Kohdennettu lääkkeiden toimitus voisi hyötyä uudesta ääniaaltoihin perustuvasta tekniikasta

Kohteiden liikuttaminen koskematta niihin

Moderni tiede on löytänyt tapoja siirtää esineitä koskematta niihin. Tämä toteutettiin alun perin niin kutsutuilla optisilla pihdeillä, jotka käyttävät valoa, ja pian toistettiin akustisilla pihdeillä, jotka käyttävät ääntä.

Akustiset pihdit ovat erityisen kiinnostavia, koska ne voivat tunkeutua useimpiin materiaaleihin. Niiden laaja taajuusalue mahdollistaa erikokoisten kohteiden, yksittäisten solujen ja monimutkaisten esineiden, manipuloinnin. Ne ovat myös vaarattomia biologisille kudoksille.

Tästä syystä akustisilla pihdeillä voisi olla laaja sovellusalue, leikkauksista lääkkeiden toimitukseen. Ongelma on, että tähän mennessä tarkka hallinta niiden käytössä oli vaikeaa monimutkaisessa ympäristössä, kuten elävässä elimistössä.

Tämä on muuttumassa kiitos uusien löytöjen, jotka on julkaistu Nature Physics -lehdessä EPFL:n (Sveitsi) ja Wienin teknillisen yliopiston (Itävalta) tutkijoiden toimesta.

Työntäminen ääniaaltojen avulla

Tutkimusryhmä käytti uutta menetelmää akustisten pihdeiden luomiseen, jota kutsutaan nimellä “aallonmomentin muotoilu”. Tekniikka on ääni-aaltojen sovellus valoa hyödyntävään uuteen menetelmään, jonka avulla voidaan järjestää kohteita huolimatta “sekasotkista” ympäristöstä.

Periaatteessa se ensin “kartoittaa” esteiden sirontavaikutuksen matriisirakenteeksi (alhaalla oikealla), mikä mahdollistaa sen, että pihdit voidaan käyttää esteiden läsnä ollessa.

Tämä sirontamatriisi kehittyy reaaliaikaisesti kohteen liikkuessa, ja sen reaaliaikainen päivittäminen oli yksi tutkijoiden tärkeimmistä saavutuksista, joihin he käyttivät monimutkaisia matemaattisia työkaluja.

Lähde: Nature

Tämä muuttaa akustisten pihdeiden toimintatapaa. Normaalisti menetelmä lukitsee kohteen yhteen pisteeseen. Tässä sen sijaan ääniaallot työntävät sitä lempeästi eteenpäin, kuin maila työntäisi kiekkoa.

Menetelmä toimii pallomaisten kohteiden kanssa, mutta myös monimutkaisemmilla muodoilla. Se voi myös hallita kiertoja, lisäten joustavuutta mahdollisiin liikkeisiin. Se toimii lähes kaikilla materiaaleilla, eikä kohteen tarvitse olla magneettinen tai erityisen kestävä.

Lähde: Nature

Mahdolliset sovellukset

Lääketiede & Biotekniikka

Mahdollisuus suorittaa suoraa terapeuttista hoitoa koko kehossa ilman leikkausta on varsin kiinnostava. Tämä voitaisiin erityisesti käyttää syöpähoidossa, jossa lääkkeen toimittaminen suoraan kasvaimeen voisi merkittävästi lisätä tehokkuutta.

“Jotkut lääkkeiden toimitusmenetelmät käyttävät jo ääniaaltoja kapseloitujen lääkkeiden vapauttamiseen, joten tämä tekniikka on erityisen houkutteleva lääkkeen työntämiseksi suoraan kohti kasvainsoluja”

Samoin biologinen analyysi ja näytteiden otto voitaisiin tehdä koskematta suoraan kudoksiin, mikä vähentäisi kontaminaatio- tai toimenpiteestä aiheutuvan vaurion riskiä.

Lopuksi sitä voitaisiin käyttää myös kudosinsinöörityöhön tai jopa 3D-bioprinttaukseen. Manipulointi ilman leikkaamista voisi auttaa luomaan monimutkaisempia rakenteita, tuoden meidät askeleen lähemmäs unelma tuottaa elimiä tilauksesta.

Valmistus

Liikkuminen vapaasti kaikissa suuntiin, pienet partikkelit kuulostavat juuri siltä, mitä 3D-tulostus pyrkii saavuttamaan.

Tässä mielessä akustiset pihdit voisivat olla uusi menetelmä, joka lisätään olemassa oleviin lisävalmistustekniikoihin, järjestäen partikkelit ennen kuin ne sidotaan yhteen kiinteäksi kappaleeksi.

Sitä voitaisiin käyttää myös erillisten osien kokoamiseen, vaikka suora manipulointi ei olisi mahdollista.

Ei ensimmäinen?

Käsittelemme jo samankaltaista teknologiaa artikkelissamme “Akustiset energian lähettimet saattavat pian poistaa leikkauksen aikana tarvittavan viillon”.

Siinä selitimme, miten toinen optisten pihdeiden tyyppi voisi saavuttaa samankaltaisia tuloksia. Tässä tapauksessa painopiste oli enemmän leikkauksen suorittamisessa ilman leikkauksia ja pienten kohteiden siirtämisessä kehon sisällä.

