חוקרים מאוניברסיטת המדינה של מישיגן (Michigan State University), בשיתוף חוקרים מ-Henry Ford Health ומאוניברסיטת אריזונה, הציגו מיקרו-רובוטים חדשים בשם "TriMag", שלדבריהם עשויים בעתיד לאפשר טיפולים מדויקים יותר בסרטן, להקל על טיפולי עיניים ולהפוך פרוצדורות מורכבות, ובהן ניתוחי מוח, לפחות פולשניות. הממצאים פורסמו בכתב העת Advanced Materials.
לפי החוקרים, מדובר במיקרו-רובוטים זעירים, קטנים משערת אדם, שמיוצרים בהדפסת תלת-ממד ומיועדים לנוע בתוך הגוף, להגיע לאזור מטרה מוגדר ולבצע כמה פעולות שונות. החידוש המרכזי, לפי המאמר, הוא שילוב של שלוש יכולות מגנטיות בתוך התקן אחד - הנעה מגנטית, הדמיה בזמן אמת וחימום מקומי של רקמה לצורך טיפול.
4 צפייה בגלריה
מיקרו-רובוטים זעירים שפותחו באוניברסיטת מישיגן, שנועדו לנוע בתוך הגוף ולבצע פעולות רפואיות ממוקדות
(צילום: MSU photographer Garret Morgan)
אחת הבעיות המרכזיות בתחום המיקרו-רובוטיקה הרפואית היא הקושי גם לייצר את הרובוטים בדיוק ובקנה מידה מספק, וגם לעקוב אחריהם בתוך רקמות עמוקות בגוף באופן לא פולשני. לפי המחקר, מערכת "TriMag" נועדה לתת מענה לשני האתגרים האלה יחד.
המיקרו-רובוטים עשויים מהידרוג'ל ביולוגי תואם, שבתוכו שולבו ננו-חלקיקים מגנטיים משני סוגים - Fe3O4 ו-CoFe2O4. לפי החוקרים, השילוב הזה מאפשר לרובוטים גם לנוע בתגובה לשדה מגנטי חיצוני, גם להופיע בבדיקת הדמיה מגנטית ייעודית, וגם להתחמם באופן מקומי כדי לפגוע בתאי גידול.
בהודעת האוניברסיטה נמסר כי כאשר משתמשים במיקרו-רובוטים לצרכים רפואיים, אפשר יהיה בעתיד להזריק או לבלוע אותם, ובחלק מהמקרים גם להניח אותם על העור, בהתאם לסוג הפרוצדורה. מגנטים שממוקמים מחוץ לגוף אמורים לאפשר להם "לשחות" ולהיות מנווטים בדיוק אל אזור המטרה.
אחת מנקודות המפתח בטכנולוגיה היא השימוש ב-Magnetic Particle Imaging, או MPI - שיטת הדמיה שמזהה ישירות ננו-חלקיקים מגנטיים. החוקרים כתבו כי השיטה מאפשרת הדמיה בזמן אמת, ברזולוציה גבוהה, גם ברקמות עמוקות, וללא הפרעה מרקמות ביולוגיות. להערכתם, היכולת הזאת עשויה לאפשר מעקב לא פולשני אחרי מיקרו-רובוטים בתוך הגוף.
כך הצליחו החוקרים לנווט את הרובוטים בגוף
במחקר תואר כי המיקרו-רובוטים מסוגלים לנוע בצורה מבוקרת בתוך נוזלים ביולוגיים, וכי אפשר לשלוט במסלול, במהירות ובכיוון שלהם באמצעות שדות מגנטיים חיצוניים. המבנה ההליקלי שלהם, לפי החוקרים, נועד לחקות תנועה של שוטון ביולוגי.
"גוף האדם הוא סביבה מאתגרת מאוד עבור מיקרו-רובוטים, בעיקר משום שקשה לקבל מהם הדמיה מקומית מדויקת בזמן אמת דרך רקמות ואיברים, וגם קשה לפרש את המידע שמתקבל מהם", אמר החוקר הראשי ג'ינשינג לי, כך לפי הודעת אוניברסיטת המדינה של מישיגן.
