Målinriktad läkemedelsleverans kan dra nytta av ny teknik som involverar ljudvågor

Flytta föremål utan att röra dem

Modern vetenskap har upptäckt sätt att flytta saker utan att röra dem. Detta gjordes först med så kallade optiska pincettar, som använder ljus, och snart replikerades med akustiska pincettar, som använder ljud.

Akustiska pincettar är av särskilt intresse eftersom de kan penetrera de flesta material. Deras breda frekvensområde möjliggör manipulation av föremål i olika storlekar, från enskilda celler till komplexa objekt. De är också ofarliga för biologisk vävnad.

Av den anledningen kan akustiska pincettar ha ett brett användningsområde, från kirurgi till läkemedelsleverans. Problemet är att fram till nu har exakt kontroll vid användning varit svår i en komplex miljö som en levande kropp.

Detta förändras, tack vare nya upptäckter publicerade i Nature Physics av forskare vid EPFL (Schweiz) och Tekniska universitetet i Wien (Österrike).

Driva med ljudvågor

Forskarteamet använde en ny metod för att skapa akustiska pincettar kallad ”wave-momentum shaping”. Tekniken är anpassningen av en ny metod som använder ljus för att organisera den till ljudvågor, trots en ”rörig” miljö.

I grund och botten kartlägger den först ”spridningseffekten” av hinder till en matrisstruktur (nedan till höger), vilket gör det möjligt att avgöra hur pincettarna kan användas trots hinder på vägen.

Denna spridningsmatris utvecklas i realtid när föremålet rör sig, och att hålla den uppdaterad i realtid var en av forskarnas huvudprestationer, som använde komplexa matematiska verktyg för att göra det.

Källa: Nature

Detta förändrar hur akustiska pincettar fungerar. Normalt fångar metoden ett föremål på en plats. Här istället skjuter ljudvågorna försiktigt det framåt, som en hockeyklubba som skjuter en puck.

Metoden fungerar med sfäriska föremål, men även med mer komplexa former. Den kan också kontrollera rotationer, vilket ger mer flexibilitet i möjliga rörelser. Den kan fungera med praktiskt taget vilket material som helst, utan att målet behöver vara magnetiskt eller särskilt motståndskraftigt.

Källa: Nature

Möjliga tillämpningar

Medicinsk & bioteknik

Möjligheten till direkt terapeutisk behandling i hela kroppen utan kirurgi är ganska intressant. Detta skulle särskilt kunna användas för cancerbehandling, där leverans av läkemedlet direkt in i tumören kraftigt kan öka effektiviteten.

“Vissa läkemedelsleveransmetoder använder redan ljudvågor för att frigöra inkapslade läkemedel, så denna teknik är särskilt attraktiv för att driva ett läkemedel direkt mot tumörceller”

På samma sätt kan biologisk analys och provtagning utföras utan att direkt röra vävnaderna, vilket minskar risken för kontamination eller skador som orsakas av proceduren.

Slutligen kan den även användas för vävnads‑engine­ring eller till och med 3D‑bioprinting. Att möjliggöra manipulation utan att behöva skära igenom kan hjälpa till att skapa mer komplexa designer, vilket för oss ett steg närmare drömmen om att producera organ på begäran.

Tillverkning

Att röra sig fritt i alla riktningar, små partiklar låter exakt som vad 3D‑utskrift försöker uppnå.

I detta avseende kan akustiska pincettar vara en ny metod att lägga till befintliga additiva tillverkningstekniker, genom att arrangera partiklarna innan de binds samman till ett fast objekt.

Den kan också användas för att montera ihop separata delar, även när direkt manipulation inte skulle vara möjlig.

Inte den första?

Vi har redan behandlat en liknande teknik i vår artikel “Akustiska energisändare kan snart eliminera behovet av snitt under operation”.

I den förklarade vi hur en annan typ av optiska pincettar kunde uppnå liknande resultat. I det fallet låg fokus mer på att utföra kirurgi utan några snitt och att flytta små föremål inuti kroppen.

Detta var dock mer av en ”klassisk” typ av optisk pincett, som låser föremålet på en plats.

