Microrobôs em enxames para embolização médica

Manutenção da integridade do enxame nas junções alvo. (A) Esquemas que ilustram o uso de enxames de partículas magnéticas para bloquear as junções dentro de uma região alvo. (B) Análise esquemática das forças exercidas nas partículas de ponta. Os círculos marrons indicam partículas magnéticas. Os círculos pontilhados pretos denotam as partículas de ponta. As forças de interação magnética e sua força de interação resultante são indicadas por setas azuis finas e uma seta azul grossa, respectivamente. A força de arrasto fluídico e a força de reação são indicadas por setas vermelhas grossas. γ é o ângulo de ramificação da junção. θ é o ângulo entre a força de interação magnética e o eixo x. As configurações de partículas em junções com diferentes ângulos de ramificação são demonstradas nas caixas verdes. As regiões roxas representam as paredes das junções. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Agentes microrobóticos podem formar enxames de entrega de drogas direcionadas para análises de imagem aprimoradas. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Junhui Law e uma equipe de pesquisadores em engenharia mecânica e industrial, inteligência artificial e engenharia biomédica da Universidade de Toronto e da Universidade de Xangai, na China, desviaram-se do processo típico de terapia medicamentosa para facilitar a embolização de enxames. O processo é uma técnica médica usada para bloquear os vasos sanguíneos durante o tratamento de trombose e malformações arteriovenosas. Os enxames de partículas magnéticas oferecem embolização mais precisa e podem manter a integridade do enxame dentro de uma região alvo sob condições de fluxo fluídico. Com base em experimentos em canais microfluídicos, tecidos ex vivo e rins suínos in vivo, Law e a equipe validaram a eficácia da estratégia proposta para embolização seletiva.
Enxames coletivos

Comportamentos coletivos são onipresentes na natureza, onde cardumes de peixes e enxames de insetos podem realizar tarefas complexas. Os bioengenheiros são inspirados pela inteligência coletiva em enxames naturais para desenvolver uma variedade de microrrobôs para diversas aplicações. Neste trabalho, os pesquisadores desenvolveram uma estratégia de atuação para integrar enxames de partículas magnéticas para embolizar com precisão o fluxo sanguíneo dentro de uma região-alvo para embolização seletiva em um modelo animal. O trabalho forneceu uma visão mais profunda e um estudo de prova de conceito para entender o comportamento de enxames micro-robóticos sob condições fisiológicas.

Integridade do enxame durante o fluxo

A equipe de pesquisa alcançou a embolização seletiva gerando enxames microrobóticos sob demanda para bloquear os vasos sanguíneos em uma região-alvo. Eles usaram partículas superparamagnéticas com diâmetros menores que os glóbulos vermelhos e brancos para sua distribuição nos capilares sanguíneos. Os pesquisadores revestiram as micropartículas em trombina para converter o fibrinogênio solúvel no sangue em malhas de fibrina para conter glóbulos vermelhos com as partículas.
A equipe observou como os enxames se dividem sob o fluxo devido a interações fracas entre as partículas. A equipe de pesquisa manteve a integridade do enxame dentro dos canais microfluídicos sob condições fisiologicamente relevantes, incluindo ramificação dos vasos sanguíneos e fluxo sanguíneo. Eles então modelaram um enxame em uma junção para entender as relações entre o ângulo de ramificação, a taxa de fluxo e a integridade do enxame em relação à força do campo magnético. Enquanto os enxames se dividem quando a intensidade do campo magnético aplicado é menor que o valor calculado, os enxames mantêm sua integridade em uma junção quando a intensidade do campo magnético aplicado é maior que o valor calculado.

Validações experimentais para o modelo. (A e B) A relação entre a intensidade crítica do campo magnético Bcrítico e a taxa de fluxo em junções com diferentes ângulos de ramificação γ em sangue total suíno e PBS, respectivamente. (C e D) A integridade dos enxames quando a intensidade do campo magnético aplicado foi menor e maior que Bcrítico, respectivamente. Barra de escala, 20 μm. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Manutenção seletiva da integridade do enxame

Os cientistas procuraram desenvolver baixa força de campo magnético para embolização seletiva para degradar a integridade dos enxames e evitar bloqueios não intencionais. Eles mantiveram uma estratégia de atuação para a integridade sustentada do enxame dentro de uma região-alvo. Apesar de alterar as distribuições do campo magnético, a equipe manteve a alta intensidade do campo magnético na região alvo. Os enxames que se formaram fora da região alvo encontraram campos magnéticos de baixa intensidade e, portanto, não puderam manter sua integridade. Os cientistas validaram a estratégia de atuação proposta por meio de experimentos.

