Microrobot delle dimensioni di un capello combinano tre funzioni antitumorali nei test preclinici sugli animali.

Immaginate un futuro in cui la cura del cancro agisca solo sul tumore, in cui le iniezioni agli occhi non siano più necessarie e gli interventi chirurgici al cervello non comportino grandi incisioni o lunghi tempi di recupero. È a questo futuro che stanno lavorando i ricercatori della Michigan State University.

Il loro obiettivo è quello di rendere le cure mediche più agevoli per i pazienti utilizzando minuscoli strumenti biodegradabili in grado di viaggiare all’interno del corpo e somministrare il trattamento esattamente dove è necessario. Questi strumenti, chiamati microrobot, sono progettati per ridurre il dolore, limitare gli effetti collaterali e favorire una guarigione più rapida.

In uno studio condotto in collaborazione con Henry Ford Health e l’Arizona State University, i ricercatori della MSU hanno presentato un innovativo microrobot chiamato TriMag . La particolarità di TriMag risiede nella combinazione di tre potenti funzionalità in un unico dispositivo microscopico: può essere guidato con precisione all’interno del corpo tramite campi magnetici, tracciato in tempo reale con tecniche di imaging avanzate e riscaldato delicatamente per distruggere le cellule tumorali, il tutto senza intervento chirurgico.

Sebbene i microrobot TriMag siano ancora in fase di sperimentazione preclinica iniziale, questo progresso rappresenta un passo importante verso trattamenti più rispettosi del paziente. Riunendo molteplici funzionalità in un unico dispositivo più piccolo di un capello umano, questa ricerca apre la strada a una somministrazione di farmaci più precisa, a immagini più nitide e a terapie oncologiche più mirate, a vantaggio del comfort e della guarigione del paziente.

Secondo il ricercatore principale Jinxing Li, professore assistente emerito Red Cedar presso il College of Engineering della MSU e ricercatore principale presso l’Istituto per le Scienze e l’Ingegneria della Salute Quantitativa della MSU, gli attuali microrobot non funzionano bene all’interno del corpo umano perché non sono in grado di fornire immagini localizzate accurate in tempo reale attraverso tessuti o organi. Inoltre, l’interpretazione delle informazioni provenienti dai microrobot odierni risulta complessa.

“Ora, grazie alla progettazione microrobotica avanzata e agli strumenti di imaging, possiamo costruire, tracciare e attivare in modo affidabile i microrobot in profondità nel corpo umano”, ha affermato Li. “La versatilità del design TriMag apre le porte a trattamenti prima impossibili.”

Se utilizzati a scopo medico, i microrobot potrebbero essere iniettati o ingeriti. Potrebbero anche essere applicati sulla pelle del paziente, a seconda della procedura. Dei magneti posizionati all’esterno del corpo del paziente consentirebbero ai microrobot di “nuotare” ed essere “guidati” verso bersagli precisi.

La microscopia a particelle magnetiche traccia con precisione i microrobot nei tessuti profondi e produce immagini tridimensionali in tempo reale, senza radiazioni né interferenze da parte di organi o ossa. Inoltre, il riscaldamento magnetico per i trattamenti oncologici può essere utilizzato per distruggere le cellule tumorali con un processo altamente mirato che protegge i tessuti circostanti. Poiché i microrobot riscaldano solo i tumori cancerosi e non gli organi sani, i trattamenti oncologici potrebbero diventare più mirati e meno invasivi.

“La struttura dei microrobot si ispira alla natura e imita gli spermatozoi sia nella forma che nel movimento”, ha aggiunto Li. “Le cellule naturali, capaci di muoversi autonomamente, si comportano bene in un ambiente viscoso come il corpo umano. I nostri risultati dimostrano che anche i microrobot possono muoversi agevolmente nei fluidi biologici svolgendo diverse attività.”

