Los microrobots encuentran su camino
Los investigadores han desarrollado un microrobot capaz de transportar fármacos a lugares específicos del cuerpo, con potencial para su uso en hospitales en un futuro próximo
Cada año, 12 millones de personas en todo el mundo sufren un ictus; muchas mueren o quedan discapacitadas permanentemente. Actualmente se administran fármacos para disolver el trombo que obstruye el vaso sanguíneo. Estos fármacos se diseminan por todo el cuerpo, lo que significa que hay que administrar una dosis elevada para garantizar que la cantidad necesaria llegue al trombo. Esto puede provocar efectos secundarios graves, como hemorragias internas. Dado que a menudo los medicamentos sólo se necesitan en zonas concretas del cuerpo, la investigación médica lleva tiempo buscando una forma de utilizar microrobots para administrar fármacos allí donde se necesitan: en el caso de un ictus, directamente al trombo relacionado con el ictus. Ahora, un equipo de investigadores de la ETH de Zúrich ha logrado importantes avances a varios niveles. Han publicado sus hallazgos en Science.
Así de pequeño es el último microrobot de ETH.
Luca Donati / ETH Zürich
Nanopartículas de precisión
El microrobot que utilizan los investigadores consta de una cápsula esférica patentada hecha de una cubierta de gel soluble que pueden controlar con imanes y guiar por el cuerpo hasta su destino. Las nanopartículas de óxido de hierro de la cápsula aportan las propiedades magnéticas. "Como los vasos del cerebro humano son tan pequeños, el tamaño de la cápsula es limitado. El reto técnico es garantizar que una cápsula tan pequeña tenga también suficientes propiedades magnéticas", explica Fabian Landers, autor principal del artículo e investigador postdoctoral en el Laboratorio de Robótica a Escala Múltiple de la ETH de Zúrich.
El microrobot también necesita un agente de contraste para que los médicos puedan seguir con rayos X cómo se desplaza por los vasos. Los investigadores se centraron en las nanopartículas de tantalio, de uso habitual en medicina pero más difíciles de controlar por su mayor densidad y peso. "Combinar la funcionalidad magnética, la visibilidad de las imágenes y el control preciso en un solo microrobot requería una sinergia perfecta entre la ciencia de los materiales y la ingeniería robótica, algo que nos ha llevado muchos años conseguir con éxito", afirma el profesor de la ETH Bradley Nelson, que lleva décadas investigando con microrobots. El profesor Salvador Pané, químico del Instituto de Robótica y Sistemas Inteligentes, y su equipo desarrollaron nanopartículas de óxido de hierro de precisión que permiten este delicado equilibrio.
Un catéter especial libera una cápsula cargada de fármaco
Los microrobots también contienen el principio activo que deben administrar. Los investigadores cargaron con éxito los microrobots con fármacos comunes para diversas aplicaciones, en este caso un agente disolvente de trombos, un antibiótico o un medicamento tumoral. Estos fármacos se liberaron mediante un campo magnético de alta frecuencia que calienta las nanopartículas magnéticas, disolviendo la cubierta de gel y el microrobot.
Los investigadores utilizaron una estrategia de dos pasos para acercar el microrobot a su objetivo: primero, lo inyectaron en la sangre o el líquido cefalorraquídeo a través de un catéter. A continuación, utilizaron un sistema de navegación electromagnética para guiar al microrobot magnético hasta el lugar de destino. El diseño del catéter se basa en un modelo comercial con una guía interna conectada a una pinza de polímero flexible. Cuando se empuja más allá de la guía externa, la pinza de polímero se abre y libera el microrobot.
Nadar contra corriente: navegar por los vasos sanguíneos
Para dirigir con precisión los microrobots, los investigadores desarrollaron un sistema modular de navegación electromagnética adecuado para su uso en quirófano. "La velocidad del flujo sanguíneo en el sistema arterial humano varía mucho según el lugar. Esto hace que la navegación de un microrobot sea muy compleja", explica Nelson. Los investigadores combinaron tres estrategias diferentes de navegación magnética que les permitieron navegar por todas las regiones de las arterias de la cabeza.
