ROMA – Il Politecnico Federale di Zurigo (ETH Zürich), uno tra i più importanti centri di ricerca al mondo nell’ambito della robotica applicata al campo medico, ha sviluppato innovativi microrobot capaci di muoversi all’interno dei più piccoli vasi sanguigni del corpo umano. Finora testati su maiali e pecore per le loro similitudini con la fisiologia umana, i microrobot hanno raggiunto risultati che orientano verso la sperimentazione clinica, già nel programma di lavoro dei ricercatori. La recente ricerca è stata presentata in un articolo pubblicato su Science, lo scorso 13 novembre, e dal paper scientifico si può apprendere come l’obiettivo finale resti quello di spianare la strada verso nuove terapie mirate per trattare ictus, infezioni e tumori.

L’ETH di Zurigo

I microrobot sono dispositivi di microscopiche dimensioni, come fa intuire il nome stesso, in grado di navigare nel sistema circolatorio per trasportare agenti terapeutici nei punti esatti che necessitano cure. Per avere una maggiore somiglianza con la realtà, il team dei ricercatori ha sviluppato alcuni modelli in silicone di vasi sanguigni umani e animali, dimostrando, in questo modo, come i microrobot non solo possano raggiungere i diversi coaguli, ma siano pure in grado di scioglierli. Lo step successivo è stato quello di testare l’innovativa tecnologia nei vasi sanguigni dei maiali e all’interno del fluido cerebrale delle pecore. Dai risultati ottenuti, è emerso come i microrobot abbiano la capacità di offrire terapie su misura, sia grazie ad un assorbimento minimizzato nella diffusione del farmaco all’interno dell’organismo, sia per merito della possibilità di personalizzazione del trattamento, garantendo così la consegna di terapie farmacologiche differenti, a seconda della specifica patologia da curare.

Modello di vaso sanguigno in silicone (credits: ETH Zürich)

L’aspetto più importante di questa tecnologia è l’interazione tra microrobot e campi magnetici esterni, che riescono a guidare i microscopici dispositivi all’interno dei più piccoli vasi sanguigni dell’organismo umano, localizzando aree difficilmente raggiungibili con le attuali tecniche adottate in medicina (contraddistinte da bassi livelli di specificità e un’elevata incidenza di effetti collaterali). Inoltre, il sistema di navigazione magnetica permette un affidabile controllo anche all’interno delle complesse strutture cerebrali.

“Dato che i vasi sanguigni del cervello umano sono così piccoli, esiste un limite alle dimensioni della capsula. La sfida tecnica è garantire che una capsula così piccola abbia anche sufficienti proprietà magnetiche”, dichiara Fabian Landers, principale autore dell’articolo scientifico. Tuttavia, la natura invasiva di questa innovativa tecnologia, per quanto caratterizzata da dimensioni microscopiche, impone il rispetto di rigorosi standard di sicurezza, ragione per cui l’uso sull’uomo non sarà immediato.

Microrobot a grandezza naturale (credits: Luca Donati / ETH Zürich)

Il sistema di navigazione elettromagnetica è stato studiato per rendere possibile il percorso nel flusso sanguigno in presenza di ostacoli (come velocità variabile del sangue, flusso contrario o biforcazioni vascolari) e la principale strategia magnetica sfruttata è stata quella di far rotolare il microrobot all’interno del vaso sanguigno, con una velocità pari a 4 millimetri al secondo. Dai test effettuati, i risultati hanno dimostrato che il bersaglio è stato raggiunto in più del 95% dei casi, grazie alla combinazione di tre diverse strategie di navigazione magnetica. La peculiarità dei microrobot, infatti, è quella di aver capacità autonoma di movimento, essendo in grado di sfruttare nanoparticelle di ossido di ferro (che forniscono proprietà magnetiche) e nanoparticelle di tantalio (utili per identificare, tramite raggi X, le rivoluzionarie capsule all’interno dell’organismo).

