Ein Blutgerinnsel kann den Blutfluss in einem Gefäss so stark bremsen, dass die Medikamente, die das Gerinnsel auflösen sollen, ihr Ziel kaum erreichen. Winzige Bots mit Magnetantrieb könnten dieses Problem nun lösen.

Wenn ein Blutgerinnsel ein Gefäss verschliesst, wird es gefährlich: Teile des Gehirns oder des Herzmuskels werden nicht mehr ausreichend mit Blut versorgt oder ein Gerinnsel blockiert die Durchblutung der Lunge. Die Folge ist ein Schlaganfall, Herzinfarkt oder eine Lungenembolie. Es gibt zwar Medikamente, die ein Blutgerinnsel, einen sogenannten Thrombus, auflösen können. Diese an den Wirkungsort zu bringen, ist je nach Grösse des Thrombus allerdings oft schwierig.

Ärztinnen und Ärzte bringen die Medikamente häufig mit einem Katheter über die Blutbahn in die Nähe des Thrombus. Das Blut hilft dann, die Wirkstoffe zum Thrombus zu spülen. Wenn der Blutfluss allerdings nicht intakt ist, weil der Thrombus selbst ihn blockiert, erreichen die Wirkstoffe ihr Ziel nur schlecht. Sie kommen dann nur sehr langsam voran. Das kostet Zeit – und unter Umständen Menschenleben.

Die Bots (dunkelgrün) und der Wirkstoff (hellgrün dargestellt) werden über einen Kathether in die Nähe der Blutgerinnsel gebracht.  (Grafik: Joshua Mesfin / ETH Zürich, verändert)

Forschende aus der Gruppe von Simone Schürle, Professorin für medizinische Mikrosysteme, haben dafür nun eine Lösung entwickelt: winzige magnetisch steuerbare Bots, die den Medikamententransport vor Ort erheblich verbessern. Die Bots haben die Form eines Kokons oder länglichen Körnchens und bestehen aus einem körperverträglichen Gel, in das magnetische Eisenoxid-Nanopartikel eingebettet sind. «Sie sind ungefähr so gross wie rote Blutzellen und haben damit eine ideale Grösse», sagt Schürle.

Mikro-Bots erzeugen Strömung mit Flickflack

Die Idee ist, die magnetischen Gel-Bots zusammen mit dem Thrombus-auflösenden Medikament über den Katheter in die Nähe des Gerinnsels zu bringen. Werden die Bots über ein sich drehendes Magnetfeld angetrieben, beginnen sie sich zu drehen. Das Magnetfeld wird von einem speziellen magnetischen Steuerungssystem ausserhalb des Körpers erzeugt.

Wie ein Flickflack oder Purzelbaum: Ein magnetischer Mikro-Bot bewegt sich, angetrieben von einem rotierenden Magnetfeld, entlang der Blutgefässwand. (Grafik: Joshua Mesfin / ETH Zürich, verändert)

Die Mikro-Bots werden auf der Blutgefässwand in Richtung des Thrombus gelenkt, überschlagen sich immer wieder und kommen dadurch vorwärts. Dabei ziehen und schieben sie auch das sie umgebende Blut mit. Die erzeugte Strömung transportiert auch die Wirkstoffe hin zum Gerinnsel. Dadurch gelangen die Wirkstoffe schneller und besser zum Gerinnsel.

Thrombus löst sich sechsmal schneller auf

Noch kommen die Mikro-Bots nicht bei menschlichen Patientinnen und Patienten zum Einsatz. Die Forschenden testeten sie unter anderem im Labor in einem Silikon-Modell mit Kanälen, die den feinen Blutgefässen nachempfunden sind. In dieses eigens für die Versuche angefertigte Modell setzten die Forschenden Gerinnsel aus Schweineblut ein. Mithilfe der sich bewegenden Kokons löste das Medikament die Gerinnsel sechsmal schneller auf als ohne die Bots.

Die rotierenden Mikro-Bots (blau) bewegen sich zum Blutgerinnsel (oben).  (Grafik: Joshua Mesfin / ETH Zürich, verändert)

Zusammen mit Wissenschaftlern an der Charité-Universitätsklinik in Berlin untersuchten die ETH-Forschenden die Sicherheit und Wirksamkeit der neuen Methode ausserdem an lebenden Schweinen. Nach 30 Minuten war eine doppelt so grosse Blutgefässfläche wieder durchblutet im Vergleich zur Wirkung des Medikaments alleine. «Nach unserem Wissen sind wir die ersten, die in einem klinisch relevanten Grosstiermodell zeigen, dass ein solcher Mikroroboter-Ansatz die Auflösung von Thromben tatsächlich verbessert», sagt Schürle.

Die ETH Zürich hat die Bots zum Patent angemeldet. Ausserdem nominierte sie die Erfindung für den Spark Award, einen Preis, mit dem die Hochschule die vielversprechendste Patentanmeldung des Jahres auszeichnet.

Magnetisches Rückgrat als Antrieb

Die Mikro-Bots bestehen aus einem Gel aus einem bioverträglichen Zuckerpolymer. In dieses eingearbeitet sind Eisenoxid-Nanopartikel. Damit die länglichen Kokons wie eine Kompassnadel auf ein Magnetfeld reagieren, sind die Eisenoxid-Nanopartikel in ihrem Innern nicht gleichmässig verteilt, sondern entlang der Längsachse gebündelt. Die Forschenden erreichen das, indem sie die Gel-Körnchen mit den Eisenoxid-Nanopartikeln bereits in einem sich drehenden Magnetfeld herstellen.

Bevor die neuen magnetischen Bots bei Patientinnen und Patienten mit akuten Gefässverschlüssen eingesetzt werden können, sind noch weitere Tests notwendig. Als nächstes möchte das Team die Zudem wären vor einer Zulassung noch weitere Tests an spezifischen Modellen, etwa Herzinfarktmodellen, nötig.

Von Fabio Bergamin, ETH Hochschulkommunikation

Titelbild : Grafik mit KI bearbeitet: Piyset / Adobe Stock / Montage ETH Zürich