Gerichte geneesmiddelafgifte kan profiteren van nieuwe techniek met geluidsgolven

Beweging van objecten zonder ze aan te raken

De moderne wetenschap heeft manieren ontdekt om dingen te verplaatsen zonder ze aan te raken. Dit werd voor het eerst gedaan met zogenaamde optische pincetten, die licht gebruiken, en al snel gerepliceerd met akoestische pincetten, die geluid gebruiken.

Akoestische pincetten zijn van bijzonder belang omdat ze de meeste materialen kunnen doordringen. Hun brede frequentiebereik maakt manipulatie van objecten van verschillende groottes mogelijk, van individuele cellen tot complexe objecten. Ze zijn bovendien onschadelijk voor biologisch weefsel.

Om deze reden kunnen akoestische pincetten een breed scala aan toepassingen hebben, van chirurgie tot geneesmiddelafgifte. Het probleem is dat tot nu toe precieze controle tijdens het gebruik moeilijk was in een complexe omgeving zoals een levend lichaam.

Dit verandert nu, dankzij nieuwe ontdekkingen gepubliceerd in Nature Physics door onderzoekers van de EPFL (Zwitserland) en de Technische Universiteit van Wenen (Oostenrijk).

Duwen met geluidsgolven

Het onderzoeksteam gebruikte een nieuwe methode om akoestische pincetten te creëren, genaamd “wave‑momentum shaping”. De techniek is de aanpassing van licht naar geluidsgolven van een nieuwere methode die licht gebruikt om te organiseren, zelfs in een “rommelige” omgeving.

In wezen “mappt” het eerst het verstrooiingseffect van obstakels naar een matrixstructuur (onder rechts), waardoor men kan bepalen hoe de pincetten te gebruiken ondanks obstakels op de weg.

Deze verstrooiingsmatrix evolueert in realtime terwijl het object beweegt, en het up-to-date houden in realtime was een van de belangrijkste prestaties van de onderzoekers, die complexe wiskundige tools gebruikten om dit te realiseren.

Bron: Nature

Dit verandert de manier waarop akoestische pincetten werken. Normaal vangt de methode een object op één plek. Hier duwen de geluidsgolven het in plaats daarvan zachtjes voort, als een hockeystick die een puck duwt.

De methode werkt met bolvormige objecten, maar ook met complexere vormen. Ze kan ook rotaties beheersen, waardoor er meer flexibiliteit in mogelijke bewegingen ontstaat. Ze werkt met vrijwel elk materiaal, waarbij het doelwit niet magnetisch of bijzonder resistent hoeft te zijn.

Bron: Nature

Mogelijke toepassingen

Medisch & Biotech

De mogelijkheid van directe therapeutische behandeling door het hele lichaam zonder chirurgie is behoorlijk interessant. Dit zou vooral kunnen worden gebruikt voor kankertherapie, waarbij het direct afleveren van het geneesmiddel in de tumor de efficiëntie sterk kan verhogen.

“Sommige geneesmiddelleveringsmethoden gebruiken al geluidsgolven om ingekapselde geneesmiddelen vrij te geven, dus deze techniek is bijzonder aantrekkelijk om een geneesmiddel direct naar tumorcellen te duwen”

Evenzo kan biologische analyse en het nemen van monsters worden uitgevoerd zonder direct de weefsels aan te raken, waardoor het risico op contaminatie of schade door de procedure wordt verminderd.

Ten slotte zou het ook kunnen worden gebruikt voor weefselengine­ering of zelfs 3D-bioprinting. Het mogelijk maken van manipulatie zonder doorsnijden kan helpen complexere ontwerpen te creëren, waardoor we een stap dichter bij de droom om organen op aanvraag te produceren komen.

Productie

Vrij bewegen in alle richtingen, kleine deeltjes klinken precies wat 3D‑printen probeert te bereiken.

In dat opzicht zouden akoestische pincetten een nieuwe methode kunnen zijn die kan worden toegevoegd aan bestaande additieve productietechnieken, waarbij de deeltjes worden gerangschikt voordat ze tot een solide object worden samengevoegd.

Ze zou ook kunnen worden gebruikt om afzonderlijke onderdelen samen te stellen, zelfs wanneer directe manipulatie niet mogelijk zou zijn.

Geen eerste?

We hebben al een vergelijkbare technologie behandeld in ons artikel “Akoestische energie‑emitters kunnen binnenkort de noodzaak van incisies tijdens operaties eliminereny”.

Daarin legden we uit hoe een ander type optische pincetten vergelijkbare resultaten kon bereiken. In dat geval lag de nadruk meer op het uitvoeren van operaties zonder incisies en het verplaatsen van kleine objecten binnen het lichaam.

