Une nouvelle méthode d’imagerie rend de minuscules robots visibles dans le corps


Une nouvelle méthode d'imagerie rend de minuscules robots visibles dans le corps

Une percée : de microrobots circulants, de la taille de globules rouges (image de gauche), ont été visualisés individuellement dans les vaisseaux sanguins de souris à l’aide de l’imagerie optoacoustique (image de droite). Crédits photo : ETH Zurich / Institut Max Planck pour les systèmes intelligents

Les microrobots ont le potentiel de révolutionner la médecine. Des chercheurs du Max Planck ETH Center for Learning Systems ont maintenant développé une méthode d’imagerie qui est la première à identifier des microrobots de la taille d’une cellule individuellement et avec une haute résolution dans un organisme vivant.

Comment retirer un caillot de sang du cerveau sans intervention chirurgicale majeure ? Comment délivrer précisément un médicament à un organe malade difficile d’accès ? Ce ne sont là que deux exemples des innombrables innovations que les chercheurs imaginent dans le domaine de la microrobotique médicale. De minuscules robots promettent de changer fondamentalement les futurs traitements médicaux : ils pourraient un jour se déplacer dans le système vasculaire des patients pour éliminer les tumeurs malignes, combattre les infections ou fournir des informations diagnostiques précises, le tout sans intervention. Fondamentalement, selon les chercheurs, le système circulatoire pourrait être une voie de transport idéale pour les microrobots, car il atteint tous les organes et tissus du .

Pour que ces micro-robots puissent effectuer les interventions médicales prévues de manière sûre et fiable, ils ne doivent pas être plus gros qu’une cellule biologique. Chez l’homme, une cellule a un diamètre moyen de 25 micromètres – un micromètre est un millionième de mètre. Les plus petits vaisseaux sanguins chez l’homme, les capillaires, sont encore plus fins : leur diamètre moyen n’est que de 8 microns. Les microrobots doivent être suffisamment petits pour pouvoir traverser sans encombre les plus petits vaisseaux sanguins. Cependant, cette petite taille les également invisibles à l’œil nu – et même la science n’a pas encore trouvé de solution technique pour et suivre individuellement les robots de taille micrométrique alors qu’ils orbitent dans le corps.

Suivre les microrobots en circulation pour la première fois

« Avant que ce scénario futur ne devienne réalité et que des microrobots ne soient réellement utilisés chez l’homme, la visualisation et le suivi précis de ces minuscules machines sont impératifs », déclare Paul Wrede, doctorant au Max Planck ETH Center for Learning Systems (CLS). .

« Sans imagerie, la microrobotique est essentiellement aveugle », ajoute Daniel Razansky, professeur d’imagerie biomédicale à l’ETH Zurich et à l’Université de Zurich et membre du CLS. « L’imagerie haute résolution en temps réel est donc essentielle pour détecter et contrôler les microrobots de la taille d’une cellule dans un organisme vivant. » De plus, l’imagerie est également une condition préalable pour surveiller les interventions thérapeutiques des robots et vérifier qu’ils accomplissent leur tâche. comme prévu d’avoir. « Le manque de possibilité de donner un retour en temps réel aux microrobots était donc un obstacle majeur sur la voie de l’application clinique. »

Avec Metin Sitti, un expert mondial en microrobotique qui est également membre du CLS en tant que directeur de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) et professeur d’intelligence physique à l’ETH, et d’autres chercheurs, l’équipe a maintenant quelque chose. Réalisations importantes Percée dans la fusion efficace de la microrobotique et de l’imagerie. Dans une étude qui vient d’être publiée dans la revue avancées scientifiquesPour la première fois, ils ont pu identifier clairement et suivre en temps réel de minuscules robots mesurant seulement cinq microns dans les vaisseaux cérébraux de souris grâce à une technique d’imagerie non invasive.

