Kohdennettu lääkkeen vapautuminen lähestyy toteutumista uusimpien kuplarobottien avulla

Robotiikan käyttö lisääntyy, kun tehokkaiden ja kustannuksia säästävien ratkaisujen kysyntä kasvaa.

Automaatio sekä tekoälyn ja koneoppimisen hyödyntäminen laajentavat robottien mahdollisia käyttökohteita. Artikkelissa käytetyn markkinaennusteen mukaan maailman robotiikkamarkkinat voisivat ylittää 200 miljardia dollaria vuosikymmenen loppuun mennessä. Kyse on ennusteesta, jonka tulos riippuu markkinan rajauksesta.

Teollisuusrobottien käyttöä kuvaa myös asennusten määrä. IFR:n mukaan uusia robotteja asennettiin vuonna 2023 maailmanlaajuisesti 541 302 . Se oli historian toiseksi suurin vuosittainen määrä. Edellisen vuoden vertailukelpoinen ennätys oli 552 946 robottia.

Vuoden 2023 lopussa käytössä oli noin 4,3 miljoonaa teollisuusrobottia. Uusista asennuksista 70 % tehtiin Aasiassa, 17 % Euroopassa ja 10 % Amerikassa. Nämä ovat asennusten alueellisia osuuksia, eivät kasvuprosentteja. Japani on merkittävä robottien valmistaja: IFR:n vuonna 2023 julkaisemissa vuoden 2022 tiedoissa sen osuus maailman tuotannosta oli 46 %.

IFR arvioi vuonna 2024, että asennusten kasvu voisi nopeutua vuonna 2025 ja jatkua sitä seuraavina vuosina.

Auto- ja elektroniikkateollisuus ovat suuria teollisuusrobottien käyttäjiä. Robotit yleistyvät myös metalli- ja konepajateollisuudessa sekä esimerkiksi jätehuollossa, maataloudessa, vähittäiskaupassa, rakentamisessa ja ruokapalveluissa.

Robotit terveydenhuollossa

Terveydenhuolto on yksi robotiikan tärkeistä käyttökohteista. Artikkelissa käytetty kaupallinen markkinatutkimus arvioi lääkinnällisten robottijärjestelmien markkinoiden kasvavan 16 miljardista dollarista vuonna 2024 noin 33,8 miljardiin dollariin vuoteen 2029 mennessä.

Robotit voivat auttaa esimerkiksi sairaalalogistiikassa, kuntoutuksessa, diagnostiikassa, leikkauksissa sekä lääkkeiden käsittelyssä ja annostelussa.

Robottikäsivarsia käytetään muun muassa sekoittamiseen, annosteluun, laskentaan ja tarkastukseen. Liikkuvat kuljetusrobotit vievät tarvikkeita määrättyihin paikkoihin.

Autonomiset mobiilirobotit voivat vähentää toistuvien kuljetustehtävien fyysistä kuormitusta ja helpottaa henkilöstön työtä. Muut robottijärjestelmät voivat tukea varastonhallintaa tai tilojen desinfiointia; kaikki robotit eivät tee kaikkia näitä tehtäviä.

Rutiinitehtävien automatisointi voi vapauttaa henkilöstön aikaa potilastyöhön. Aethonin TUG on esimerkki sairaaloissa käytettävästä kuljetusrobotista, joka toimittaa tavaroita eri kohteisiin.

Siivous-, desinfiointi- ja kuljetusrobotit voivat myös vähentää henkilöstön tarvetta työskennellä tietyissä altistumisympäristöissä.

Yhdysvaltain CDC:n arvion mukaan noin yhdellä 31:stä sairaalapotilaasta on minä tahansa päivänä vähintään yksi hoitoon liittyvä infektio. Niillä on useita syitä, eikä kyse ole vain pintojen puhdistamisesta. Xenexin LightStrike+ sai vuonna 2023 FDA:n De Novo -luvan mikrobimäärän vähentämiseen tietyillä pinnoilla. Pulssitettu UV-käsittely täydentää tavanomaista puhdistusta ja desinfiointia; se ei steriloi koko huonetta.

Kirurgiset robottijärjestelmät auttavat kirurgia ohjaamaan instrumentteja tarkasti myös vaativissa toimenpiteissä.

