Zielgerichtete Medikamentenabgabe könnte von neuer Technik mit Schallwellen profitieren

Objekte bewegen, ohne sie zu berühren

Die moderne Wissenschaft hat Wege entdeckt, Dinge zu bewegen, ohne sie zu berühren. Dies wurde zuerst mit sogenannten optischen Pinzetten umgesetzt, die Licht nutzen, und bald darauf mit akustischen Pinzetten, die Schall verwenden.

Akustische Pinzetten sind besonders interessant, weil sie die meisten Materialien durchdringen können. Ihr breites Frequenzspektrum ermöglicht die Manipulation von Objekten unterschiedlicher Größe, von einzelnen Zellen bis hin zu komplexen Gegenständen. Sie sind zudem für biologisches Gewebe harmlos.

Aus diesem Grund könnten akustische Pinzetten ein breites Anwendungsspektrum haben, von der Chirurgie bis zur Medikamentenabgabe. Das Problem war bisher, dass eine präzise Steuerung in einer komplexen Umgebung wie einem lebenden Körper schwierig war.

Das ändert sich dank neuer Entdeckungen, die in Nature Physics veröffentlicht wurden von Forschern der EPFL (Schweiz) und der Technischen Universität Wien (Österreich).

Schieben mit Schallwellen

Das Forschungsteam nutzte eine neue Methode zur Erzeugung akustischer Pinzetten, die „Wellenimpulsformung“ genannt wird. Die Technik ist die Anpassung einer neuartigen Methode, die Licht nutzt, um es trotz einer „unordentlichen“ Umgebung zu organisieren, auf Schallwellen übertragen.

Im Wesentlichen „kartiert“ sie zunächst die Streueffekte von Hindernissen in eine Matrixstruktur (unten rechts), wodurch man bestimmen kann, wie die Pinzetten trotz Hindernissen eingesetzt werden können.

Diese Streumatrix entwickelt sich in Echtzeit, während sich das Objekt bewegt, und sie in Echtzeit zu aktualisieren war einer der wichtigsten Erfolge der Forscher, die dafür komplexe mathematische Werkzeuge einsetzten.

Quelle: Nature

Dies ändert die Funktionsweise akustischer Pinzetten. Normalerweise fängt die Methode ein Objekt an einer Stelle ein. Hier hingegen schieben die Schallwellen es sanft weiter, wie ein Hockeyschläger, der einen Puck schiebt.

Die Methode funktioniert mit kugelförmigen Objekten, aber auch mit komplexeren Formen. Sie kann zudem Rotationen steuern, was die möglichen Bewegungen flexibler macht. Sie kann mit praktisch jedem Material arbeiten, wobei das Ziel nicht magnetisch oder besonders resistent sein muss.

Quelle: Nature

Mögliche Anwendungen

Medizin & Biotechnologie

Die Möglichkeit einer direkten therapeutischen Behandlung im gesamten Körper ohne Operation ist ziemlich interessant. Dies könnte insbesondere in der Krebstherapie eingesetzt werden, bei der die Verabreichung des Medikaments direkt in den Tumor die Wirksamkeit stark steigern könnte.

„Einige Methoden zur Medikamentenabgabe nutzen bereits Schallwellen, um eingeschlossene Medikamente freizusetzen, sodass diese Technik besonders attraktiv ist, um ein Medikament direkt zu Tumorzellen zu schieben.“

Ähnlich könnte die biologische Analyse und Probenentnahme ohne direkten Kontakt mit dem Gewebe erfolgen, wodurch das Risiko von Kontamination oder durch das Verfahren verursachten Schäden reduziert wird.

Schließlich könnte sie auch für die Gewebezüchtung oder sogar das 3D-Bioprinting verwendet werden. Die Möglichkeit, Manipulationen durchzuführen, ohne durch das Gewebe schneiden zu müssen, könnte helfen, komplexere Designs zu erstellen und uns dem Traum, Organe auf Abruf zu produzieren einen Schritt näher bringen.

Fertigung

Sich nach Belieben in alle Richtungen zu bewegen, kleine Partikel – das klingt genau nach dem, was der 3D-Druck zu erreichen versucht.

In dieser Hinsicht könnten akustische Pinzetten eine neue Methode sein, die zu bestehenden additiven Fertigungstechniken hinzukommt, indem sie die Partikel anordnen, bevor sie zu einem festen Objekt zusammengefasst werden.

Sie könnte auch verwendet werden, um separate Teile zusammenzusetzen, selbst wenn eine direkte Manipulation nicht möglich wäre.

Keine Premiere?

Wir haben bereits eine ähnliche Technologie in unserem Artikel „Akustische Energie-Emittenten könnten bald den Bedarf an Einschnitten während Operationen beseitigen“ behandelt.

Darin erklärten wir, wie ein anderer Typ von optischen Pinzetten ähnliche Ergebnisse erzielen könnte. In diesem Fall lag der Fokus mehr darauf, Operationen ohne Schnitte durchzuführen und kleine Objekte im Körper zu bewegen.