Une nouvelle méthode d'imagerie rend de minuscules robots visibles dans le corps

Les microrobots sphériques sont constitués de particules à de silice et ont été recouverts pour moitié de nickel (Ni) et pour moitié d’or (Au) et chargés de nanobulles de couleur verte (liposomes). De cette façon, ils peuvent être détectés individuellement à l’aide de la nouvelle méthode d’imagerie optoacoustique. Source: ETH Zurich / MPI-IS

Les chercheurs ont utilisé des microrobots dont la taille varie de 5 à 20 micromètres. Les plus petits robots ont à peu près la taille des globules rouges, soit 7 à 8 microns de diamètre. Cette taille permet aux microrobots injectés par voie intraveineuse de voyager même dans les microcapillaires les plus fins du cerveau de la souris.

Les chercheurs ont également développé une technologie spéciale de tomographie opto-acoustique pour détecter les minuscules robots individuellement, en haute résolution et en temps réel. Cette technique d’imagerie unique permet de voir les minuscules robots dans des régions profondes et difficiles d’accès du corps et du cerveau, ce qui n’aurait pas été possible avec la microscopie optique ou d’autres techniques d’imagerie. Le processus est appelé optoacoustique car la lumière est d’abord émise puis absorbée par le tissu respectif. L’absorption crée alors de minuscules ondes ultrasonores qui peuvent être capturées et analysées pour obtenir des images volumétriques à haute résolution.

Robots à face Janus recouverts d’or

Afin de rendre les microrobots clairement visibles sur les images, les chercheurs avaient besoin d’un produit de contraste adapté. Pour leur étude, ils ont donc utilisé des microrobots sphériques à base de particules de silice avec un revêtement dit de type Janus. Ce type de robot a une conception très robuste et est parfaitement adapté aux tâches médicales complexes. Il porte le nom du dieu romain Janus, qui avait deux visages. Dans le cas des robots, les deux moitiés de la sphère sont revêtues différemment. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont recouvert la moitié du robot de nickel et l’autre moitié d’or.

« L’or est un très bon milieu de contraste pour l’imagerie optoacoustique, explique Razansky. Sans la couche d’or, le signal généré par les microrobots est tout simplement trop faible pour être détecté. » En plus de l’or, les chercheurs ont également testé l’utilisation de petits des bulles, appelées nanoliposomes, qui contenaient un colorant vert fluorescent qui servait également d’agent de contraste. « Les liposomes ont également l’avantage de pouvoir charger des médicaments puissants, ce qui est important pour les futures approches d’administration de médicaments », déclare Wrede, le premier auteur de l’étude. Les utilisations possibles des liposomes seront examinées dans une étude de suivi.

De plus, l’or permet également de minimiser l’effet cytotoxique du revêtement de nickel – après tout, si les microrobots doivent fonctionner sur des animaux vivants ou des humains, ils doivent être rendus biocompatibles et non toxiques, ce qui fait partie des recherches en cours. Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé du nickel comme moyen de propulsion magnétique et un simple aimant permanent pour tirer les robots. Dans des études de suivi, ils veulent tester l’imagerie optoacoustique avec des manipulations plus complexes avec des champs magnétiques rotatifs.

« Cela nous permettrait de contrôler et de déplacer avec précision les microrobots même dans le sang qui coule fortement », explique Metin Sitti. « Dans la présente étude, nous nous sommes concentrés sur la visualisation des microrobots. Le projet a connu un énorme succès, grâce à l’excellent environnement collaboratif de CLS, qui a permis de mettre en commun l’expertise des deux groupes de recherche du MPI-IS à Stuttgart pour la partie robotique et de l’ETH Zurich pour la partie imagerie », conclut Sitti.


De minuscules robots biohybrides pour l’administration intelligente de médicaments


Plus d’information:
Paul Wrede et al., Suivi optoacoustique 3D en temps réel de microrobots magnétiques de la taille d’une cellule circulant dans les vaisseaux sanguins du cerveau de la souris, avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm9132

Citation: Une nouvelle méthode d’imagerie rend les minuscules robots visibles à l’intérieur du corps (12 mai 2022) Extrait le 13 mai 2022 de https://phys.org/news/2022-05-imaging-method-tiny-robots-visible.html

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