4 צפייה בגלריה
החזון: המיקרו-רובוטים ינועו בעתיד בתוך כלי הדם ויגיעו ישירות לאזור המטרה
(איור: Shutterstock)
לדבריו, "כעת, בעזרת עיצוב מתקדם של מיקרו-רובוטים וכלי הדמיה, אנחנו יכולים לבנות, לעקוב ולהפעיל מיקרו-רובוטים באופן אמין עמוק בתוך גוף האדם". עוד הוסיף, לפי ההודעה, כי הרב-תכליתיות של עיצוב "TriMag" "פותחת את הדלת לטיפולים שלא היו אפשריים בעבר".
"מדע בדיוני, תחום שהולך ומתפתח"
פרופ' דן פאר, סגן נשיא למחקר ופיתוח וראש המעבדה לננו-רפואה מדויקת באוניברסיטת תל אביב, אמר ל-ynet כי הפיתוח משתלב במגמה רחבה יותר של טכנולוגיות רפואיות זעירות שנשמעות לעיתים כמו מדע בדיוני, אך בהדרגה הופכות למציאות.
פרופ' דן פארצילום: שחר שחר, דוברות אונ' תל אביב"זה נשמע כמו מדע בדיוני, אבל אנחנו רואים יותר ויותר מחקרים מהסוג הזה, והתחום הולך ומתפתח", אמר. לדבריו, בשנים האחרונות נעשים ניסיונות רבים לפתח מערכות זעירות שיוכלו לספק פתרונות רפואיים למגוון מחלות ובעיות רפואיות. בהתייחס למחקר הנוכחי הסביר כי החוקרים פיתחו רובוט זעיר שמטרתו לנוע בתוך הגוף - למשל במחזור הדם - לזהות תאים פגועים או חולים, ובשלב הבא גם לאפשר טיפול ממוקד בהם.
עם זאת, הוא מדגיש כי מדובר עדיין בשלב מוקדם מאוד של המחקר. "זו עבודה ראשונית, וחשוב להבהיר שלא מדובר בטכנולוגיה שתיכנס לשימוש בבני אדם בזמן הקרוב", אמר.
לדבריו, הרעיון עצמו אינו חדש לחלוטין. "כבר לפני כעשרים שנה פורסמו עבודות בכיוון הזה, שהציגו את הרעיון של מערכות זעירות שמסתובבות בגוף ומבצעות פעולות רפואיות", אמר. עם זאת ציין כי המחקר הנוכחי מוסיף נדבך נוסף להתפתחות התחום. "מדובר בחוקר צעיר מאוניברסיטת מישיגן, והרעיון שהוא מציג מעניין".
לדבריו, מחקרים מסוג זה צפויים להתרבות בשנים הקרובות. "אנחנו נראה יותר ויותר עבודות בכיוון הזה, והן יבנו בהדרגה את התשתית לטכנולוגיות עתידיות. חלק מהפיתוחים האלה בסופו של דבר גם יגיעו ליישום קליני בבני אדם", אמר. עם זאת, הוא מעריך כי הדרך לשימוש רפואי רחב עדיין ארוכה. "זה עוד רחוק. אני מאמין שזה ייקח לפחות עשור, אם לא יותר", אמר.
4 צפייה בגלריה
המיקרו-רובוטים "TriMag": קטנים משערת אדם ומיוצרים בהדפסת תלת-ממד
(צילום: MSU photographer Garret Morgan)
פרופ' פאר הוסיף כי אחד הנושאים החשובים שעדיין לא נבדקו במחקר הנוכחי הוא האופן שבו הגוף עשוי להגיב לרובוטים הזעירים. "מה שאין בעבודה הזו הוא בדיקה של איך מערכת החיסון מתייחסת לרובוטים הקטנים האלה, ואיך הגוף מתמודד איתם", אמר. לדבריו, מדובר בשאלה שתצטרך להיבחן במחקרים הבאים. "יהיו מחקרי המשך. בהחלט שווה לעקוב אחרי הכיוון הזה ולראות לאן המחקר יתקדם בשנים הקרובות", סיכם.
ניסויים בעיניים, במוח ובקיבה
החוקרים הדגימו את יכולת ההדמיה והמעקב של המערכת לא רק בתנאי מעבדה בסיסיים, אלא גם בתוך רקמות ביולוגיות. לפי המאמר, המיקרו-רובוטים הודגמו בתוך מודל שמדמה כלי דם ומולא ברקמת מוח של חזיר, וכן בתוך עין של חזיר ובתוך קיבה של עכבר, תוך מעקב אחרי תנועתם באמצעות MPI, לעתים בשילוב CT.