Da Vinci on kirurgin ohjaama järjestelmä, jota käytetään vähän kajoavassa kirurgiassa. CyberKnife puolestaan kohdistaa sädehoitoa kasvaimiin. Niiden toiminta ja hoidon tulokset riippuvat käyttökohteesta ja hoitotiimistä.

Apteekkien automaatio voi auttaa lääkkeiden lajittelussa, annostelussa ja tarkastuksessa. Ikääntyminen ja pitkäaikaissairaudet lisäävät näiden palvelujen tarvetta. Järjestelmät voivat parantaa prosessien tarkkuutta ja tehokkuutta.

Robotit lääkkeiden kohdennetussa kuljetuksessa

Tutkimuksessa kehitetään myös pienoisrobotteja, jotka voisivat viedä lääkeaineen suoraan hoitokohteeseen.

Mikro- ja nanorobotteja voidaan liikuttaa kemiallisilla reaktioilla tai ulkoisilla ärsykkeillä, kuten valolla, sähkö- tai magneettikentillä. Tavoitteena on parantaa kohdentumista ja vähentää haittoja; suuri osa järjestelmistä on vielä kokeellisia.

Aiemmassa tutkimuksessa kehitettiin MANiAC-mikrorobotteja, joissa magneettisia nanosauvoja on pehmeässä pallomaisessa rakenteessa. Stanfordin tutkijat puolestaan esittelivät vuonna 2022 langattomia monitoimisia pienoisrobotteja lääkekuljetuksen tutkimukseen.

NTU Singapore esitteli lokakuussa 2024 jyvänkokoisen pehmeän robotin. Magneettikentällä ohjattava rakenne voi kuljettaa enintään neljää eri lääkettä ja vapauttaa niitä ohjelmoitavassa järjestyksessä ja annoksina.

Työ pohjautui ryhmän aiempiin magneettisesti ohjattuihin pienoisrobotteihin, jotka pystyivät esimerkiksi tarttumaan pieniin kohteisiin ja liikkumaan ahtaissa tiloissa.

Tutkijat mainitsivat inspiraatiokseen vuoden 1966 tieteiselokuvan Fantastic Voyage, jossa kutistettu miehistö matkustaa ihmisen sisälle. Todelliset robotit ovat kuitenkin varhaisen vaiheen tutkimusteknologiaa.

Laboratoriokokeissa robotti liikkui noin 0,30–16,5 mm sekunnissa erilaisissa koeympäristöissä. Lääkettä vapautui vain vähän ennen kohdetta myös pitkissä, jopa kahdeksan tunnin liikkumiskokeissa.

NTU:n ryhmä tutkii pienentämistä ja jatkokokeita. Mahdollisia tulevia käyttökohteita ovat esimerkiksi virtsarakon, aivojen ja paksusuolen kasvaimet.

Mikrorobotit ja täsmälääketiede

Mikrorobotit ovat pieniä rakenteita, jotka voivat suorittaa ohjattuja tehtäviä. Osa sisältää antureita tai toimilaitteita, osa hyödyntää materiaalin ja ulkoisen kentän vuorovaikutusta. Niiden koko voi mahdollistaa pääsyn vaikeasti saavutettaviin kohteisiin lääkekuljetuksessa ja muissa lääketieteellisissä sovelluksissa.

Haasteita ovat liikkumisen tehokkuus sekä paikantaminen syvällä kudoksessa.

Vaikka mikro- ja nanorobotteja on kehitetty jo vuosikymmeniä, sovellukset elävissä elimistöissä ovat edelleen rajallisia. Tarkka liikkuminen monimutkaisissa biologisissa nesteissä, kuten syljessä, virtsassa ja veressä, on vaikeaa.

Muita haasteita ovat reaaliaikainen kuvantaminen ja täsmällinen etäohjaus hoitokohteeseen.

Suunnittelussa erotetaan ulkoiseen rakenteeseen kytketyt ja vapaasti liikkuvat robotit. Jälkimmäisiltä vaaditaan vakaata työntövoimaa biologisissa nesteissä, riittävää lääkekuormaa, hyvää bioyhteensopivuutta, paikannettavuutta ja tarkkaa ohjausta. Elimistössä hajoava rakenne voisi vähentää poistotoimenpiteen tarvetta.

