University in Cairo, Triticum Medical en de Hebrew University of Jerusalem.

Er is nog een lange weg te gaan van labweefsel naar een menselijke schedel, maar de doorbraak brengt magnetisch gestuurde microrobots een stap dichter bij het bereiken van de moeilijkst behandelbare plekken in de hersenen, zonder ooit een grote snede te hoeven maken.