Os microrrobôs têm o potencial de revolucionar a medicina. Pesquisadores do Max Planck ETH Center for Learning Systems desenvolveram agora uma técnica de imagem que pela primeira vez reconhece microrrobôs do tamanho de células individualmente e em alta resolução em um organismo vivo.
Como um coágulo de sangue pode ser removido do cérebro sem qualquer intervenção cirúrgica importante? Como uma droga pode ser administrada precisamente em um órgão doente que é difícil de alcançar? Esses são apenas dois exemplos das inúmeras inovações vislumbradas pelos pesquisadores da área de microrobótica médica. Pequenos robôs prometem mudar fundamentalmente os futuros tratamentos médicos:um dia, eles poderão se mover pela vasculatura do paciente para eliminar malignidades, combater infecções ou fornecer informações de diagnóstico precisas de forma totalmente não invasiva. Em princípio, argumentam os pesquisadores, o sistema circulatório pode servir como uma via de entrega ideal para os microrrobôs, já que atinge todos os órgãos e tecidos do corpo.

Para que esses microrrobôs possam realizar as intervenções médicas pretendidas com segurança e confiabilidade, eles não devem ser maiores que uma célula biológica. Em humanos, uma célula tem um diâmetro médio de 25 micrômetros – um micrômetro é um milionésimo de um metro. Os menores vasos sanguíneos humanos, os capilares, são ainda mais finos:seu diâmetro médio é de apenas 8 micrômetros. Os microrrobôs devem ser correspondentemente pequenos para que possam passar pelos menores vasos sanguíneos sem impedimentos. No entanto, um tamanho tão pequeno também os torna invisíveis a olho nu – e a ciência também ainda não encontrou uma solução técnica para detectar e rastrear os robôs de tamanho mícron individualmente enquanto circulam no corpo.

Rastreando microrrobôs circulantes pela primeira vez

“Antes que esse cenário futuro se torne realidade e os microrrobôs sejam realmente usados ​​em humanos, a visualização e o rastreamento precisos dessas pequenas máquinas são absolutamente necessários”, diz Paul Wrede, doutorando no Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS) .

"Sem imagens, a microrrobótica é essencialmente cega", acrescenta Daniel Razansky, professor de imagem biomédica da ETH Zurich e da Universidade de Zurique e membro do CLS. “As imagens de alta resolução em tempo real são, portanto, essenciais para detectar e controlar microrrobôs do tamanho de células em um organismo vivo”. Além disso, a imagem também é um pré-requisito para monitorar as intervenções terapêuticas realizadas pelos robôs e verificar se eles realizaram sua tarefa conforme o esperado. “A falta de capacidade de fornecer feedback em tempo real sobre os microrrobôs foi, portanto, um grande obstáculo no caminho para a aplicação clínica”.

Juntamente com Metin Sitti, um especialista em microrobótica líder mundial que também é membro do CLS como Diretor do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) e Professor de Inteligência Física da ETH, e outros pesquisadores, a equipe agora alcançou um importante avanço na fusão eficiente de microrobótica e imagem. Em um estudo recém publicado na revista científica Science Advances , eles conseguiram pela primeira vez detectar e rastrear claramente pequenos robôs tão pequenos quanto cinco micrômetros em tempo real nos vasos cerebrais de camundongos usando uma técnica de imagem não invasiva.

Os pesquisadores usaram microrrobôs com tamanhos que variam de 5 a 20 micrômetros. Os menores robôs são do tamanho de glóbulos vermelhos, que têm de 7 a 8 micrômetros de diâmetro. Esse tamanho possibilita que os microrrobôs injetados por via intravenosa viajem até mesmo pelos microcapilares mais finos do cérebro do camundongo.

Os pesquisadores também desenvolveram uma tecnologia de tomografia optoacústica dedicada para detectar os minúsculos robôs um por um, em alta resolução e em tempo real. Esse método de imagem exclusivo torna possível detectar os minúsculos robôs em regiões profundas e de difícil acesso do corpo e do cérebro, o que não seria possível com microscopia óptica ou qualquer outra técnica de imagem. O método é chamado optoacústico porque a luz é primeiramente emitida e absorvida pelo respectivo tecido. A absorção então produz pequenas ondas de ultrassom que podem ser detectadas e analisadas para resultar em imagens volumétricas de alta resolução.

Robôs com cara de Janus com camada de ouro

Para tornar os microrrobôs altamente visíveis nas imagens, os pesquisadores precisavam de um material de contraste adequado. Para o estudo, eles usaram microrrobôs esféricos à base de partículas de sílica com um chamado revestimento do tipo Janus. Este tipo de robô tem um design muito robusto e está muito bem qualificado para tarefas médicas complexas. É nomeado após o deus romano Janus, que tinha duas faces. Nos robôs, as duas metades da esfera são revestidas de forma diferente. No estudo atual, os pesquisadores revestiram metade do robô com níquel e a outra metade com ouro.

"O ouro é um agente de contraste muito bom para imagens optoacústicas", explica Razansky, "sem a camada dourada, o sinal gerado pelos microrrobôs é fraco demais para ser detectado". Além do ouro, os pesquisadores também testaram o uso de pequenas bolhas chamadas nanolipossomas, que continham um corante verde fluorescente que também servia como agente de contraste. "Os lipossomas também têm a vantagem de que você pode carregá-los com drogas potentes, o que é importante para futuras abordagens de entrega de drogas direcionadas", diz Wrede, o primeiro autor do estudo. Os usos potenciais de lipossomas serão investigados em um estudo de acompanhamento.

Além disso, o ouro também permite minimizar o efeito citotóxico do revestimento de níquel – afinal, se no futuro os microrrobôs vão operar em animais vivos ou humanos, eles devem ser biocompatíveis e não tóxicos, o que faz parte de uma pesquisa em andamento . No presente estudo, os pesquisadores usaram níquel como meio de acionamento magnético e um simples ímã permanente para puxar os robôs. Em estudos de acompanhamento, eles querem testar a imagem optoacústica com manipulações mais complexas usando campos magnéticos rotativos.

“Isso nos daria a capacidade de controlar e mover com precisão os microrrobôs, mesmo em sangue com fluxo forte”, diz Metin Sitti. "No presente estudo nos concentramos em visualizar os microrrobôs. O projeto foi um tremendo sucesso graças ao excelente ambiente colaborativo no CLS que permitiu combinar a experiência dos dois grupos de pesquisa do MPI-IS em Stuttgart para a parte robótica e ETH Zurich para a parte de imagem", conclui Sitti. + Explorar mais

Pequenos robôs biohíbridos para entrega inteligente de medicamentos