Akustisesti eli äänellä liikutettavat robotit ovat kiinnostavia, koska ultraääni voi tunkeutua kudokseen ja mahdollistaa ulkoisen ohjauksen. Turvallisuus on silti osoitettava kullekin sovellukselle.

Caltechin johtama ryhmä esitteli BAM-mikrorobotin: hydrogeelistä valmistetun, kuvantamisella seurattavan ja elimistössä hajoavan akustisen rakenteen. Se on pieni kuplaa pidättävä pallo, ei metallinen ihmishahmo. Sitä tutkittiin laboratorio- ja hiirikokeissa.

Tutkimuksen toinen vastaava kirjoittaja Wei Gao on Caltechin lääketieteellisen tekniikan professori ja Heritage Medical Research Instituten tutkija. Hän kuvasi työn tavoitetta näin:

”Olemme suunnitelleet yhden alustan, jolla voidaan vastata kaikkiin näihin ongelmiin.”

Hiirikokeissa robotit kuljettivat lääkeainetta, joka pienensi virtsarakon kasvaimia. Tämä on prekliininen tulos, ei osoitus tehosta ihmisillä.

”Sen sijaan, että lääke annettaisiin kehoon ja sen annettaisiin levitä kaikkialle, voimme ohjata mikrorobotit suoraan kasvaimen kohdalle ja vapauttaa lääkkeen hallitusti ja tehokkaasti.”

– Gao

BAM-teknologian mahdollinen kliininen käyttö edellyttää jatkotutkimuksia, turvallisuuden arviointia ja myöhemmin ihmiskokeita.

BAM-robotin suunnittelu ja valmistus

Pallomaiset mikrorakenteet valmistettiin polyetyleeniglykolidiakrylaatista (PEGDA). Hydrogeeli muodostuu, kun nestemäisen tai hartsimaisen materiaalin polymeeriverkosto ristisilloitetaan.

Verkosto sitoo paljon nestettä. Koostumus ja valmistusmenetelmä auttavat toteuttamaan bioyhteensopivan rakenteen, jonka ulkokuori voi kantaa lääkeainetta.

Hydrogeelin koostumuksen ja mikrorakenteiden kehittämiseen osallistui Julia R. Greer. Hän on Caltechin materiaalitieteen, mekaniikan ja lääketieteellisen tekniikan professori ja hoitaa Ruben F. ja Donna Mettlerin nimikkoprofessuuria.

Greerin ryhmä käytti kaksifotonipolymerisaatiolitografiaa (TPP). Hyvin lyhyet infrapunalaserpulssit ristisilloittavat valoherkkää materiaalia tarkasti haluttuun muotoon.

Menetelmä mahdollistaa monimutkaisten kolmiulotteisten rakenteiden tarkan valmistamisen. Pallojen halkaisija oli noin 30 mikrometriä, eli ohuen ihmishiuksen suuruusluokkaa.

Greer kuvasi onttojen pallojen valmistamista vaativaksi: tarvittiin erityistä menetelmäosaamista, jotta rakenteet eivät painuisi kasaan.

”Pystyimme syntetisoimaan tarvittavat biologiset ja lääketieteelliset ominaisuudet sisältävän hartsin sekä valmistamaan siitä tarkan pallomaisen rakenteen, jossa on tarvittava ontelo.”

– Greer

Lopullisessa rakenteessa pallon hydrogeelikuoreen sisällytettiin magneettisia nanohiukkasia ja lääkeainetta.

Nanohiukkaset mahdollistavat ohjauksen ulkoisella magneettikentällä. Kohteeseen saavuttuaan robotit jäävät paikalleen ja lääke diffundoituu vähitellen ulos.

Ulkopinta tehtiin hydrofiiliseksi eli vettä puoleensa vetäväksi. Se vähentää yksittäisten robottien takertumista toisiinsa.

Sisäpinta puolestaan on hydrofobinen eli vettä hylkivä. Sen tehtävä on pidättää ilmakupla, joka muutoin voisi nopeasti liueta tai romahtaa.