Tämä oli kuitenkin enemmän “klassinen” optinen pihdityyppi, joka lukitsee kohteen yhteen pisteeseen.

Molemmissa tapauksissa akustiset pihdit tekevät vahvaa edistystä perus tieteissään, joko leikkauksessa reaaliaikaisen ultraäänikuvan avulla tai äärimmäisen tarkkojen työntöjärjestelmien ja ajantasaisen sirontamatriisin avulla, jotta haluttu liike pysyy tarkkana.

Nyt meidän tulisi siirtyä vaiheeseen, jossa nämä teknologiat vakiintuvat ja kaupallistetaan, auttaen työntämään uusia innovatiivisia hoitomuotoja ja tehostamaan olemassa olevia.

3D-manipulaatioyritykset

Vaikka yksi edistyneimmistä robottikirurgian järjestelmistä myydään Intuitive Surgicalilta (Intuitive Surgical (ISRG )) (ISRG), yrityksellä on vähemmän asiantuntemusta ultraäänestä tai endoskopiasta kuin joillakin kilpailijoilla. Siksi on todennäköistä, että akustisten pihdeiden ensimmäinen todellinen lääketieteellinen sovellus tulee todennäköisesti lääketieteellisten laitteiden yrityksiltä, jotka ovat jo taitavia integroimaan monia lääketieteellisiä laitteistoja, kuten robotteja tai kirurgisia työkaluja.

Vaihtoehtoisesti akustisten pihdeiden kehitys voisi hyötyä suuresti 3D-tulostuksesta ja bioprinttauksesta, joten alansa johtava yritys voisi myös hyötyä.

1. Medtronic plc

Medtronic on lääketieteellisten laitteiden johtaja, erityisesti leikkauksissa ja tehohoidossa. Vaikka muut segmentitkin voisivat olla siihen liittyviä, Medtronicin lääkirajauksen segmentti edustaa 2,1 miljardia dollaria liikevaihtoa, kokonaisliikevaihdosta 7,7 miljardia dollaria.

Lähde: Medtronic

Yritys on kasvanut orgaanisen kasvun kautta, kiitos suuren osan T&K-budjetista (2,7 miljardia dollaria vuonna 2022) ja yritysostojen (9 vuonna 2022 ja 3,3 miljardin arvosta lisäostot suunnitteilla vuodelle 2023) ansiosta.

Medtronic näkee valtavan mahdollisuuden yksinkertaisempaan, edulliseen robottikirurgiaan:

“vain 2 % maailmanleikkauksista tehdään robottien avustuksella. Jäljellä on 98 %, jotka tulisi tehdä robottiavusteisesti, mutta ei vielä tänään kustannus- ja käyttökuormitusten vuoksi”

Tämän strategian mukaisesti Medtronic on kehittänyt Hugo-järjestelmän.

Lähde: Medtronic

Se myy myös Mazor X Stealth -selkärankarobotin avustamaa leikkauslaitetta, kiitos 1,7 miljardin dollarin Mazor Robotics -yritysoston joulukuussa 2018.

Kaiken kaikkiaan Medtronicin erinomainen maine ja sen läsnäolo lähes jokaisessa sairaalassa ainakin joidenkin laitteiden osalta antaa sille hyvän lähtökohdan valloittaa merkittävä osa nousevaa robottikirurgian markkinaa, joko sisäisen kehityksen tai yritysostojen kautta.

Se myy myös endoskooppisia ultraäänijärjestelmiä, ja sen läsnäolo kardiologiassa voisi auttaa soveltamaan akustisen pihdin teknologiaa sydän- ja verisuoniterapioihin ja -kirurgioihin.

2. Cyfuse Biomedical K.K.

Japanilainen yritys perustettiin vuonna 2010 ja alkoi myydä 3D-tulostimia tutkijoille vuonna 2013.

Sen keskittyminen on tuottaa kudoksia ja elimiä ilman mitään keinotekoista tukirakennetta, pelkästään soluja itse, S-Spike-alustansa kautta. Tämä on kunnianhimoinen tavoite, mutta myös 3D-bioprinttauksen lopullinen muoto, jonka odotetaan ajan myötä omaksuttavan.

Tukirakenteen puuttuminen voi olla ratkaisevaa “premium”-elinten tuottamisessa mahdollisimman lähellä alkuperäisiä elimiä. Teknologia pystyy 3D-tulostamaan kerrallaan vain 2–3 cm:n kokoisia elinpalasia.

Lähde: Cyfuse Biomedical

Se kohdistaa neljään segmenttiin: nivelten, maksan, hermoston ja verisuonten. Sitä voitaisiin myös käyttää “koulutus”elinten luomiseen kirurgeille, auttaen heitä oppimaan ilman potilaan hengen vaarantamista.

Lähde: Cyfuse Biomedical

Cyfuse ei toistaiseksi ole kannattava (lyhyen voittoaikajakson jälkeen vuonna 2021), mutta se kirjaa jo muutaman miljoonan dollarin liikevaihdon.

Tämä yritys on potilas-sijoittajille, jotka luottavat siihen, että teknologia tulee yleistymään ja kehittymään siihen pisteeseen, että se pystyy rakentamaan kokonaisia elimiä kerralla yhdessä lohkossa.

Tässä mielessä kehittyneet akustiset pihdit saattavat puuttua vaiheita monimutkaisempien ja suurempien elinten kokoamiseen.