Herzoperationen gehören zu den riskantesten Eingriffen der Medizin. Besonders problematisch wird es, wenn sich eine Infektion direkt an den Herzklappen oder der Innenwand des Herzens festsetzt. Dann müssen Ärzte oft wochenlang hochdosierte Antibiotika verabreichen oder im schlimmsten Fall am offenen Herzen operieren.

Forscher der Johns Hopkins University arbeiten nun an einer Technologie, die solche Eingriffe zumindest teilweise überflüssig machen könnte: Winzige Roboter, kaum größer als eine Bleistiftspitze, sollen Medikamente gezielt an den Ort der Erkrankung transportieren. Im Fachmagazin „Advanced Material Technologies“ berichten sie von ersten Erfahrungen mit dieser neuen Technologie.

Die neuen sogenannten „Millirobots“ mit einer Größe von wenigen Millimetern wurden speziell für die Behandlung einer Endokarditis entwickelt. Dabei handelt es sich um eine lebensbedrohliche Infektion der Herzinnenhaut, von der in den USA jedes Jahr etwa 50.000 Menschen betroffen sind. In Deutschland erkranken jährlich drei bis zehn von 100.000 Einwohnern daran.

Johns Hopkins University engineers have created robots the size of a pencil tip intended to travel through the body to deliver medicine to infections inside a beating heart. The bots, designed to replace risky open-heart surgery and ineffective IV-drug therapy to treat life-threatening heart infections, could also be used to less invasively and more precisely treat other hard-to-reach diseases including cancer.

Die Krankheit wird normalerweise mit intravenös verabreichten Antibiotika behandelt. Doch die Medikamente gelangen über den Blutkreislauf nur in begrenzter Konzentration zum Infektionsherd. In vielen Fällen reicht die Wirkung deshalb nicht aus. Ärzte stehen dann vor der Wahl, entweder noch höhere und potenziell gefährliche Medikamentendosen einzusetzen oder eine riskante Operation am offenen Herzen vorzunehmen.

Genau an dieser Stelle setzt die neue Technologie an. Die Forscher entwickelten zwei Mini-Roboter mit unterschiedlichen Aufgaben, die als Team arbeiten. Der erste Roboter dient als eine Art Anker. Er wird zum Infektionsherd im Herzen navigiert und befestigt sich dort vorsichtig am Gewebe.

Dort dient er als Andockstation für den zweiten Roboter. Dieser transportiert das Medikament direkt zu der erkrankten Stelle, dockt magnetisch an und setzt den Wirkstoff gezielt frei. Dadurch gelangt das Antibiotikum genau dorthin, wo es benötigt wird.

Mini-Roboter verkürzen die Behandlungszeit

Anuruddha Bhattacharjee, Erstautor der Studie, sagte: „Wir können einfach einen Mini-Roboter in eine Vene injizieren, der dann zum Zielort wandert, genau dorthin, wo wir die Medikamente wirklich benötigen, und das ist minimalinvasiv.“

Eine herkömmliche intravenöse Medikamententherapie dauert normalerweise vier bis sechs Wochen. Wenn alles gut laufe, würde die Behandlung mit den Mini-Robotern nur einige Stunden dauern, so Bhattacharjee.

Die Mini-Roboter bewegen sich nicht mithilfe von Batterien und eingebauten Motoren. Sie werden vielmehr von außen über elektromagnetische Felder bewegt und gesteuert. Das Prinzip ähnelt der Technik eines MRT‑Geräts. Während ein MRT jedoch Magnetfelder zur Bildgebung nutzt, verwenden die Wissenschaftler der Johns Hopkins University solche Felder zur Navigation der Mini-Roboter im Körper.

Der Verzicht auf Batterien bringt mehrere Vorteile mit sich. Die Roboter können kleiner gebaut werden. Sie lassen sich drahtlos steuern und präzise bewegen. Nach Angaben des leitenden Forschers Axel Krieger könnte ein solcher Eingriff künftig lediglich einen kleinen Einstich statt einer großen Operation erfordern.

Bislang wurde das System allerdings nur im Labor getestet. Die Wissenschaftler erprobten die Roboter sowohl in künstlichen Herzmodellen als auch an echtem Schweineherzgewebe. Dabei gelang es den Geräten, selbst gegen simulierte Blutströmungen zu navigieren, an den vorgesehenen Stellen anzudocken und Flüssigkeiten kontrolliert freizusetzen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept grundsätzlich funktioniert. Es handelt sich jedoch noch nicht um eine Therapie, die bereits bei Patienten eingesetzt werden kann. Besonders interessant ist die Möglichkeit, den Medikamentenroboter mehrfach zu nutzen.

Während die Andockstation im Herzen verbleibt, könnten nacheinander mehrere Wirkstoffe dorthin transportiert werden. Auf diese Weise wären wiederholte Behandlungen möglich, ohne den Zielort jedes Mal neu ansteuern zu müssen. Die Forscher sind überzeugt, dass die Verabreichung von Medikamenten mithilfe der Mini-Roboter auch bei der Bekämpfung von Tumoren hilfreich sein könnte.

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