Frühe Anzeichen von Darmkrebs mit Mikrorobotern im Darm erkennen
Nach Angaben von Digestive Cancers Europe ist Darmkrebs die zweittödlichste Krebsart. Die Überlebensraten in Europa fallen durch die nationalen Gesundheitskonzepte und lokal angebotenen Behandlungsstrategien unterschiedlich aus. Eine frühe Erkennung von Krebs verbessert die Aussichten erheblich, doch bei den meisten Betroffenen wir der Krebs erst in einem späten Stadium erkannt. Wenn mehr Betroffene frühzeitig diagnostiziert würden (von aktuell 13 % auf 50 %), könnten jedes Jahr 130 000 Leben gerettet und mehr als 3 Mrd. EUR an Kosten eingespart werden. Im von der EU unterstützten Projekt OMEGA wird an einer neuen Möglichkeit gearbeitet, um potenziell lebensrettende Daten auszuwerten, die von dynamischen Mikrorobotern im Darm ausgesendet werden, um so frühere Diagnosen zu ermöglichen. „Derzeit wird noch ein Prototyp in einer Ex-vivo-Laborumgebung geprüft. Über OMEGA sollten neue numerische Verfahren zur Datenauswertung aufgestellt werden“, erklärt Yang Liu, Assistenzprofessor für Dynamik und Kontrolle an der Universität Exeter im Vereinigten Königreich.
Die dynamische Reaktion der Mikroroboter im Darm analysieren
Der Roboter ist mit einem Magneten ausgestattet, der über ein alternierendes elektromagnetisches Feld, das über eine externe Spulenplatte außerhalb des Körpers aktiviert wird, in Schwingung versetzt werden kann. Mit der Platte kann der Roboter zur Untersuchung bis zum Blinddarm geleitet werden. Auf dem Weg durch die Schleimhäute im unteren Darmbereich führen Läsionen zu einem abweichenden Bewegungsmuster des Roboters, denn durch den Widerstand wird die Richtung geändert. Der Roboter wird über Schwingungen angetrieben und dieses Schwingungsmuster ändert sich, wenn er auf etwas Abweichendes wie eine Läsion trifft. Dadurch kann selbst die kleinste Läsion erkannt werden, sodass die medizinische Fachkraft frühe Anzeichen von Zellanomalien erkennen kann. Yang hat KI trainiert, die Ursachen für veränderte Roboterbewegungen zu erkennen. „Die dynamischen Reaktionen des Roboters sind auf dem Weg durch normale und abweichende Schleimhäute gänzlich unterschiedlich. Wir haben Abstands- und Beschleunigungssensoren zur Datenerfassung verwendet und numerische Verfahren entwickelt, um diese Unterschiede zu erkennen und so vorherzusagen, welche Art von Läsion (bösartig oder gutartig) den Roboter beeinflusst“, erklärt Yang. „Diese Verhaltensänderung äußert sich als Veränderung im Muster. Die dynamische Reaktion könnte bei glatter Schleimhaut 010101… sein, und bei einer Läsion wird sie zu 011011… Unser System würde die Veränderung erkennen und die Ursache bestimmen können“, ergänzt er.
Mikroroboter zur Früherkennung von Darmkrebs entwerfen
Aus dem Projekt ging hervor, dass Anomalien anhand von erkennbaren Reaktionen bestimmt werden können und dass diese Anomalien – bis zu einem gewissen Grad – klassifiziert werden können. Das wurde in zahlreichen Artikeln erklärt, darunter: „Dynamics of a self-propelled capsule robot in contact with different folds in the small intestine“ aus der Fachzeitschrift „Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation“ und doi.org/10.1016/j.jsv.2024.118270 („Nonlinear characteristics identification of an impact oscillator with a one-sided elastic constraint“) aus dem „Journal of Sound and Vibration“. Derzeit arbeitet das Team mit finanzieller Unterstützung des Medizinischen Forschungsrats im Vereinigten Königreich an einem integrierten Prototyp des Schwingungsroboters, um Polypen im Dickdarm und frühe Anzeichen von Darmkrebs zu erkennen. „Ich bin begeistert, wie viel wir dank der Unterstützung durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen erreicht haben. Ich bin gespannt, wie wir Roboter für die Früherkennung einsetzen können. Wir haben die numerischen Verfahren, um das Verhalten auszuwerten – jetzt müssen wir das in der Praxis umsetzen“, so Yang.
Schlüsselbegriffe
OMEGA, Darmkrebs, Früherkennung, Mikroroboter, KI, Schleimhäute, unterer Darm, Dickdarmpolypen