Il rilascio mirato di farmaci si avvicina alla realizzazione con gli ultimi Bubble-Bot

La robotica sta diventando sempre più popolare ogni anno che passa, poiché la domanda di soluzioni efficienti ed economiche aumenta. 

Con la tecnologia robotica che offre convenienza e maggiore sicurezza e l’integrazione dell’intelligenza artificiale e del machine learning, consentendo capacità robotiche più avanzate, non è sorprendente che il mercato globale della robotica si preveda superi $200 billion by the end of this decade. 

Un’altra prova dell’aumento dell’uso della robotica è l’installazione globale di robot industriali, che ha raggiunto 541,302 nel 2023, la seconda più alta installazione annuale nella storia. Il record è stato stabilito l’anno precedente, quando sono state installate 552,946 unità.

Con ciò, il numero totale di robot operativi ha ora raggiunto un nuovo massimo di circa 4,3 milioni di unità in tutto il mondo, con l’Asia che guida questa crescita al 70%, seguita dall’Europa al 17% e poi dall’America al 10%. Per quanto riguarda la produzione di robot, il Giappone è in testa, con una quota di mercato del 46%.

Secondo la International Federation of Robotics (IFR), la crescita della robotica accelererà nel 2025 e continuerà a questo ritmo negli anni a venire.

Ora, per quanto riguarda le industrie che stanno guidando la massiccia espansione della robotica, l’automotive è in testa, seguita da elettronica, metalli e macchinari, gestione dei rifiuti, agricoltura, retail, costruzione e servizi alimentari, che sono altri settori che utilizzano robot.

Robot nella sanità

Mentre i robot vengono utilizzati in tutti i settori, c’è un ambito in cui hanno un impatto molto più grande e positivo, e quello è la medicina. Il mercato globale dei sistemi robotici medici è in rapida crescita e si stima che la sua dimensione aumenterà da 16 miliardi di dollari nel 2024 a 33,8 miliardi di dollari entro il 2029.

I robot vengono utilizzati in tutti i settori della sanità, dalla fornitura di farmaci e assistenza alla riabilitazione, fino al supporto nella diagnostica, chirurgia e somministrazione di farmaci.

Ad esempio, le braccia robotiche vengono utilizzate per mescolare, dosare, contare e ispezionare, mentre i robot di approvvigionamento programmati servono a consegnare articoli in luoghi specifici.

Questi robot mobili autonomi semplificano le attività di routine per i professionisti sanitari riducendo le richieste fisiche sui lavoratori umani e affrontando la carenza di personale. Tengono anche traccia dell’inventario e assicurano che tutte le forniture siano sempre disponibili quando necessario, oltre a sanificare le stanze e prepararle per i pazienti.

Assumendo tutte queste attività di routine, i robot mobili autonomi consentono al personale medico di concentrarsi sui pazienti e sulle loro esigenze specifiche che la tecnologia non può soddisfare. Il robot chiamato Tug di Aethon è un esempio di questo, in grado di muoversi in condizioni difficili per effettuare consegne sicure dove e quando sono necessarie.

Questi robot contribuiscono anche a creare un ambiente di lavoro sicuro gestendo le attività di pulizia, disinfezione e trasporto di forniture verso ospedali e regioni dove vi è rischio di esposizione a patogeni.

Secondo i CDC, circa uno su 31 pazienti ospedalizzati ha almeno un’infezione associata all’assistenza sanitaria in un dato giorno. Questo è dovuto all’incapacità degli ospedali di disinfettare completamente le stanze. Per affrontare questi problemi, vengono costruiti robot automatizzati come lo Xenex autorizzato dalla FDA, che utilizza raggi UV pulsati per sterilizzare le stanze ospedaliere in pochi minuti. 

L’innovazione tecnologica ha anche portato a robot avanzati di assistenza chirurgica che aiutano i chirurghi a ottenere maggiore velocità e precisione durante operazioni complesse. 

Un robot a più bracci chiamato da Vinci Surgical System è uno di questi robot utilizzati per rendere la chirurgia meno invasiva, ridurre gli errori chirurgici e fornire un controllo migliorato. Il Cyberknife è un altro che tratta i tumori somministrando terapia a radiazioni ai tumori con estrema precisione. 

