Robot boort voor het eerst door echt hersenweefsel

Onderzoekers van de Universiteit Twente en het Radboudumc hebben een piepklein, schroefvormig robotje door echt hersenweefsel gestuurd, met alleen een magneet buiten het lichaam. De test vond plaats in schapenhersenen in het lab. Het team ontwikkelde een model dat precies voorspelt wanneer zo’n robot de controle verliest: een stap richting het behandelen van beroertes en tumoren diep in de hersenen, zonder open operatie.

Diepgelegen hersenletsels, bloedstolsels na een beroerte, tumoren en vaatafwijkingen zijn vaak lastig te bereiken zonder de schedel te openen. Het onderzoeksteam ziet een andere route voor zich: een robot die via de bloedbaan naar de juiste plek reist, daar door de vaatwand boort en vervolgens doorboort tot in het hersenweefsel, om het letsel rechtstreeks te bereiken.

Een magneet buiten het lichaam laat het robotje ronddraaien, waardoor het zich als een schroef naar voren boort. Draait de magneet sneller, dan gaat het robotje ook sneller, tot een bepaald punt. Voorbij dat punt, de zogeheten step-outfrequentie, kan het robotje het tempo niet meer bijhouden. Het glipt weg, valt stil, of beweegt onvoorspelbaar. De onderzoekers kunnen dat moment nu voorspellen met een nieuw model.

De onderzoekers bouwden hun model met de Buckingham Pi-theorie, een methode die een complex natuurkundig probleem terugbrengt tot een handvol dimensieloze getallen. Die combineert de afmeting van de robot, de sterkte van de magneet en de stevigheid van het weefsel in één formule. Dat kantelpunt hangt af van hoe stevig het omliggende weefsel is. In zacht weefsel hield het robotje het tempo van de magneet bij tot ongeveer 30 omwentelingen per seconde. In het stevigste weefsel dat is getest, zakte dat naar minder dan één omwenteling per seconde.

Zodra het model is geijkt met één meting in weefsel met een bekende stevigheid, voorspelt het hoe datzelfde robotontwerp zich gedraagt in elk ander weefsel, zonder verdere testen. Het team valideerde het model op vier robotontwerpen in gelatine, en vervolgens in echt schapenhersenweefsel. Zonder bloedstroom bleef de robot gelijke tred houden met de magneet tot ongeveer 1,8 omwentelingen per seconde. Zodra er bloed door de vaten werd gepompt, wat een levend brein nabootst, zakte die grens onder de 0,45 omwentelingen per seconde. Het weefsel stond onder druk en bood meer weerstand.

Het robotje boorde met 0,2 millimeter per seconde het hersenweefsel in. Achteruit volgde het zijn eigen kanaal weer naar buiten, met 2,9 millimeter per seconde: een stuk sneller, omdat het geen nieuw pad meer hoefde te boren. Met camera’s die in realtime meekeken, werd hetzelfde robotontwerp ook naar specifieke doelen gestuurd in een zacht gelmodel van de hersenen. Het robotje bereikte deze doelen in sommige gevallen met een nauwkeurigheid van minder dan een millimeter.