Forschungsquartett | Nanobots für die Medizin

Tiefe Einsichten

18.07.2017

Kleine Roboter sind die Helfer der Zukunft: Das können Drohnen sein, die Bestellungen direkt auf den Balkon liefern. Oder in der Medizin winzige Nanobots. Mit Präzision sollen sie Medikamente in jeden Teil des Körpers liefern oder sogar Operationen durchführen.

Es gibt im menschlichen Körper Orte, die für medizinische Eingriffe bislang schwer erreichbar sind. Dazu zählen etwa das Innere des Auges oder die durch eine Schleimhaut geschützte Magenwand. Mikro-, Mini- und Nanobots könnten helfen, auch solche Orte der Diagnostik und der Therapie zugänglich zu machen. Forscher am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme (MPI IS) in Stuttgart erproben seit Jahren solche Maschinen in allen Größenordnungen.

Roboter in Pillengröße

Im größeren Maßstab etwa haben die Forscher bereits vor zwei Jahren eine etwa pillengroße Kapsel entwickelt. Sie dienst als kabelloses Endoskop, das ferngesteuert den Magen und den Verdauungstrakt erkunden könnte.

Der Mikrobot MASCE könnte in der Zukunft kabelgebundene Endoskope ersetzen. Er ist mit einer Kamera ausgestattet, kann Medikamente transportieren und Gewebeproben entnehmen. Gesteuert wird er über ein schwaches Magnetfeld. Foto: Tom Pingel / MPGDer Mikrobot MASCE könnte in der Zukunft kabelgebundene Endoskope ersetzen. Er ist mit einer Kamera ausgestattet, kann Medikamente transportieren und Gewebeproben entnehmen. Gesteuert wird er über ein schwaches Magnetfeld.MASC steht für Magnetically Actuated Soft Capsule Endoscope.Foto: Tom Pingel / MPG 

„There’s plenty of room at the bottom“, stellte der Physiker Richard Feynman im Jahr 1959 fest. Damit legte er im gleichnamigen Vortrag die Grundlagen für die Nanotechnologie. Heute erlaubt diese den Zugang zu einer unbekannten Welt. Und Nanomaschinen bewegen sich nicht nur in einer phantastisch anmutenden Umgebung aus Zellen und Molekülen. Es lassen sich in dieser Größenordnung auch Materialien mit ungewohnten Eigenschaften herstellen. Zum Beispiel Oberflächen, die sich durch Magnetfelder erhitzen lassen.

Metin Sitti erforscht mit seiner Abteilung die Einsatzmöglichkeiten von physischer Intelligenz für die Konstruktion von Nanobots. Foto von Tom Pingler für MPI ISJe kleiner ein biologisches System wird, umso dominanter wird die physische Intelligenz gegenüber der berechnenden. Denn irgendwann wird neuronales Rechnen unmöglich. Dann müssen diese Systeme ihre materiellen, pyhsischen Eigenschaften verwenden, um intelligent zu interagieren.Prof. Dr. Metin Sittiforscht am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme nach Anwendungen physischer Intelligenz auf der Nanoebene. Foto: Tom Pingel / MPG 

Mikropropeller, kleiner als Bakterien und Zellen

Die Nanobots, die die Forscher am MPI IS entwickelt haben, sind zum Teil kleiner als Bakterien oder Zellen. Winzige Propeller aus Glas etwa, die mit Enzymen beschichtet werden und so wie natürliche Zellbestandteile auf chemischer Basis mit ihrer Umgebung interagieren. Diese Nanobots sind eine Integration modernster Technik in die biochemische Welt der Zellen und Mikroorganismen.

 

Manche Bots orientieren sich wie Spürhunde

Die meisten Prototypen der Stuttgarter lassen sich bislang über schwache Magnetfelder steuern. So wie sie etwa auch in der Magnetresonanztomographie zum Einsatz kommen. Aber auch selbststeuernde Systeme erforschen die Wissenschaftler.

Vielversprechend erscheint hier die Arbeit mit sogenannten Gradienten: Der Bot erkennt in einem solchen Szenario die Konzentration eines Stoffes oder den ph-Wert der umgebenden Flüssigkeit. Seine Materialeigenschaften lassen ihn in die Richtung schwimmen, in der eine bestimmte chemische Konzentration zu- oder abnimmt. Wie ein Spürhund können diese Bots so die Richtung erschnüffeln, in die sie sich fortbewegen.

Nanobots könnten Medikamente transportieren oder Kontrastmittel

Kameras können solche winzigen Maschinen nicht mit sich führen. Auch Werkzeuge im herkömmlichen Sinn lassen sich in dieser Größe nicht realisieren. Die Forscher arbeiten deswegen mit Enzymen, die an die Oberflächen der Bots angeheftet werden. Diese könnten Reaktionen auslösen und so Einfluss auf die Umgebung nehmen. Auch der Transport von Kontrastmitteln wäre denkbar. Die Bots könnten so bestimmte Regionen markieren, die dann über bildgebende Verfahren wie etwa Magnetresonanztomographie besser untersuchbar wären.

Die Forschung an den Mikro- und Nanoschwimmern sei noch Grundlagenforschung, erklärt Fischer. Getestet werden die Mechanismen bislang in Flüssigkeiten, die in etwa der geplanten Einsatzumgebung entsprechen in Hyaluronsäure etwa oder in der Magenschleimhaut von Schweinen.

Entwickelt Antriebe für Nanobots: Peer Fischer vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Foto: MPI ISIn der Nanowelt kämpft man mit anderen Kräften, die man auf größeren Längeskalen nicht hat. Man muss sich dann mit den Molekülen in der Umgebung außeinandersetzen, man muss die Brownsche Bewegung, also die thermische Bewegung der Umgebung mit beachten.Prof. Dr. Peer Fischerleitet am MPI IS die Forschungsgruppe für Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme. Foto: Wolfram Scheible / MPG 

Redaktion: Mike Sattler