Ci sono poi i robot farmaceutici, che stanno guadagnando molta trazione a causa dell’invecchiamento della popolazione e dei pazienti con malattie croniche che richiedono medicazioni continue e trattamenti precisi. Automatizzando processi critici solitamente eseguiti manualmente e dispendiosi in termini di tempo, i robot farmaceutici migliorano ulteriormente la qualità e la precisione.

Robot per la somministrazione di farmaci 

Guidati dai progressi tecnologici e dalla crescente necessità di automazione nello sviluppo di farmaci e nella cura dei pazienti, i robot stanno rendendo la somministrazione di farmaci più efficiente e precisa, migliorando l’assistenza al paziente.

Le aziende stanno sviluppando micro e nanorobot che si muovono autonomamente per consegnare farmaci a zone difficili da raggiungere, alimentati da reazioni chimiche o fonti esterne come luce, campi elettrici o campi magnetici. Mirando ai siti della malattia, questi robot migliorano l’efficacia terapeutica e riducono gli effetti collaterali.

Un paio di anni fa, un team di ricercatori ha sviluppato i MANiACs, piccoli robot rotolanti con nanorod magnetici racchiusi in un guscio sferico morbido. Nel 2022, un ingegnere meccanico di Stanford ha costruito robot wireless multifunzionali per lo stesso scopo. 

E solo pochi mesi fa, ricercatori della NTU Singapore hanno sviluppato robot morbidi delle dimensioni di un chicco per la somministrazione mirata di farmaci. Il robot, realizzato con microparticelle magnetiche e controllato mediante campi magnetici, può trasportare fino a quattro diversi farmaci e rilasciarli in dosi e sequenze riprogrammabili.

Questa ricerca è stata costruita sul lavoro precedente del team, che coinvolgeva robot miniaturizzati controllati magneticamente in grado di afferrare piccoli oggetti e nuotare attraverso spazi ristretti, tra le altre movimentazioni complesse.

Ispirandosi a un film di fantascienza degli anni ’60, ‘Fantastic Voyage’, in cui un equipaggio si riduce alle dimensioni di una cellula per riparare danni nel cervello di uno scienziato, la ricerca sta portando l’immaginazione nella realtà.

Il robot altamente dextrous, testato in esperimenti di laboratorio, si è mosso a velocità comprese tra 0,30 mm e 16,5 mm al secondo, ha consegnato con successo i farmaci in ambienti più difficili e, anche dopo otto ore di movimento continuo, ha mostrato una perdita minima di farmaco.

Il team della NTU sta ora valutando di rendere questi robot ancora più piccoli in modo da poterli utilizzare per trattare il cancro alla vescica, i tumori cerebrali e il cancro colorettale.

Microbot: robot minuscoli che rivoluzionano la medicina di precisione

I microrobot utilizzano sensori e attuatori miniaturizzati per eseguire azioni per le quali sono programmati. La loro dimensione micron li rende facili da usare in ambienti tradizionalmente troppo intricati e difficili da raggiungere. Questa capacità rende questi robot inestimabili per la chirurgia minimamente invasiva, la diagnosi di malattie, la disintossicazione e la somministrazione di farmaci di precisione.

Tuttavia, non sono privi di sfide in termini di efficacia e localizzazione attraverso i tessuti profondi.

Un altro problema importante è che si sono dimostrati più spettacolo che sostanza. Negli ultimi due decenni, sono state rilasciate diverse versioni di micro- o nanorobot, ma finora le loro applicazioni nei sistemi viventi sono state piuttosto limitate. Inoltre, spostare oggetti con alta precisione in biofluidi complessi come saliva, urina e sangue è anche piuttosto complesso. 

Altri ostacoli per i nanorobot includono la rilevazione in tempo reale all’interno del corpo e il raggiungimento di un controllo remoto preciso per la terapia mirata.

Inoltre, nella progettazione di questi microbot, sorge la domanda se debbano essere collegati o senza cavo. Per un microrobot senza cavo per operare efficacemente nel corpo umano, deve avere una propulsione costante attraverso i biofluidi, una forte capacità di carico, alta biocompatibilità per evitare la rimozione chirurgica, imaging migliorato per la visualizzazione in tempo reale e targeting preciso.

