هر سال حدود ۱۲ میلیون نفر در جهان دچار سکته می‌شوند. بسیاری جان خود را از دست می‌دهند، بسیاری دیگر با ناتوانی طولانی‌مدت مانند مشکلات گفتاری یا فلج زندگی می‌کنند. درمان‌ها وجود دارند، اما کامل نیستند.
پزشکان معمولاً از داروهای حل‌کننده لخته خون استفاده می‌کنند. این داروها در سراسر بدن پخش می‌شوند، نه فقط محل انسداد.
برای اینکه مقدار کافی دارو به لخته برسد، باید دوز بالا تجویز شود که می‌تواند عوارض جدی مانند خونریزی داخلی ایجاد کند. در حالی که دارو فقط برای یک نقطه کوچک لازم است، همه اعضا در معرض آن قرار می‌گیرند.
چرا درمان سکته به ابزار هوشمندتری نیاز دارد؟
پژوهشگران سال‌ها به دنبال یک ایده ساده بوده‌اند: ارسال ماشین‌های بسیار کوچک به داخل بدن که دارو را دقیقاً به محل مشکل برسانند.
در درمان سکته، این یعنی هدایت یک دستگاه حامل دارو به سمت لخته در مغز به جای پخش دارو در تمام بدن.
چنین ارسال هدفمند می‌تواند کاربردهای دیگری هم داشته باشد، از درمان عفونت‌های عمیق گرفته تا رساندن داروهای ضدسرطان بدون آسیب به بافت سالم.
برای رسیدن به این هدف، میکروربات باید بتواند در رگ‌های باریک، پیچ‌خورده و پرفشار حرکت کند و محموله خود را دقیقاً در زمان درست آزاد کند.
میکرورباتی با یک پوسته ژلی هوشمند
در ETH زوریخ، یک تیم فعال در حوزه میکرورباتیک، سامانه‌ای ساخته است که با یک کپسول کروی کوچک از جنس ژل آغاز می‌شود؛ ژلی که پس از ورود به بدن قابل‌حل است.
این کپسول با نانوذرات اکسید آهن پر شده تا بتوان آن را با میدان مغناطیسی درون رگ‌ها کشید و چرخاند.
سرپرست مطالعه، فابین لندرز، پژوهشگر پسادکترا در آزمایشگاه Multi-Scale Robotics ETH است.
«چون رگ‌های مغز بسیار باریک هستند، اندازه کپسول محدود است. چالش فنی این است که کپسول با این اندازه کوچک، همچنان خواص مغناطیسی کافی داشته باشد.» — فابین لندرز
چگونه کپسول در بدن ردیابی می‌شود؟
برای اینکه پزشکان بتوانند کپسول را درون بدن ببینند، باید در تصویربرداری اشعه ایکس قابل مشاهده باشد. تیم تحقیق از نانوذرات تانتالیم به‌عنوان ماده کنتراست استفاده می‌کند؛ ماده‌ای سنگین و مقاوم‌تر از اکسید آهن و رایج در پزشکی.
برادلی نلسون، استاد رباتیک و سیستم‌های هوشمند، دهه‌هاست روی میکروربات‌ها پژوهش می‌کند.
«ترکیب قابلیت مغناطیسی، قابلیت تصویربرداری و کنترل دقیق در یک میکروربات نیازمند هماهنگی کامل بین علوم مواد و مهندسی رباتیک بود که سال‌ها طول کشید.» — پروفسور نلسون
رساندن مستقیم داروهای سکته
این کپسول‌ها خالی نیستند. پژوهشگران پیشاپیش آن‌ها را با داروهای واقعی بیمارستانی پر کرده‌اند؛ از جمله داروی حل‌کننده لخته، آنتی‌بیوتیک و داروی ضدسرطان.
پوسته ژلی مانند یک محفظه عمل می‌کند و دارو را تا لحظه رسیدن به هدف نگه می‌دارد.
برای آزاد کردن دارو، تیم از میدان مغناطیسی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. این میدان نانوذرات آهن داخل کپسول را کمی گرم می‌کند تا پوسته ژلی ذوب شود.
پس از حل شدن پوسته، میکروربات از هم می‌پاشد و دارو مستقیماً در بافت هدف پخش می‌شود.
ورود میکروربات به بدن و هدایت آن
ورود کپسول به بدن با استفاده از کاتتر انجام می‌شود؛ ابزاری که در درمان سکته نیز رایج است. پژوهشگران کاتتری ویژه طراحی کرده‌اند که درون آن یک گاید وایر با یک گیره انعطاف‌پذیر قرار دارد.
میکروربات درون این گیره قرار می‌گیرد. هنگامی که پزشک گاید وایر را کمی به بیرون هل می‌دهد، گیره باز و کپسول وارد جریان خون یا مایع مغزی نخاعی می‌شود.
اما سخت‌ترین بخش، هدایت کپسول است.