I båda fallen gör akustiska pincettar stora framsteg inom sin grundvetenskap, antingen för kirurgi med realtidsvy genom ekografi eller med extremt precisa drivsystem och en uppdaterad spridningsmatris för att hålla den avsedda rörelsen exakt.

Så bör vi nu gå in i steget där dessa teknologier kommer att standardiseras och kommersialiseras, vilket hjälper till att driva nya innovativa terapier och öka effektiviteten hos befintliga.

3D-manipuleringsföretag

Medan ett av de mest avancerade robotkirurgisystemen säljs av Intuitive Surgical (ISRG )  (ISRG), har företaget mindre expertis inom ultraljud eller endoskopi än vissa av sina konkurrenter. Så är det sannolikt att den första verkliga medicinska tillämpningen av akustiska pincettar kan komma från medicintekniska företag som redan är skickliga på att integrera många medicintekniska system som robotar eller kirurgiska verktyg.

Alternativt kan framstegen inom akustiska pincettar dra stor nytta av 3D‑utskrift och bioprinting, så ett ledande företag inom denna sektor kan också ha nytta.

1. Medtronic plc

Medtronic är en ledande leverantör av medicintekniska produkter, särskilt inom kirurgi och intensivvård. Medan de andra segmenten också kan anses vara relaterade, representerar Medtronic’s medicinska kirurgiska segment 2,1  miljarder dollar i intäkter, av totalt 7,7  miljarder dollar.

Källa: Medtronic

Företaget har vuxit genom organisk tillväxt, tack vare en stor andel av FoU‑budgeten (2,7  miljarder dollar år 2022) och förvärv (9 år 2022 och förvärv till ett värde av 3,3  miljarder dollar som övervägs för 2023).

Medtronic ser en enorm möjlighet för enklare, lågkostnadsrobotkirurgi:

“endast 2 % av operationerna världen över utförs med robotassistans. Det finns 98 % som behöver utföras med robotassisterad kirurgi men inte idag på grund av kostnads- och utnyttjandebördan”

Det är med den strategin i åtanke som Medtronic har utvecklat Hugo‑systemet.

Källa: Medtronic

Den säljer också Mazor X Stealth spinal robotassisterad kirurgi‑enhet, tack vare sitt förvärv av Mazor Robotics för 1,7  miljarder dollar i december 2018.

Sammanfattningsvis ger Medtronic’s utmärkta rykte och närvaro i praktiskt taget varje sjukhus för åtminstone viss utrustning dem en bra ingång för att ta en solid del av den framväxande robotkirurgimarknaden, antingen genom intern utveckling eller förvärv.

Den säljer också redan endoskopiska ultraljudssystem, och dess närvaro inom kardiologi kan hjälpa till att tillämpa akustisk pincett‑teknik på kardiovaskulära terapier och operationer.

2. Cyfuse Biomedical K.K.

Det japanska företaget grundades 2010 och började sälja 3D‑skrivare till forskare 2013.

Dess fokus är att producera vävnader och organ utan någon artificiell stödstruktur, endast cellerna själva, genom sin S‑Spike‑plattform. Detta är ett ambitiöst mål, men också den slutgiltiga formen av 3D‑bioprinting som sannolikt kommer att antas över tid.

Avsaknaden av stödstruktur kan visa sig avgörande för att producera ”premium” organ så nära de naturliga organen som möjligt. Tekniken kan bara 3D‑printa organbitar på 2–3 cm åt gången.

Källa: Cyfuse Biomedical

Den riktar sig mot 4 segment: leder, lever, nerver och blodkärl. Den kan också användas för att skapa ”tränings”‑organ för kirurger, vilket hjälper dem att lära utan att riskera en patients liv.

Källa: Cyfuse Biomedical

Cyfuse är för närvarande inte lönsamt (efter en kort period av vinst år 2021) men registrerar redan några miljoner dollar i intäkter.

Detta företag är för patientinvesterare, som räknar med att tekniken ska bli mer mainstream och förbättras till den grad att den kan bygga hela organ på en gång i ett block.

I detta avseende kan avancerade akustiska pincettar sakna steg för att montera mer komplexa och stora organ.