Qui, i robot attivati acusticamente stanno mostrando un potenziale notevole grazie ai vantaggi della penetrazione profonda nei tessuti, operazione non invasiva, risposta rapida, forze propulsive robuste e sicurezza.

Così, i ricercatori della Caltech hanno introdotto BAM — un microrobot acustico bioassorbibile guidato dall’imaging, basato su idrogel, che può navigare nel corpo umano con alta stabilità. BAM non è un umanoide metallico o un robot biomimetico, è una piccola sfera simile a una bolla.

Secondo il co-autore corrispondente del documento sui bot, Wei Gao, professore di ingegneria medica alla Caltech e investigatore del Heritage Medical Research Institute:

“Abbiamo progettato una piattaforma unica che può affrontare tutti questi problemi.”

Nella loro ricerca, gli scienziati hanno osservato che, una volta testati, i bot hanno aiutato il team a somministrare con successo terapie che hanno ridotto le dimensioni dei tumori alla vescica nei topi. 

“Invece di introdurre un farmaco nel corpo e lasciarlo diffondere ovunque, ora possiamo guidare i nostri microrobot direttamente a un sito tumorale e rilasciare il farmaco in modo controllato ed efficiente.”

– Gao

Man mano che la tecnologia BAM avanza, lo studio prevede che il dispositivo avrà un impatto significativo sul settore sanitario e sulla cura dei pazienti.

Progettazione e sviluppo di BAM

Il nuovo microrobot, che presenta microstrutture sferiche, è realizzato con un idrogel chiamato poli(ethylene glycol) diacrilato. L’idrogel parte in forma liquida o di resina, ma quando la rete di polimeri al suo interno si incrocia, diventa solido.

Avere tale composizione e microstruttura consente agli idrogel di trattenere grandi quantità di fluido, aiutando il team a superare il problema della biocompatibilità dei robot. Nel frattempo, la fabbricazione mediante manifattura additiva permette alla sfera esterna di trasportare il carico terapeutico verso un sito target all’interno del corpo.

Le microstrutture e la ricetta dell’idrogel sono state realizzate con l’aiuto di Julia R. Greer, co-autrice corrispondente, e Ruben F. e Donna Mettler, professori di Scienza dei Materiali, Meccanica e Ingegneria Medica.

Per questo, il suo gruppo ha utilizzato la litografia a polimerizzazione a due fotoni (TPP). In questa tecnica di stampa 3D, un laser viene usato per creare strutture complesse. Qui, impulsi ultra-veloci di luce laser infrarossa vengono impiegati per incrociare selettivamente polimeri fotosensibili seguendo un progetto specifico.

La litografia TPP costruisce fondamentalmente una struttura ad alta risoluzione strato per strato, consentendo al team di ottenere forme complesse e alta precisione. Il gruppo è riuscito a stampare (scrivere) microstrutture di circa 30 micron di diametro, pari alla larghezza di un capello umano.

Parlando della forma sferica della struttura, Greer ha osservato che è “molto complicato da scrivere” e richiede la conoscenza di “certi trucchi del mestiere per evitare che le sfere collassino su se stesse”, quindi è un grande risultato che il team sia riuscito a crearle.

“Siamo stati in grado non solo di sintetizzare la resina che contiene tutta la biofunzionalizzazione e tutti gli elementi medici necessari, ma anche di scriverli in una forma sferica precisa con la cavità necessaria.”

– Greer

Questa è la struttura interna della sfera, e per quanto riguarda la sua struttura esterna, i microrobot incorporeranno nanoparticelle magnetiche e il farmaco terapeutico al loro interno nella forma finale.

Le nanoparticelle magnetiche consentono ai ricercatori di controllare i robot e indirizzarli verso la posizione desiderata usando un campo magnetico esterno. Quando raggiungono il bersaglio, i robot rimangono in quella posizione e il farmaco si diffonde passivamente.

Per quanto riguarda l’esterno della microstruttura, il team l’ha ulteriormente progettata per essere idrofila, cioè attratta dall’acqua. Questo assicura che i singoli robot non si attacchino tra loro durante il viaggio nel corpo.

Al contrario della superficie esterna del microrobot, la superficie interna non è idrofila ma idrofobica perché deve catturare una bolla d’aria, facile da dissolvere.