Embolização em canais microfluídicos e estudos de prova de conceito

A equipe de pesquisa testou a eficácia do uso de enxames de partículas magnéticas para bloquear o fluxo sanguíneo e mediu a taxa de fluxo sanguíneo em diferentes condições. Eles garantiram a visibilidade sob microscopia óptica diluindo o fluxo sanguíneo suíno em canais microfluídicos com 120⁰ ângulos de ramificação. A equipe mediu a taxa de fluxo calculando a velocidade dos glóbulos vermelhos para entender a taxa de fluxo média, que atingiu uma média de 84 µm/s. Os cientistas demonstraram uma estratégia de atuação em conjunto com partículas magnéticas revestidas de trombina para embolização seletiva com bloqueio não intencional mínimo além de uma região alvo. Eles então conduziram experimentos de prova de conceito em um vaso sanguíneo suíno ex-vivo usando enxames microrobóticos e imagens de um vaso sanguíneo com um ângulo de ramificação de 30 graus por meio de um sistema de imagem de ultrassom. Além disso, eles injetaram partículas magnéticas revestidas de trombina no vaso sanguíneo a uma taxa de fluxo de 80 µm/s e notaram um ponto brilhante na junção indicando a formação de um enxame para confirmar a embolização do vaso sanguíneo através do enxame. Após estudos ex vivo, a equipe testou a estratégia proposta para embolização seletiva em rins suínos in vivo para realizar a embolização seletiva.

Estratégia de atuação para manutenção seletiva da integridade do enxame e validação experimental. (A) Ilustração esquemática da estratégia de atuação proposta. Os círculos pretos indicam a região de destino. As bobinas marrom e branca são as bobinas dominantes e auxiliares, respectivamente. As linhas pretas separam o espaço de trabalho em regiões com intensidades de campo magnético maiores e menores que Bcrítico. A seta preta indica a direção do fluxo. (B) Ilustração esquemática das regiões alvo e não alvo descritas na busca de força bruta. O círculo preto indica a região de destino. O raio rQ e a posição central PQ da região alvo são rotulados. As sub-regiões não segmentadas U1, U2, U3 e U4 são destacadas com cores diferentes. (C) Taxa de sucesso experimental da estratégia proposta na manutenção da integridade do enxame em três casos. Os dados experimentais em cada pequeno quadrado foram medidos a partir de canais microfluídicos independentes e quatro experimentos foram repetidos para determinar a taxa de sucesso. Os círculos pretos indicam as regiões de destino. (D) Distribuição espacial experimental de locais com taxa de sucesso de 75% e acima em três casos. A inserção esquerda mostra uma junção vazia indicando que os enxames foram divididos, e a inserção direita mostra um enxame mantido com sucesso em uma junção. Os círculos pretos indicam as regiões de destino. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolização em canais microfluídicos. (A) Diferentes condições para reduzir a taxa de fluxo sanguíneo. As taxas de fluxo foram medidas quando as condições foram mantidas ativadas por 10 min. As barras de erro representam o SD de 10 tentativas. MPs denotam partículas magnéticas. (B) Imagem de microscopia eletrônica de varredura de um enxame de coagulação. Para visualização, hemácias suínas, malhas de fibrina e partículas magnéticas foram coloridas artificialmente em vermelho, verde e azul, respectivamente. Barra de escala, 2 μm. (C) Resultados experimentais de embolização em microcanais usando partículas magnéticas revestidas com trombina. Barra de escala, 20 μm. (D) A vazão de entrada de sangue suíno diluído nos canais microfluídicos (vazão média:83 μm/s). (E) Taxa de fluxo medida experimentalmente nos canais microfluídicos sob diferentes condições de embolização. As taxas de fluxo foram medidas quando as condições foram mantidas ativadas por 10 min. Para (D) e (E), os dados em cada pequeno quadrado foram medidos a partir de canais microfluídicos independentes e três experimentos foram conduzidos para obter uma taxa de fluxo média. Os círculos pretos indicam a região de destino. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolização em órgãos suínos. (A) Formação de um enxame de coagulação na junção de um vaso sanguíneo suíno ex vivo. As linhas tracejadas vermelhas delineiam o vaso sanguíneo e a junção, e a linha tracejada amarela descreve o enxame de coagulação. A seta verde mostra a direção do fluxo das microbolhas. Barra de escala, 10 mm. (B) Esquema ilustrando o local de injeção de um omento porcino ex vivo em experimentos. As setas pretas indicam a direção do fluxo. (C) Embolização seletiva na rede de vasos sanguíneos de um omento suíno ex vivo com a região alvo centrada em (5 mm, -5 mm). Os círculos pretos indicam a região alvo, as setas vermelhas indicam a direção do fluxo sanguíneo e as setas azuis indicam a direção do fluxo do corante azul. (D) Imagem de microscopia óptica mostrando um enxame formado na junção alvo de um omento suíno ex vivo. As linhas tracejadas vermelhas delineiam o vaso sanguíneo e a junção, e as linhas tracejadas amarelas delineiam o enxame de partículas magnéticas. Barra de escala, 200 μm. (E) Resultados da angiografia por subtração digital de rins suínos in vivo sob diferentes condições de embolização. Os círculos pontilhados laranja indicam as regiões de destino. Barra de escala, 50 mm. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Perspectivas

Desta forma, Junhui Law e colegas desenvolveram uma estratégia de atuação para regular enxames de partículas magnéticas para embolização seletiva. Os enxames microrobóticos formados por meio da estratégia de atuação fornecem uma solução potencial para embolização seletiva na clínica para evitar complicações decorrentes de mecanismos de embolização não seletivos. + Explorar mais