Opzioni di navigazione (credits: ETH Zürich)

L’ossido di ferro consente di far guidare i microrobot da remoto, facendo depositare il farmaco, nelle sedi specifiche della patologia, con un rilascio controllato dei principi attivi. Grazie al campo magnetico ad alta frequenza, che riscalda le nanoparticelle di ossido di ferro, il calore fonde il guscio in gel solubile delle capsule sferiche che contengono la terapia, liberandola poi nella sede stabilita in modo accurato. Queste moderne tecnologie potranno essere usate, per esempio, per somministrare agenti trombolitici nel sito di ostruzioni vascolari, sciogliendo così i coaguli in tempi rapidi, approccio che risulta ideale nel caso di ictus. Inoltre, l’abilità nel concentrare elevate dosi di antibiotico nel preciso luogo del focolaio dell’infezione incrementa l’effetto della cura, anche per le gravi infezioni, riducendo drasticamente il rischio di antibiotico resistenza. Viceversa, il tantalio assicura che i tessuti sani circostanti non vengano danneggiati. I microrobot, infatti, in totale sicurezza, possono anche rilasciare farmaci chemioterapici all’interno dei tumori.

Meccanismo di rilascio (credits: Luca Donati / ETH Zürich)

Uno scenario rivoluzionario ed inimmaginabile, se si getta lo sguardo anche solo a pochi anni fa. Al giorno d’oggi, invece, sono in corso di studio quelle che in futuro saranno terapie personalizzate all’avanguardia per curare ictus, infezioni e tumori, grazie a strumenti tecnologici, inferiori al millimetro, composti da materiali non biologici che non causano effetti nocivi e reazioni avverse nell’organismo con il quale entrano in contatto. Addirittura, in un futuro non troppo lontano, i microrobot potranno essere sfruttati anche per diagnosi in tempi record, grazie all’ausilio di sensori incorporati al loro interno. Potranno pure essere utilizzati per la raccolta di campioni di fluidi e tessuti difficilmente recuperabili. Forse anche per interventi senza dover ricorrere agli attuali approcci adottati dalla chirurgia invasiva.

Inoculazione del microrobot (credits: ETH Zürich)

Questi risultati, esito delle varie fasi di sperimentazione preclinica, suggeriscono un’idea di quella che potrà essere la medicina del futuro, sempre più incentrata sull’uso dei microrobot da sfruttare per terapie mirate. In fin dei conti, spiega Landers, “i medici stanno già facendo un lavoro incredibile negli ospedali. Ciò che spinge ad andare avanti con la ricerca è la consapevolezza di avere una tecnologia che consente di aiutare i pazienti in modo più rapido ed efficace e di dare loro nuova speranza attraverso terapie innovative”.

L’ultimo microrobot dell’ETH (credits: Luca Donati / ETH Zürich)

È chiaro che la sperimentazione dei microrobot sull’uomo avrà bisogno di numerose valutazioni in termini di efficacia e tollerabilità, ma i risultati finora ottenuti sono incoraggianti. Tuttavia, in sperimentazione clinica dovranno essere prese in considerazione possibili reazioni allergiche, modalità di recupero dei microrobot al termine delle terapie ed eventuali interazioni con altri trattamenti in corso. La novità presentata dal Politecnico Federale di Zurigo è un’ennesima prova di quanto la ricerca in laboratorio, le conoscenze ingegneristiche e l’applicazione in medicina delle tecnologie che avanzano siano il connubio perfetto per la giusta strada da percorrere al fine di guardare, con positività, le “terapie super mirate”.

Dopotutto, afferma Bradley Nelson, che da tempo si occupa di microrobot presso l’ETH di Zurigo, “combinare funzionalità magnetica, visibilità delle immagini e controllo preciso in un singolo microrobot ha richiesto una perfetta sinergia tra scienza dei materiali e ingegneria robotica, un risultato che ha richiesto molti anni di lavoro”. Alla luce di questi buoni propositi, la nuova frontiera sviluppata dal team di ricerca dell’ETH Zurich, dunque, fa ben sperare.

Alice Luceri

Nell’immagine di copertina, microrobot dell’ETH in grado di navigare all’interno del corpo umano (credit: Luca Donati / ETH Zürich)