Eine robotergesteuerte, flexible Nadel für eine wirksamere Krebstherapie

Mit einer steuerbaren Nadel, die dem Stachel der Holzwespe nachempfunden ist, können lebensrettende Krebsmedikamente direkt in einen Hirntumor injiziert werden.

Gesundheit

© Yurchanka Siarhei, Shutterstock

Holzwespen nutzen ihren Stachel, um Löcher in Holz zu bohren und ihre Eier in Bäumen abzulegen. Da dabei ein Schaden am Holz entsteht, das eigentlich für Möbel oder andere Teile unserer Wohnungen gedacht war, sind die Insekten für die meisten von uns eher Schädlinge. Doch nicht im medizinischen Bereich, denn dort sind Holzwespen eine Quelle der Inspiration. Auf ihrer Suche nach sichereren chirurgischen Verfahren haben Wissenschaftler Sonden entwickelt, die nachahmen wie das Insekt seinen Stachel in das Holz bohrt.

Im EU-finanzierten Projekt EDEN2020 (Enhanced Delivery Ecosystem for Neurosurgery in 2020) wurde diese Idee zu einem robotergesteuerten Katheter weiterentwickelt, der lebensrettende Krebsmedikamente direkt in einen Tumor im Gehirn einbringen kann. Die patientenspezifischen neurochirurgischen Anwendungen des Projekts sollen die in diesem Bereich dringend benötigte verbesserte und minimalinvasive Behandlungsmethode liefern.

Die programmierbare Kanüle mit Schrägschliff hat einen Katheter, der einer individuell eingestellten Route durch das Gehirn folgen kann und so wesentlich weniger Gewebe schädigt. Sobald die Kanüle den Tumor erreicht, setzt sie das Chemotherapeutikum in das Gewebe frei. Möglich ist das dank der fünf Schlüsseltechnologien des Projekts: Magnetresonanztomografie (MRT) und Diffusions-Tensor-Bildgebung vor der Operation; Ultraschallaufnahmen während der Operation; ein Prognose-Vorhersage-Engine auf Basis hochentwickelter Hirnmodellierung; Nadelführung mit Roboterunterstützung; und eine Roboterplattform für minimalinvasive Chirurgie.

Wie funktioniert die Stachel-Nadel

Die programmierbare Kanüle mit Schrägschliff besteht aus vier verschachtelten ineinandergreifenden Kunststoffsegmenten, in denen die Kanäle für die Medikamente verlaufen. In jedem der vier Kanäle sind wiederum Formsensoren aus Glasfaser enthalten. Ein eisenloser Motor treibt die einzelnen Segmente an und schiebt dabei immer ein Segment nach vorn, sodass es über die anderen hinausragt und die Nadelspitze sich krümmt. So wird die Nadel entlang eines individuell vorgegebenen Pfads durch das Gehirn geführt und kann sogar tief liegende Tumoren in unempfindlichen Bereichen des Gehirns erreichen.

Die programmierbare Kanüle hat vier Motoren, von denen jeder wiederum seinen eigenen Antrieb besitzt. Dass die Antriebe extrem geringe elektromagnetische Interferenzen verursachen, ist bei solchen medizinischen Eingriffen besonders wichtig. Das System führt die Kanüle auf der Grundlage der analysierten Daten aus MRT und Ultraschall und schiebt dann jedes der vier Nadelsegmente vorwärts, sodass die Nadel den Tumor erreicht und das Medikament freisetzen kann. Damit die Behandlung wirkt, muss dieser Vorgang präzise und mit sehr hohen Geschwindigkeiten ablaufen. Die Planung des Pfads übernimmt ein Hochleistungsbewegungsregler mit Mehrkernprozessor und vielen weiteren Funktionen, die für leichte Handhabung sorgen. „[Einer der] wichtigsten Faktoren bei unserer Auswahl der Steuerungslösung für das Projekt war die geringere Entwicklungszeit“, so Eloise Matheson, Doktorandin beim Mechatronics in Medicine Laboratory des Imperial College London, bei dem die Verantwortung der Projektkoordination liegt, in einer Nachrichtenmeldung auf der „Website Med-Tech Innovation News“.

EDEN2020 war bereits auf einigen Veranstaltungen vertreten, um der Öffentlichkeit seine Technologie vorzustellen. Dazu gehörte erst vor Kurzem der Besuch von Oberschülern am Imperial College London im Rahmen des Programms „Generating Genius“ sowie ein Pop-up Wissenschaftsstand des EDEN2020-Teams im Naturhistorischen Museum in London.

Weitere Informationen:
EDEN2020-Projektwebsite

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Vereinigtes Königreich