![Microrobots sous forme de nombreuses petites sphères dans une image à haute résolution.](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/neue-bildgebungsmethode-macht-medizinische-kleinstroboter-im-koerper-sichtbar/_jcr_content/par/lead/imagePanorama.imageformat.carousel.1366943230.png)
Une nouvelle méthode d'imagerie permet de visualiser des micro-robots dans le corps humain
Les microrobots peuvent révolutionner la médecine. Des chercheurs du Max Planck ETH Center for Learning Systems ont maintenant développé un procédé d'imagerie qui reconna?t pour la première fois individuellement et en haute résolution des microrobots de la taille d'une cellule dans un organisme vivant.
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Comment retirer un caillot de sang du cerveau sans intervention chirurgicale majeure ? Comment acheminer avec précision un médicament vers un organe malade difficile à atteindre ? Ce ne sont que deux exemples des nombreuses innovations que les chercheurs visent dans le domaine de la microrobotique médicale. Ces minuscules robots promettent de modifier fondamentalement les futurs traitements médicaux : Un jour, ils pourraient se déplacer dans les vaisseaux sanguins des patients pour éliminer des tumeurs malignes, combattre des infections ou fournir des informations diagnostiques précises, et ce de manière non invasive. En principe, selon les chercheurs, la circulation sanguine pourrait servir de réseau de transport idéal pour les microrobots, car elle atteint tous les organes et tissus du corps.
Pour que de tels microrobots puissent effectuer les interventions médicales prévues de manière s?re et fiable, ils ne doivent pas être plus grands qu'une cellule biologique. Chez l'homme, une cellule a un diamètre moyen de 25 micromètres - un micromètre étant un millionième de mètre. Les plus petits vaisseaux sanguins de l'homme, les capillaires, sont encore plus fins : leur diamètre moyen n'est que de 8 micromètres. Les microrobots doivent donc être petits s'ils veulent traverser sans encombre les plus petits vaisseaux sanguins. Ils sont donc à la fois si petits qu'ils ne sont pas visibles à l'?il nu - et la science n'a pas encore trouvé de solution technique pour identifier et suivre individuellement les robots de taille micrométrique dans le corps..
Première imagerie de microrobots circulants
"Avant que ce scénario d'avenir ne devienne réalité et que les microrobots soient effectivement utilisés sur l'homme, il est absolument nécessaire que nous puissions visualiser et suivre avec précision ces minuscules machines", explique Paul Wrede, doctorant et fellow au Max Planck ETH Center for Learning Systems (page externeCLS). "Sans imagerie, la microrobotique est fondamentalement aveugle", ajoute Daniel Razansky, page externeProfesseur d'imagerie biomédicale de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich, et membre du CLS. "Une imagerie haute résolution en temps réel est donc indispensable pour identifier et contr?ler des microrobots de la taille d'une cellule dans un organisme vivant".
![](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/neue-bildgebungsmethode-macht-medizinische-kleinstroboter-im-koerper-sichtbar/_jcr_content/wide_content/citation/image.imageformat.fullwidth.206940557.jpg)
"Sans imagerie, la microrobotique est fondamentalement aveugle".Daniel Razansky![]()
L'imagerie est également une condition préalable pour surveiller les interventions thérapeutiques effectuées et vérifier si les robots ont rempli leur mission comme prévu. "L'absence de possibilité de fournir un retour d'information en temps réel sur les microrobots a donc constitué un obstacle majeur sur la voie d'une application clinique".
En collaboration avec Metin Sitti, un microroboticien de renommée mondiale, également membre du CLS en tant que chef de département à l'Institut Max Planck des systèmes intelligents (MPI-IS) et professeur d'intelligence physique à l'ETH, ainsi qu'avec d'autres chercheurs, l'équipe vient de réaliser une percée importante dans la fusion efficace de la microrobotique et de l'imagerie. Dans une étude qui vient de para?tre dans la revue Science Advances, ils sont parvenus pour la première fois à détecter et à suivre clairement et en temps réel de minuscules robots mesurant jusqu'à cinq micromètres dans les vaisseaux sanguins du cerveau de souris gr?ce à une méthode d'imagerie non invasive.