Esto les permite hacer rodar la cápsula por la pared del vaso mediante un campo magnético giratorio. La cápsula puede ser guiada hasta su objetivo con enorme precisión a una velocidad de 4 milímetros por segundo.
En otro modelo, la cápsula se desplaza utilizando un gradiente de campo magnético: el campo magnético es más intenso en un lugar que en otro. Esto empuja al microrobot en el recipiente hacia el campo más fuerte. La cápsula puede incluso ir a contracorriente, y a una velocidad de flujo considerable, de más de 20 centímetros por segundo. "Es sorprendente la cantidad de sangre que fluye por nuestros vasos y a tan alta velocidad. Nuestro sistema de navegación debe ser capaz de soportar todo eso", afirma Landers.
Cuando el microrobot llega a un punto de los vasos sanguíneos por el que sería difícil maniobrar, entra en juego la navegación dentro del flujo. El gradiente magnético se dirige contra la pared del vaso de tal forma que la cápsula es arrastrada hasta el vaso correcto.
Al integrar estas tres estrategias de navegación, los investigadores consiguen un control eficaz de los microrobots en distintas condiciones de flujo y escenarios anatómicos. En más del 95 por ciento de los casos probados, la cápsula administró con éxito el fármaco en el lugar correcto. "Los campos magnéticos y los gradientes son ideales para los procedimientos mínimamente invasivos porque penetran profundamente en el cuerpo y -
al menos a las intensidades y frecuencias que utilizamos, no tienen efectos perjudiciales para el organismo", explica Nelson.
La innovación no se detiene en la robótica
Para probar los microrobots y su navegación en un entorno realista, los investigadores desarrollaron modelos de silicona que reproducen con exactitud los vasos de pacientes y animales. Estos modelos de vasos son tan realistas que ya se utilizan en la formación médica y son comercializados por Swiss Vascular, empresa derivada de la ETH. "Los modelos son cruciales para nosotros, ya que practicamos mucho para optimizar la estrategia y sus componentes. Eso no se puede hacer con animales", explica Pané. En el modelo, los investigadores fueron capaces de dirigir y disolver un coágulo sanguíneo.
Tras numerosas pruebas con éxito en el modelo, el equipo trató de demostrar lo que el microrobot podía conseguir en condiciones clínicas reales. En primer lugar, pudieron demostrar en cerdos que los tres métodos de navegación funcionan y que el microrobot permanece claramente visible durante todo el procedimiento. En segundo lugar, navegaron con microrobots por el líquido cefalorraquídeo de una oveja. Landers está especialmente satisfecho: "Este complejo entorno anatómico tiene un enorme potencial para nuevas intervenciones terapéuticas, por eso nos entusiasmó tanto que el microrobot fuera capaz de encontrar su camino también en este entorno."
Aplicaciones más allá de las oclusiones vasculares
Además de tratar la trombosis, estos nuevos microrobots también podrían utilizarse para infecciones localizadas o tumores. En todas las fases de desarrollo, el equipo de investigación se ha mantenido centrado en su objetivo: garantizar que todo lo que creen esté listo para su uso en quirófanos lo antes posible. El próximo objetivo es empezar los ensayos clínicos en humanos lo antes posible. Hablando de lo que motiva a todo el equipo, Landers afirma: "Los médicos ya hacen un trabajo increíble en los hospitales. Lo que nos impulsa es saber que disponemos de una tecnología que nos permite ayudar a los pacientes más rápida y eficazmente y darles nuevas esperanzas mediante terapias innovadoras."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Fabian C. Landers, Lukas Hertle, Vitaly Pustovalov, Derick Sivakumaran, Cagatay M. Oral, Oliver Brinkmann, Kirstin Meiners, Pascal Theiler, Valentin Gantenbein, ... Philipp Gruber, Miriam Weisskopf, Quentin Boehler, Salvador Pané, Bradley J. Nelson; "Clinically ready magnetic microrobots for targeted therapies"; Science, Volume 390
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