«سرعت جریان خون بسته به موقعیت بسیار متفاوت است. این مسأله هدایت میکروربات را پیچیده می‌کند.» — نلسون
برای حل این مشکل، تیم یک سامانه ناوبری الکترومغناطیسی ماژولار مناسب اتاق عمل ساخته است که می‌تواند میدان‌های مغناطیسی را در لحظه در اطراف سر بیمار شکل بدهد.
شنا در خلاف جریان خون
این سامانه سه روش مغناطیسی ترکیبی دارد. یکی از روش‌ها ایجاد میدان مغناطیسی چرخشی است تا کپسول روی دیواره رگ غلت بزند و با سرعت حدود ۰٫۱۶ اینچ بر ثانیه با دقت بالا حرکت کند.
در روش دیگر، گرادیان مغناطیسی کپسول را به سمت ناحیه دارای میدان قوی‌تر می‌کشد؛ حتی اگر خون در جهت مخالف جریان داشته باشد.
این میکروربات می‌تواند در برابر جریان‌هایی با سرعت بیش از ۷٫۹ اینچ بر ثانیه حرکت کند.
«سرعت خون در رگ‌های ما بسیار بالاست. سامانه ناوبری باید توان تحمل این شرایط شدید را داشته باشد.» — لندرز
یک روش کم‌تهاجمی برای درمان سکته
در نواحی که رگ‌ها منشعب می‌شوند، مسیرها تیز می‌چرخند. در این نقاط، تیم از ناوبری مبتنی بر جریان استفاده می‌کند. در این حالت، گرادیان مغناطیسی طوری تنظیم می‌شود که کپسول توسط جریان خون به شاخه درست هدایت شود.
با ترکیب این سه استراتژی، پژوهشگران در بیش از ۹۵ درصد آزمایش‌ها موفق شدند کپسول را به هدف برسانند و دارو را آزاد کنند.
نلسون می‌گوید:
«میدان‌های مغناطیسی برای روش‌های کم‌تهاجمی ایده‌آل هستند چون به‌خوبی به عمق بدن نفوذ می‌کنند و با شدت مورد استفاده ما، تأثیر منفی ندارند.»
بهینه‌سازی سامانه ناوبری
پیش از آزمایش روی حیوانات، تیم مدل‌هایی از سیلیکون ساخت که شکل رگ‌های واقعی انسان و حیوانات را با دقت بالا بازسازی می‌کردند. این مدل‌ها اکنون توسط استارتاپ Swiss Vascular عرضه می‌شوند و برای آموزش پزشکی و پژوهش استفاده می‌شوند.
در این مدل‌ها، پژوهشگران کپسول دارای داروی ضدلخته را مستقیماً به انسداد مصنوعی رساندند و مشاهده کردند که لخته از بین می‌رود. این نشان داد که ناوبری و مکانیزم رهایش دارو در شرایط واقعی قابل‌اعتماد است.
آزمایش در حیوانات
پس از کار گسترده روی مدل‌ها، تیم به سراغ حیوانات رفت. در خوک‌ها، هر سه روش ناوبری در رگ‌های واقعی عملکرد مؤثر داشت و میکروربات در تمام مدت روی دستگاه‌های تصویربرداری قابل مشاهده بود.
سپس پژوهشگران کپسول‌ها را در مایع مغزی نخاعی یک گوسفند هدایت کردند؛ محیطی پیچیده‌تر به دلیل حرکت متفاوت مایع و ساختار آناتومیک ریزبینانه.
«این محیط پیچیده ظرفیت زیادی برای درمان‌های جدید دارد. به همین دلیل بسیار امیدوارکننده بود که میکروربات توانست مسیر خود را پیدا کند.» — لندرز
گامی جدید در مسیر درمان سکته
اولین هدف این میکروربات‌ها درمان سکته است؛ جایی که سرعت و دقت بیشتر در حذف لخته می‌تواند از آسیب مغزی جلوگیری کند.
همین فناوری می‌تواند برای رساندن آنتی‌بیوتیک به عفونت‌های عمیق یا داروی ضدسرطان به تومورهای دورازرس استفاده شود.
تیم تلاش کرده تمام اجزای سامانه، از طراحی کاتتر تا سخت‌افزار مغناطیسی، برای استفاده در بیمارستان مناسب باشد. مرحله بزرگ بعدی، آغاز آزمایش‌های بالینی انسانی است.
«پزشکان کار خارق‌العاده‌ای انجام می‌دهند. آنچه ما را پیش می‌برد، دانستن این است که فناوری ما می‌تواند به بیماران سریع‌تر و مؤثرتر کمک کند و امید تازه‌ای بدهد.» — لندرز
این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.
نتیجه‌گیری: آینده درمان هدفمند سکته
میکروربات‌های مغناطیسی می‌توانند انقلابی در درمان سکته ایجاد کنند. ارسال دقیق دارو، کاهش عوارض، و ناوبری در رگ‌های پیچیده، این فناوری را به یکی از مهم‌ترین ابزارهای پزشکی آینده تبدیل می‌کند.
اگر این فناوری برایتان جذاب بود، مقاله‌های دیگر ما درباره رباتیک پزشکی و درمان‌های نوآورانه را هم بخوانید و نظر خود را با ما به اشتراک بگذارید.