Dit was echter meer een “klassiek” type optische pincet, dat het object op één plek vergrendelde.

In beide gevallen boeken akoestische pincetten sterke vooruitgang in hun fundamentele wetenschappen, zowel voor chirurgie met een realtime weergave via echografie als met extreem precieze duwsystemen en een actuele verstrooiingsmatrix om de beoogde beweging nauwkeurig te houden.

We zouden nu moeten overgaan tot de fase waarin deze technologieën worden gestandaardiseerd en gecommercialiseerd, waardoor nieuwe innovatieve therapieën worden gestuwd en de efficiëntie van bestaande wordt verhoogd.

3D-manipulatiebedrijven

Hoewel een van de meest geavanceerde robotchirurgiesystemen wordt verkocht door Intuitive Surgical (ISRG), heeft het bedrijf minder expertise in echografie of endoscopie dan sommige van zijn concurrenten. Daarom is het waarschijnlijk dat de eerste real‑life medische toepassing van akoestische pincetten afkomstig zal zijn van medische‑apparaatbedrijven die al bedreven zijn in het integreren van vele medische‑apparaatsystemen zoals robots of chirurgische instrumenten.

Alternatief zou de vooruitgang in akoestische pincetten sterk kunnen profiteren van 3D‑printen en bioprinten, waardoor een toonaangevend bedrijf in deze sector er eveneens van zou kunnen profiteren.

1. Medtronic plc

Medtronic is een leider op het gebied van medische apparaten, met name in chirurgie en intensieve zorg. Terwijl de andere segmenten ook als verwant kunnen worden beschouwd, vertegenwoordigt het medische chirurgische segment van Medtronic $2,1 mrd aan omzet, van een totaal van $7,7 mrd.

Bron: Medtronic

Het bedrijf groeit organisch, dankzij een groot percentage van het R&D‑budget ($2,7 mrd in 2022) en overnames (9 in 2022 en $3,3 mrd aan verdere overnames die voor 2023 worden overwogen).

Medtronic ziet een enorme kans voor eenvoudigere, goedkope robotchirurgie:

“slechts 2 % van de operaties wereldwijd wordt uitgevoerd met behulp van robots. Er is 98 % die moet worden uitgevoerd via robotgeassisteerde chirurgie, maar niet vandaag vanwege de kosten- en gebruiksbeperkingen”

Het heeft die strategie in gedachten bij de ontwikkeling van het Hugo‑systeem.

Bron: Medtronic

Het verkoopt ook het Mazor X Stealth spinale robot‑geassisteerde chirurgiesysteem, dankzij de overname van Mazor Robotics voor $1,7 mrd in december 2018.

Al met al biedt de uitstekende reputatie van Medtronic en de aanwezigheid in vrijwel elk ziekenhuis voor ten minste enige apparatuur een goed instappunt om een solide deel van de opkomende markt voor robotchirurgie te veroveren, hetzij via interne ontwikkeling, hetzij via overnames.

Het verkoopt ook al endoscopische echografie‑systemen, en de aanwezigheid in de cardiologie zou kunnen helpen de technologie van akoestische pincetten toe te passen op cardiovasculaire therapieën en operaties.

2. Cyfuse Biomedical K.K.

Het Japanse bedrijf werd opgericht in 2010 en begon in 2013 3D‑printers aan onderzoekers te verkopen.

De focus ligt op het produceren van weefsels en organen zonder kunstmatig scaffold, alleen de cellen zelf, via haar S‑Spike‑platform. Dit is een ambitieus doel, maar ook de uiteindelijke vorm van 3D‑bioprinten die waarschijnlijk na verloop van tijd zal worden geadopteerd.

Het ontbreken van een scaffold kan cruciaal blijken voor het produceren van “premium” organen die zo dicht mogelijk bij inheemse organen liggen. De technologie kan slechts 2‑3 cm grote orgaanonderdelen per keer 3D‑printen.

Bron: Cyfuse Biomedical

Het richt zich op 4 segmenten: gewrichten, lever, zenuw en bloedvaten. Het zou ook kunnen worden gebruikt om “trainings” organen voor chirurgen te creëren, zodat zij kunnen leren zonder het leven van een patiënt te riskeren.

Bron: Cyfuse Biomedical

Cyfuse is momenteel niet winstgevend (na een korte winstperiode in 2021), maar registreert al enkele miljoenen dollars aan omzet.

Dit bedrijf is gericht op particuliere investeerders, die rekenen op deze technologie om meer mainstream te worden en zich zodanig te verbeteren dat volledige organen in één blok kunnen worden gebouwd.

In dat opzicht zouden geavanceerde akoestische pincetten stappen kunnen missen om complexere en grotere organen te assembleren.