Microrrobôs à descoberta do seu caminho
Os investigadores desenvolveram um microrrobô capaz de transportar medicamentos para locais específicos do corpo, com potencial para ser utilizado em hospitais num futuro próximo
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Todos os anos, 12 milhões de pessoas em todo o mundo sofrem um AVC; muitas morrem ou ficam permanentemente incapacitadas. Atualmente, são administrados medicamentos para dissolver o trombo que bloqueia o vaso sanguíneo. Estes medicamentos espalham-se por todo o corpo, o que significa que tem de ser administrada uma dose elevada para garantir que a quantidade necessária atinge o trombo. Isto pode causar efeitos secundários graves, como hemorragias internas. Uma vez que os medicamentos são muitas vezes necessários apenas em áreas específicas do corpo, a investigação médica procura há muito tempo uma forma de utilizar microrrobôs para administrar fármacos onde é necessário: no caso de um AVC, diretamente no trombo relacionado com o AVC. Agora, uma equipa de investigadores da ETH Zurich fez grandes progressos a vários níveis. Publicaram as suas descobertas na revista Science.
Este é o tamanho do mais recente microrrobô ETH.
Luca Donati / ETH Zürich
São necessárias nanopartículas de precisão
O microrrobô utilizado pelos investigadores é constituído por uma cápsula esférica patenteada, feita de um invólucro de gel solúvel, que podem controlar com ímanes e guiar através do corpo até ao seu destino. As nanopartículas de óxido de ferro presentes na cápsula conferem-lhe as propriedades magnéticas. "Como os vasos do cérebro humano são muito pequenos, há um limite para o tamanho da cápsula. O desafio técnico é garantir que uma cápsula tão pequena tenha também propriedades magnéticas suficientes", explica Fabian Landers, autor principal do artigo e investigador de pós-doutoramento no Multi-Scale Robotics Lab da ETH Zurich.
O microrrobô também precisa de um agente de contraste para que os médicos possam ver, através de raios X, como se está a mover através dos vasos. Os investigadores centraram-se nas nanopartículas de tântalo, que são habitualmente utilizadas em medicina, mas cujo controlo é mais difícil devido à sua maior densidade e peso. "Combinar a funcionalidade magnética, a visibilidade da imagem e o controlo preciso num único microrrobô exigiu uma sinergia perfeita entre a ciência dos materiais e a engenharia robótica, o que nos levou muitos anos a conseguir", afirma o Professor Bradley Nelson, do ETH, que investiga microrrobôs há décadas. O Professor Salvador Pané, um químico do Instituto de Robótica e Sistemas Inteligentes, e a sua equipa desenvolveram nanopartículas de óxido de ferro de precisão que permitem este delicado ato de equilíbrio.
Cateter especial liberta cápsula carregada com fármaco
Os microrrobôs também contêm o ingrediente ativo que têm de administrar. Os investigadores conseguiram carregar os microrrobôs com medicamentos comuns para uma variedade de aplicações - neste caso, um agente dissolvente de trombos, um antibiótico ou um medicamento para tumores. Estes fármacos foram libertados por um campo magnético de alta frequência que aquece as nanopartículas magnéticas, dissolvendo o invólucro de gel e o microrrobô.
Os investigadores utilizaram uma estratégia em duas fases para aproximar o microrrobô do seu alvo: primeiro, injectaram o microrrobô no sangue ou no líquido cefalorraquidiano através de um cateter. Em seguida, utilizaram um sistema de navegação electromagnética para guiar o microrrobô magnético até ao local de destino. O design do cateter baseia-se num modelo disponível no mercado com um fio-guia interno ligado a uma pinça de polímero flexível. Quando empurrado para além da guia externa, a pinça de polímero abre-se e liberta o microrrobô.