Dies war jedoch eher ein „klassischer“ Typ von optischer Pinzette, der das Objekt an einer Stelle fixiert.

In beiden Fällen machen akustische Pinzetten erhebliche Fortschritte in ihrer Grundlagenforschung, sei es für die Chirurgie mit Echtzeitansicht durch Echographie oder mit extrem präzisen Schiebesystemen und einer aktuellen Streumatrix, um die beabsichtigte Bewegung genau zu halten.

Wir sollten nun zu dem Schritt übergehen, in dem diese Technologien standardisiert und kommerzialisiert werden, um neue innovative Therapieformen voranzutreiben und die Effizienz bestehender zu steigern.

3D-Manipulationsunternehmen

Während eines der fortschrittlichsten robotergestützten Chirurgiesysteme von Intuitive Surgical (ISRG )  (ISRG) verkauft wird, verfügt das Unternehmen über weniger Fachwissen in Ultraschall oder Endoskopie als einige seiner Wettbewerber. Daher ist es wahrscheinlich, dass die erste reale medizinische Anwendung akustischer Pinzetten von Medizintechnikunternehmen stammt, die bereits versiert darin sind, zahlreiche medizintechnische Systeme wie Roboter oder Operationswerkzeuge zu integrieren.

Alternativ könnte der Fortschritt bei akustischen Pinzetten stark von 3D-Druck und Bioprinting profitieren, sodass ein führendes Unternehmen in diesem Sektor ebenfalls Vorteile daraus ziehen könnte.

1. Medtronic plc

Medtronic ist ein führendes Unternehmen für Medizinprodukte, insbesondere im Chirurgie- und Intensivbereich. Während die anderen Segmente ebenfalls als zugehörig betrachtet werden könnten, macht das medizinisch-chirurgische Segment von Medtronic $2.1B an Einnahmen, von insgesamt $7.7B.

Quelle: Medtronic

Das Unternehmen ist durch organisches Wachstum gewachsen, dank eines hohen Anteils am F&E-Budget ($2.7B in 2022) und durch Akquisitionen (9 im Jahr 2022 und $3.3 worth of further acquisitions considered for 2023).

Medtronic sieht eine enorme Chance für einfachere, kostengünstige robotergestützte Chirurgie:

„nur 2 % der Operationen weltweit werden mit Unterstützung von Robotern durchgeführt. Es gibt 98 % die durch robotergestützte Chirurgie erledigt werden müssten, aber nicht heute wegen der Kosten- und Nutzungsbelastungen“

Mit dieser Strategie im Hinterkopf hat Medtronic das Hugo‑System entwickelt.

Quelle: Medtronic

Es verkauft außerdem das Mazor X Stealth spinal robot-assisted surgery device, dank seiner $1.7 billion acquisition of Mazor Robotics in Dezember 2018.

Insgesamt verschafft der hervorragende Ruf von Medtronic und seine Präsenz in praktisch jedem Krankenhaus für zumindest einige Geräte ihm einen guten Einstieg, um einen soliden Teil des aufstrebenden Marktes für robotergestützte Chirurgie zu erobern, sei es durch interne Entwicklung oder Akquisitionen.

Es verkauft bereits endoskopische Ultraschallsysteme, und seine Präsenz in der Kardiologie könnte helfen, die Technologie der akustischen Pinzetten auf kardiovaskuläre Therapien und Operationen anzuwenden.

2. Cyfuse Biomedical K.K.

Das japanische Unternehmen wurde 2010 gegründet und begann 2013, 3D‑Drucker an Forscher zu verkaufen.

Sein Fokus liegt darauf, Gewebe und Organe ohne künstliche Gerüste zu produzieren, nur mit den Zellen selbst, über seine S‑Spike‑Plattform. Dies ist ein ambitioniertes Ziel, aber auch die endgültige Form des 3D‑Bioprintings, die voraussichtlich im Laufe der Zeit übernommen wird.

Das Fehlen von Gerüsten könnte entscheidend sein, um „Premium“-Organe zu produzieren, die den natürlichen Organen so nahe wie möglich kommen. Die Technologie kann nur 2–3 cm große Organstücke gleichzeitig 3D‑drucken.

Quelle: Cyfuse Biomedical

Es richtet sich an 4 Segmente: Gelenke, Leber, Nerven und Blutgefäße. Es könnte auch verwendet werden, um „Trainings“-Organe für Chirurgen zu erstellen, wodurch sie lernen können, ohne das Leben eines Patienten zu riskieren.

Quelle: Cyfuse Biomedical

Cyfuse ist derzeit nicht profitabel (nach einer kurzen Gewinnphase im Jahr 2021), verzeichnet jedoch bereits einige Millionen Dollar Umsatz.

Dieses Unternehmen richtet sich an Patienten‑Investoren, die darauf setzen, dass diese Technologie breiter angenommen wird und sich so weit verbessert, dass sie vollständige Organe in einem Stück bauen kann.

In dieser Hinsicht könnten fortgeschrittene akustische Pinzetten Schritte fehlen, um komplexere und größere Organe zusammenzusetzen.