Per costruire un microrobot ibrido la cui parte esterna attira l’acqua mentre l’interno la respinge, il team ha progettato una modifica chimica.

Questa modifica prevedeva due fasi; la prima consisteva nell’aggiungere molecole di carbonio a catena lunga all’idrogel, rendendolo effettivamente idrofobico. Nella seconda fase, gli scienziati hanno utilizzato la tecnica di incisione al plasma di ossigeno per rimuovere le strutture di carbonio dall’esterno, rendendo la superficie esterna idrofila.

Definendo la loro modifica chimica “una delle principali innovazioni di questo progetto”, Gao ha affermato che la modifica asimmetrica della superficie è stata quella che ha realmente permesso loro “di utilizzare molti robot e trattenere le bolle per un periodo prolungato in biofluidi, come urine o siero”.

Secondo la dimostrazione del team, questa tecnica ha permesso alle bolle di durare diversi giorni, anziché pochi minuti.

Ora, perché dobbiamo intrappolare queste bolle in primo luogo? Beh, avere bolle intrappolate è necessario per muovere i robot e per tracciarli con imaging in tempo reale.

Per consentire al microrobot di avanzare, i ricercatori hanno dotato la sfera di due aperture a forma di cilindro. Il team ha scoperto che avere due aperture permette ai robot di muoversi in vari biofluidi a velocità maggiori rispetto a una singola apertura.

Quando esposti a un campo ultrasonico, le bolle all’interno del robot vibrano, facendo fluire il liquido circostante via dal robot, spingendo il robot attraverso il fluido.

La bolla, che è intrappolata in ogni microstruttura, funge da eccellente agente di contrasto per l’imaging a ultrasuoni, consentendo il monitoraggio in tempo reale dei robot in vivo.

Il team ha quindi testato i microrobot come strumento di somministrazione di farmaci in topi con tumori alla vescica. In 22 giorni, sono state effettuate quattro somministrazioni di terapie con l’aiuto dei microrobot. Queste somministrazioni si sono dimostrate più efficaci nel ridurre le dimensioni dei tumori rispetto a quelle che non hanno utilizzato robot.

“Riteniamo che questa sia una piattaforma molto promettente per la somministrazione di farmaci e la chirurgia di precisione. Guardando al futuro, potremmo valutare l’uso di questo robot come piattaforma per consegnare diversi tipi di carichi terapeutici o agenti per diverse condizioni. E a lungo termine, speriamo di testarlo sull’uomo.”

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Azienda investibile nel settore della robotica medica 

Ora, diamo un’occhiata a un’azienda di spicco in questo settore:

Intuitive Surgical (ISRG )

Questa azienda con una capitalizzazione di mercato di 186,6 miliardi di dollari è nota per lo sviluppo, la produzione e la commercializzazione del sistema chirurgico da Vinci e del sistema endoluminale Ion. I prodotti e i servizi di Intuitive Surgical consentono risultati migliori per i pazienti.

Al momento della stesura, le sue azioni sono quotate a $517, in rialzo del 55,3% YTD, con un EPS (TTM) di 6,2 e un P/E (TTM) di 84,22. Per il Q3 2024, l’azienda ha riportato $2,04 miliardi di fatturato, un aumento del 17% rispetto allo stesso trimestre dell’anno precedente.

Durante questo periodo, le procedure da Vinci a livello mondiale sono aumentate di circa il 18% rispetto al 3Q23, e la sua base installata è cresciuta a 9.539 sistemi, con Intuitive Surgical che ha installato 379 di tali sistemi. L’azienda ha inoltre ottenuto l’autorizzazione regolamentare per il sistema in Corea del Sud.

Conclusione

La robotica sta attirando molta attenzione in tutto il mondo e in tutti i settori. La domanda di robot nella sanità è particolarmente forte e in crescita grazie alla loro capacità di semplificare i flussi di lavoro clinici, assistere nella chirurgia, ridurre il rischio di infezioni e fornire un ambiente più sicuro e cure di alta qualità per i pazienti.

Le ultime ricerche sui nanorobot, come abbiamo osservato oggi, dimostrano una svolta medica che può cambiare l’industria sanitaria trattando condizioni non solo difficili ma anche potenzialmente impossibili. Questo certamente apre la strada a terapie migliorate e a un futuro più sano.

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