Nadar contra a corrente - navegar nos vasos sanguíneos
Para dirigir com precisão os microrrobôs, os investigadores desenvolveram um sistema modular de navegação electromagnética adequado para utilização no bloco operatório. "A velocidade do fluxo sanguíneo no sistema arterial humano varia muito consoante a localização. Isto torna a navegação de um microrrobô muito complexa", explica Nelson. Os investigadores combinaram três estratégias de navegação magnética diferentes que lhes permitiram navegar em todas as regiões das artérias da cabeça.
Isto permite-lhes fazer rolar a cápsula ao longo da parede do vaso utilizando um campo magnético rotativo. A cápsula pode ser guiada até ao seu alvo com enorme precisão a uma velocidade de 4 milímetros por segundo.
Num modelo diferente, a cápsula é movida através de um gradiente de campo magnético: o campo magnético é mais forte num local do que noutro. Isto puxa o microrrobô no recipiente em direção ao campo mais forte. A cápsula pode mesmo ir contra a corrente - e a uma velocidade de fluxo considerável de mais de 20 centímetros por segundo. "É notável a quantidade de sangue que flui através dos nossos vasos e a uma velocidade tão elevada. O nosso sistema de navegação tem de ser capaz de suportar tudo isso", diz Landers.
Quando o microrrobô chega a uma junção nos vasos que seria difícil de manobrar, entra em ação a navegação em fluxo. O gradiente magnético é dirigido contra a parede do vaso de forma a que a cápsula seja transportada para o vaso correto.
Ao integrar estas três estratégias de navegação, os investigadores obtêm um controlo eficaz sobre os microrrobôs em várias condições de fluxo e cenários anatómicos. Em mais de 95 por cento dos casos testados, a cápsula conseguiu introduzir o medicamento no local correto. "Os campos magnéticos e os gradientes são ideais para procedimentos minimamente invasivos, porque penetram profundamente no corpo e - pelo menos com as forças e as frequências que são utilizadas - são capazes de fornecer o fármaco no local correto.
pelo menos com as forças e frequências que utilizamos - não têm qualquer efeito prejudicial no corpo", explica Nelson.
A inovação não se fica pela robótica
Para testar os microrrobôs e a sua navegação num ambiente realista, os investigadores desenvolveram modelos de silicone que reproduzem com precisão os vasos de doentes e animais. Estes modelos de vasos são tão realistas que estão agora a ser utilizados na formação médica e estão a ser comercializados pela Swiss Vascular, uma empresa spin-off da ETH. "Os modelos são cruciais para nós, uma vez que praticámos extensivamente para otimizar a estratégia e os seus componentes. Não é possível fazer isso com animais", explica Pané. No modelo, os investigadores conseguiram atingir e dissolver um coágulo sanguíneo.
Após numerosos ensaios bem sucedidos no modelo, a equipa procurou demonstrar o que o microrrobô poderia alcançar em condições clínicas reais. Em primeiro lugar, conseguiram demonstrar em porcos que os três métodos de navegação funcionam e que o microrrobô permanece claramente visível durante todo o procedimento. Em segundo lugar, navegaram com microrrobôs através do fluido cerebral de uma ovelha. Landers está particularmente satisfeito: "Este ambiente anatómico complexo tem um enorme potencial para outras intervenções terapêuticas, razão pela qual ficámos tão entusiasmados com o facto de o microrrobô ter conseguido encontrar o seu caminho também neste ambiente".
Aplicações para além das oclusões vasculares
Para além de tratar a trombose, estes novos microrrobôs podem também ser utilizados para infecções ou tumores localizados. Em todas as fases do desenvolvimento, a equipa de investigação manteve-se concentrada no seu objetivo: garantir que tudo o que criam está pronto para ser utilizado nos blocos operatórios o mais rapidamente possível. O próximo objetivo é iniciar ensaios clínicos em humanos o mais rapidamente possível. Falando sobre o que motiva toda a equipa, Landers diz: "Os médicos já estão a fazer um trabalho incrível nos hospitais. O que nos motiva é saber que dispomos de uma tecnologia que nos permite ajudar os doentes de forma mais rápida e eficaz e dar-lhes uma nova esperança através de terapias inovadoras".
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação 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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