![Image de gauche : microrobots sphériques verts. Image de droite : Plusieurs microrobots dans un vaisseau sanguin.](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/neue-bildgebungsmethode-macht-medizinische-kleinstroboter-im-koerper-sichtbar/_jcr_content/wide_content/image/image.imageformat.1286.239511811.jpg)
Les chercheurs ont utilisé des microrobots d'une taille de 5 à 20 micromètres. Les plus petits robots sont à peu près aussi grands que les globules rouges, qui ont un diamètre de 7 à 8 micromètres. Cette taille permet aux microrobots injectés par voie intraveineuse de se déplacer même à travers les microcapillaires les plus fins du cerveau d'une souris. Les chercheurs ont également mis au point une technique de tomographie optoacoustique spéciale afin de pouvoir réellement identifier les minuscules robots individuellement, avec une haute résolution et en temps réel.
Cette méthode d'imagerie unique permet de détecter les minuscules robots dans des régions profondes et difficiles d'accès du corps et du cerveau, ce qui n'aurait pas été possible avec la microscopie optique ou une autre technique d'imagerie. La méthode est dite optoacoustique, car on émet d'abord de la lumière qui est absorbée par le tissu concerné. L'absorption génère alors de minuscules ondes ultrasonores que l'on peut détecter et analyser afin d'obtenir des images volumétriques à haute résolution.
Des robots à tête de Janus recouverts d'une couche d'or
Pour que les microrobots soient clairement visibles sur les images, les chercheurs avaient besoin d'un agent de contraste approprié. Pour leur étude, ils ont donc utilisé des microrobots sphériques à base de particules de silice recouvertes d'un revêtement appelé Janus. Ce type de robot a un design très robuste et convient très bien aux t?ches médicales exigeantes. Il doit son nom au dieu romain Janus, qui possédait deux visages. Sur les robots, les deux moitiés de la sphère sont revêtues différemment. Dans le cas actuel, les chercheurs ont revêtu l'une des moitiés du robot de nickel et l'autre d'or.
![La structure des microrobots expliquée dans un graphique](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/neue-bildgebungsmethode-macht-medizinische-kleinstroboter-im-koerper-sichtbar/_jcr_content/wide_content/image_999305824/image.imageformat.1286.1277195737.jpg)
" L'or est un très bon agent de contraste pour l'imagerie optoacoustique ", explique Razansky, " sans la couche d'or, le signal généré par les microrobots est tout simplement trop faible pour être détecté." En plus de l'or, les chercheurs ont testé l'utilisation de petites bulles, appelées nanoliposomes, qui contenaient un colorant vert fluorescent, également utilisé comme agent de contraste. "Les liposomes ont également l'avantage de pouvoir être chargés de médicaments, ce qui est important pour les futures approches d'administration ciblée de médicaments", explique Wrede, premier auteur de l'étude. Les possibilités d'utilisation des liposomes seront examinées dans une étude de suivi.
L'or permet en outre de minimiser l'effet toxique du nickel sur les cellules - enfin, si les futurs microrobots doivent être utilisés chez des animaux vivants ou des humains, ils doivent être biocompatibles et non toxiques, ce qui fait partie d'un travail de recherche en cours. Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé du nickel comme moyen de propulsion magnétique, associé à un simple aimant permanent, pour tirer les robots. Dans des études ultérieures, ils souhaitent également tester l'imagerie optoacoustique avec une commande de mouvement plus complexe utilisant des champs magnétiques rotatifs.
"Cela nous donnerait la possibilité de contr?ler et de déplacer les microrobots avec précision, même dans un sang très fluide", explique Metin Sitti. "Dans la présente étude, nous nous sommes concentrés sur la visualisation des microrobots. Le projet a été très fructueux gr?ce à l'excellente collaboration au CLS, qui a permis de combiner l'expertise des deux groupes de recherche du MPI-IS de Stuttgart pour la partie robotique et de l'ETH Zurich pour la partie imagerie", conclut-il.
Centre Max Planck ETH pour les systèmes d'apprentissage
Le Centre Max Planck ETH pour les systèmes d'apprentissage (page externeCLS) est un centre d'enseignement et de recherche commun à l'ETH Zurich et à la société Max-Planck dans le domaine des systèmes intelligents. Une cinquantaine de chercheurs des deux institutions s'engagent dans le CLS. Le programme de soutien aux doctorants constitue le c?ur du CLS. Les doctorants sont encadrés conjointement par des professeurs de l'ETH et des directeurs et chefs de groupe de Max-Planck et obtiennent à la fin un titre de docteur de l'ETH Zurich.
Référence bibliographique
Wrede P, Degtyaruk O, Kalva SK, Deán-Ben XL, Bozuyuk U, Aghakhani A, Akolpoglu B, Sitti M, Razansky D. Real-time 3D optoacoustic tracking of cell-sized magnetic microrobots circulating in the mouse brain vasculature. Science Advances, 11 mai 2022. DOI : page externe10.1126/sciadv.abm9132