Oltre al trattamento dei tumori cancerosi, i microrobot potrebbero rendere i trattamenti oculari meno invasivi e più precisi, poiché i medici potrebbero guidarli esattamente nel punto da trattare, anziché iniettare farmaci nel bulbo oculare. Le immagini preoperatorie potrebbero essere più sicure grazie all’utilizzo di microrobot per il trasporto di agenti di contrasto. Anche gli interventi chirurgici cerebrali complessi potrebbero risultare meno invasivi.

“I microrobot si preannunciano promettenti anche per interventi chirurgici complessi al cervello”, ha affermato Ian Lee, neurochirurgo presso l’Henry Ford Health e uno dei coautori dello studio. “Offrono un modo meno invasivo per operare su delicate strutture cerebrali umane. Una minore invasività si traduce in una ripresa più rapida per i pazienti. Inoltre, i microrobot potrebbero rendere molte procedure attuali meno dolorose.”

Dispositivi di queste dimensioni richiedono un’estrema precisione per essere utili alla cura dei pazienti e alla ricerca biologica. I ricercatori della MSU hanno realizzato i microrobot TriMag utilizzando una stampante 3D ad alta precisione presso l’IQ 3D Printing Core.

“Quando il compito del microrobot è terminato, si biodegrada in modo sicuro”, ha spiegato Li. “Sono realizzati con polimeri commestibili, simili ai materiali utilizzati nelle capsule di farmaci solubili, e minuscole particelle di ossido di ferro. Il corpo li scompone e i loro componenti vengono utilizzati naturalmente, come il ferro per l’emoglobina, oppure eliminati attraverso i normali processi biologici.”

I microrobot sono stati testati in fluidi biologici e su modelli animali. Sebbene le sperimentazioni sull’uomo siano ancora lontane, i ricercatori affermano che questa innovazione fornisce una delle piattaforme più solide finora disponibili per lo sviluppo di microrobot che potrebbero raggiungere l’uso clinico.

Abstract

I microrobot possiedono un immenso potenziale nelle applicazioni biomediche, tra cui la somministrazione di farmaci, la diagnostica delle malattie e la chirurgia minimamente invasiva. Tuttavia, due sfide chiave ne ostacolano la traslazione clinica: raggiungere una fabbricazione scalabile e di precisione e consentire l’imaging e il tracciamento non invasivi all’interno di tessuti biologici profondi. L’imaging di particelle magnetiche (MPI), una modalità di imaging all’avanguardia, affronta queste sfide rilevando la magnetizzazione delle nanoparticelle e visualizzando le nanoparticelle superparamagnetiche (SPION) con una risoluzione sub-millimetrica, senza interferenze da parte dei tessuti biologici. Questa capacità rende l’MPI uno strumento ideale per il tracciamento di microrobot magnetici in ambienti tissutali profondi. In questo studio, vengono introdotti i microrobot “TriMag”: microrobot stampati in 3D con tre funzionalità magnetiche integrate: attuazione magnetica, imaging di particelle magnetiche e ipertermia magnetica. I microrobot TriMag sono fabbricati utilizzando un metodo innovativo che combina la litografia a due fotoni per la stampa 3D di strutture di idrogel biocompatibili con reazioni chimiche in situ per incorporare lo scaffold di idrogel con Fe _Fe₃O₄ Nanoparticelle di _CoFe₂O₄ per un buon contrasto MPI e _per un riscaldamento magnetotermico efficiente. Questo _{nanoparticelle di} approccio consente la fabbricazione scalabile e precisa di microrobot elicoidali in idrogel magnetico. I microrobot TriMag risultanti, con gli effetti sinergici delle nanoparticelle di Fe₃O₄ _, magnetica per il movimento controllato, un’imaging precisa tramite MPI per l’imaging e il _CoFe₂O₄ dimostrano _{un’efficiente} attuazione _e tracciamento in fluidi e organi biologici, tra cui occhio di maiale e stomaco di topo, e un riscaldamento magnetotermico per l’ablazione tumorale in un modello murino. Combinando queste capacità, l’approccio di fabbricazione e imaging fornisce una piattaforma robusta per il monitoraggio e la manipolazione non invasivi di microrobot per applicazioni rivoluzionarie nel trattamento medico e nella ricerca biologica.

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