De operatiekamer in het TechMed Centre van de Universiteit Twente is deze ochtend het toneel van een ongewoon schouwspel. Een afgehakte schaapskop ligt in een plastic bakje op de operatietafel, terwijl verschillende transparante, met bloed gevulde slangen, uit de nek steken. De slangen zijn verbonden met de slagaders van de hersenen en voorzien deze van een constante stroom schapenbloed om de hersenen van een levend dier na te bootsen.
Khalil en zijn team kijken naar verschillende schermen waarop een 3D-netwerk van de hersenvaten van het schaap te zien is. Een ander scherm toont een röntgenfoto van de kop, waarop de wervels duidelijk te zien zijn. ‘We hebben een CBCT-scan gebruikt om dit 3D-beeld van de bloedvaten te maken’, legt Khalil uit. ‘Nu kunnen we de route bepalen die de microbot in de hersenen aflegt.’
Dan is alles klaar voor het experiment. Voorzichtig pakt een van de teamleden met een pincet een 2-3 millimeter grote microrobot op en plaatst deze in een van de plastic slangen. De microbot is duidelijk te zien en lijkt op het scherpe uiteinde van een schroefje. Met behulp van een handmagneet leidt hij de microbot vervolgens van de slang in de slagaders. Daarna neemt een krachtige magneet, bevestigd aan een robotarm, het over en stuurt de microbot dieper de hersenen in. In de aangrenzende kamer volgt het team de reis van de robot in de hersenen met behulp van röntgenstralen.
Vaste hand
Vasculaire aandoeningen zijn doodsoorzaak nummer één in de wereld en verantwoordelijk voor 13% van de totale sterfte, oftewel, meer dan 9 miljoen sterfgevallen per jaar. In de hersenen behoren beroertes en hersenaneurysma‘s, het verzwakken en opzwellen van bloedvaten, tot de meest kritieke neurologische aandoeningen, die vaak leiden tot ernstige handicaps of fatale gevolgen. De behandeling van deze aandoeningen vereist een nauwkeurige en minimaal invasieve behandeling, waarbij de chirurg een kleine snede in het bloedvat van de patiënt maakt om een dunne, flexibele draad in te brengen. Deze katheter leidt de arts vervolgens handmatig naar de gewenste locatie om het probleem, bijvoorbeeld een obstructie, te behandelen. Dit vereist een vaste hand en veel vaardigheid van de medisch professional. Bij mensen is de lengte van het vasculaire netwerk meer dan 100.000 kilometer, meer dan twee keer de omtrek van de aarde, en katheters kunnen daarom niet elke mogelijke plaats van de verstopping bereiken. ‘Het gebruik van een katheter heeft veel vooruitgang gebracht in de behandeling van hart- en vaatziekten', zegt Khalil. ‘Maar soms is de ingebrachte draad te lang en te flexibel, waardoor er meer duwkracht nodig is, wat resulteert in meer wrijving.' Voor een optimale werking heeft een katheter dan ook een fijne balans tussen stijfheid, diameter en controleerbaarheid. Dit resulteert soms echter in verminderde controle en nauwkeurigheid en een verhoogd risico op weefselschade, terwijl ook het bereiken van de kleinste vaten een uitdaging is. Daarom willen artsen graag betere behandelingsmethoden hebben die minder invasief zijn en betere resultaten voor de patiënt bieden.
‘Onze bot zweeft letterlijk als een ruimteschip in het vaatstelsel’
Toegankelijkheid verbeteren
Een op afstand bediend, draadloos apparaat zou de toegankelijkheid en behandeling van ziekten van het vaatstelsel enorm kunnen verbeteren. Dit is precies wat Khalil en Warlé en hun teams aan het ontwikkelen zijn: een piepklein, microformaat robotachtig, schroefvormig apparaatje, uitgerust met een minuscule magneet, dat letterlijk door het vaatstelsel zwemt, voortgestuwd door krachtige magneten buiten het lichaam. ‘Onze bot zweeft letterlijk als een ruimteschip in het vaatstelsel, terwijl hij rond zijn lange as draait en beweegt als een kleine propeller', legt Khalil uit. ‘De magneten geven ons volledige controle over de bot en we kunnen met en tegen de bloedstroom in zwemmen, terwijl we de exacte positie in real-time kunnen volgen met behulp van röntgen fluoroscopie beelden. We kunnen de bot zelfs omdraaien of zijn bewegingsrichting omkeren. Zo hebben we toegang tot het hele vaatstelsel. En omdat we dierlijke onderdelen uit het slachthuis kunnen gebruiken, hebben we nog geen extra proefdieren nodig voor ons onderzoek!’
Zwemcapaciteiten
De wetenschappers hebben hun microbot eerst met succes getest in kunstmatige slagaders om de zwemmogelijkheden en de controle door krachtige magneten te testen. Daarna voerden Khalil en Warlé, samen met collega's van RAM, het bloedlaboratorium, LipoCoat en MESA+, tests uit in een echte aorta en nieren. ‘We plaatsten een 2 millimeter grote microbot in een aorta van 8-12 millimeter en leidden de bot in de nierslagader, die slechts 4 millimeter groot was’, legt Khalil uit. ‘We volgden de bot met behulp van röntgenbeelden en slaagden erin om de bot onder controle te houden en hem gemakkelijk van de aorta in de nierslagader te sturen.’
Enorme impact
De mogelijke toepassingen van de methode zijn enorm. Michiel Warlé is enthousiast: ‘Het is supergaaf’, zegt hij. ‘Het zou een enorme impact kunnen hebben op de behandeling van bloedstolsels in veel organen, vooral in de hersenen.’ Hij stelt dat de bots ook veiliger zijn dan de huidige kathetertechnologieën, vooral voor de behandeling van longembolieën, waarbij er een groot risico is op beschadiging van het weefsel met bloedingen tot gevolg. Warlé is onder de indruk van hoe de microbot zeer nauwkeurig kan worden gemanipuleerd, zelfs in de kleinste bloedvaten, waardoor ook bloedstolsels diep in de hersenen kunnen worden behandeld. Hij denkt nu al na over hoe hij de technologie in dergelijke gevallen kan gebruiken. ‘Als de locatie van de bloedprop nauwkeurig is bepaald met behulp van een CT-scan, zou AI de snelste route door de bloedvaten kunnen plannen’, zegt hij. ‘We kunnen de microbot ook uitrusten met een soort parapluutje, met weerhaakjes, dat de bloedprop kan vasthaken en letterlijk naar achteren kan trekken, waardoor we de obstructie kunnen verwijderen.’
Behandeling van kanker
Naast het verwijderen van bloedstolsels kunnen artsen de technologie ook toepassen voor het uiterst nauwkeurig toedienen van medicijnen op specifieke locaties, bijvoorbeeld bij de behandeling van kanker. Warle: ‘We zouden een biologisch afbreekbare bot, uitgerust met radioactieve medicijnen tegen kanker, precies naar de tumor kunnen sturen.’ Hetzelfde is mogelijk bij longembolieën, door een microbot met bloedoplossende medicatie in het bloedstolsel te plaatsen. Dit zal effectiever zijn en leiden tot aanzienlijk minder bijwerkingen.
Ondertussen vordert het experiment op de kop van het schaap in de operatiekamer, ondanks een paar kleine problemen. Op het scherm lijkt de bot, zichtbaar als een klein zwart puntje, vast te zitten bij een vertakkend bloedvat. Maar door de magneet een paar keer over de micro robot heen te bewegen, komt hij snel los en is het probleem opgelost, waarna hij zijn spannende reis in de hersenen van het schaap kan voortzetten.