בהודעת האוניברסיטה הודגש כי לטכנולוגיה עשוי להיות פוטנציאל גם בתחום רפואת העיניים. לפי המחקר, במודל של עין חזיר הוזרק המיקרו-רובוט לזגוגית, ולאחר מכן הונע בעזרת שדה מגנטי לעבר קרקעית העין. החוקרים ציינו כי בעתיד ייתכן שניתן יהיה להשתמש בגישה כזו לצורך הובלה ממוקדת של טיפול, במקום הזרקה ישירה לאזור העין. בנוסף, המערכת עשויה להיות רלוונטית גם להדמיה לפני ניתוח, באמצעות נשיאת חומרי ניגוד, וכן לניתוחים פחות פולשניים באזורים רגישים.
מרכיב נוסף שנבדק במחקר הוא היכולת של המיקרו-רובוטים לייצר חימום מגנטי מקומי. לפי תוצאות החוקרים, השילוב בין שני סוגי הננו-חלקיקים הוביל לעלייה מהירה יותר בטמפרטורה לטווח תרפויטי, בהשוואה לחומרים אחרים שנבדקו. החוקרים בחנו את האפשרות להשתמש בחימום הזה לצורך היפרתרמיה - כלומר חימום ממוקד של רקמת גידול.
4 צפייה בגלריה
בניסוי שנערך בעכברים נווטו המיקרו-רובוטים אל אזור הגידול באמצעות שדה מגנטי
(צילום: Shutterstock)
ניסוי בעכברים: חימום ממוקד של הגידול
במודל של גידול בעכבר, לפי המאמר, המיקרו-רובוטים הוזרקו לאזור סמוך לגידול, נווטו מגנטית אל רקמת הגידול, ואז הופעל עליהם שדה מגנטי מתחלף שיצר חימום מקומי. החוקרים דיווחו כי בתוך 15 דקות עלתה הטמפרטורה המקומית לאזור של 43 מעלות צלזיוס - טווח שהוגדר במאמר כיעיל לאבלציה של גידול, תוך שמירה על טמפרטורה נמוכה מהסף לפגיעה תרמית ברקמה תקינה. עוד דווח כי כאשר טמפרטורת העור התקרבה ל-45 מעלות, השדה המגנטי כובה אוטומטית מטעמי בטיחות.
לפי החוקרים, בקבוצת בעלי החיים שקיבלה את הטיפול המבוסס על חימום מקומי של הגידול נרשמה ירידה חדה באות שמייצג את הגידול כבר בתוך יום עד יומיים. החוקרים מפרשים זאת כסימן לכך שרקמת הגידול נפגעה במהירות בעקבות הטיפול. במקביל דווח כי העכברים שמרו על משקל גוף יציב, לא נראו אצלם סימנים ברורים לפגיעה בתפקוד, ולא נמצאו עדויות לרעילות באזורים אחרים בגוף.
החוקרים בדקו גם את בטיחות המערכת. לפי הודעת האוניברסיטה, המיקרו-רובוטים עשויים מפולימרים אכילים ומחלקיקי תחמוצת ברזל זעירים, וכאשר הם מסיימים את תפקידם הם מתפרקים בגוף. בנוסף נערכה בדיקה שבוחנת האם החומרים גורמים לפגיעה בכדוריות הדם האדומות, ובמהלכה נמצאה רמת פירוק נמוכה מ-5%. החוקרים מציינים כי תוצאה כזו נחשבת נמוכה ותומכת בבטיחות המערכת.
עם זאת, החוקרים מדגישים כי מדובר עדיין בשלב מוקדם של המחקר. עד כה המיקרו-רובוטים נבדקו בנוזלים ביולוגיים, ברקמות ובמודלים של בעלי חיים בלבד, וניסויים בבני אדם עדיין צפויים רק בעוד כמה שנים. למרות זאת, לדבריהם מדובר בפיתוח שעשוי להוות בסיס לטכנולוגיות עתידיות של מיקרו-רובוטים רפואיים שיוכלו לשמש לטיפולים בגוף.
לסיכום, החוקרים מציינים כי הטכנולוגיה עשויה לשמש בעתיד כפלטפורמה למיקרו-רובוטים רפואיים שיוכלו להעביר תרופות בדיוק לאזור המטרה, לחמם גידולים באופן ממוקד ולהקל על הדמיה בתוך רקמות עמוקות. לפי הודעת אוניברסיטת המדינה של מישיגן, המטרה היא לפתח טיפולים מדויקים יותר, פחות פולשניים ופחות מכאיבים למטופלים.