Erilaiset sisä- ja ulkopinnat toteutettiin kaksivaiheisella kemiallisella muokkauksella.

Ensin hydrogeeliin liitettiin pitkäketjuisia hiilirakenteita, jotka tekivät pinnat vettä hylkiviksi. Happiplasmaetsauksella niitä poistettiin ulkopinnalta, jolloin ulkopinta muuttui hydrofiiliseksi ja sisäpinta jäi hydrofobiseksi.

Gao piti epäsymmetristä pintakemiaa työn keskeisenä innovaationa: sen avulla suuri määrä robotteja voi pidättää kuplia pitkään esimerkiksi virtsassa tai seerumissa.

Kokeissa kuplat säilyivät käsitellyissä rakenteissa useita päiviä tavanomaisten muutamien minuuttien sijaan.

Kuplia tarvitaan sekä liikkeen tuottamiseen että ultraäänikuvantamiseen.

Palloon tehtiin kaksi sylinterimäistä aukkoa. Kaksi aukkoa paransi liikkumista erilaisissa biologisissa nesteissä ja mahdollisti suuremman nopeuden kuin yksi aukko.

Ultraäänikenttä saa kuplan värähtelemään. Tämä synnyttää ympäröivään nesteeseen virtauksia, jotka liikuttavat robottia.

Pidätetty kupla toimii myös ultraäänikuvauksen varjoaineena, minkä ansiosta robotteja voidaan seurata reaaliaikaisesti eläinkokeessa.

Virtsarakon kasvaimia kantaville hiirille annettiin neljä robottien kuljettamaa lääkeannosta noin kolmen viikon koejakson aikana. Kasvaimet pienenivät enemmän kuin vertailuhoidossa, jossa lääkettä annettiin ilman robotteja. Gao totesi:

”Pidämme tätä lupaavana alustana lääkekuljetukseen ja tarkkuuskirurgiaan. Jatkossa voitaisiin tutkia erilaisten lääkeaineiden kuljettamista eri sairauksissa. Pitkällä aikavälillä toivomme testaavamme menetelmää ihmisillä.”

Lue lisää tarttuvasta metallista ja sen mahdollisista robotiikan sovelluksista.

Lääketieteellisen robotiikan pörssiyhtiö

Yksi alalla toimiva yhtiö on Intuitive Surgical:

Intuitive Surgical

Intuitive Surgical kehittää, valmistaa ja markkinoi da Vinci -kirurgiajärjestelmiä sekä keuhkojen tutkimiseen tarkoitettua Ion-järjestelmää. Artikkelin vuoden 2024 hintatilanteessa markkina-arvo oli noin 186,6 miljardia dollaria. Hoitotulokset riippuvat toimenpiteestä ja käyttötilanteesta.

Samassa vuoden 2024 hintatilanteessa osake oli noin 517 dollaria ja vuoden alusta tapahtunut nousu noin 55,3 %. Viimeisten 12 kuukauden osakekohtainen tulos oli noin 6,2 dollaria ja P/E-luku noin 84. Vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä yhtiö raportoi 2,04 miljardin dollarin liikevaihdon, mikä oli 17 % enemmän kuin vuotta aiemmin.

Da Vinci -toimenpiteiden maailmanlaajuinen määrä kasvoi noin 18 % vuoden 2023 kolmanteen neljännekseen verrattuna. Asennettu kanta oli 9 539 järjestelmää, ja Intuitive Surgical (ISRG ) toimitti neljänneksen aikana 379 järjestelmää. Da Vinci 5 sai myös viranomaishyväksynnän Etelä-Koreassa.

Yhteenveto

Robotiikka voi tehostaa terveydenhuollon logistiikkaa, avustaa leikkauksissa ja tukea puhdistusta. Eri järjestelmien hyötyjä on arvioitava niiden käyttötarkoituksen ja kliinisen näytön perusteella.

BAM-mikrorobotit ovat esimerkki kohdennetun lääkekuljetuksen prekliinisestä tutkimuksesta. Hiirillä saadut tulokset ovat lupaavia, mutta potilaskäyttöön pääsy edellyttää vielä paljon tutkimusta.

Tutustu robottiavusteisen kirurgian pörssiyhtiöihin.