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Schlangenähnlicher weicher Roboter kriecht durch den Dünndarm
Medizintechnik nach Schlangenvorbild: Ein weicher Roboter kann sich im Dünndarm von Schweinen fortbewegen, Kurven nehmen und Gewebeproben entnehmen. In den Versuchen legte das System rund zwei Meter in elf Minuten zurück, allerdings mit zusätzlichem vorsichtigem Anschieben. Ob es Untersuchungen beim Menschen tatsächlich erleichtert und sicherer macht, bleibt offen.
Cambridge (U.S.A.). Der Dünndarm ist sechs bis sieben Meter lang und bildet zahlreiche enge Schlingen im Bauchraum. Deshalb sind tiefer gelegene Abschnitte für Untersuchungen mit einem Endoskop nur schwer zu erreichen. Gerade dort können jedoch Blutungen, Entzündungen oder Tumoren auftreten.
Verschluckbare Kamerakapseln können Bilder aus dem Dünndarm liefern, aber weder Gewebeproben entnehmen noch gezielt behandeln. Die Doppelballon-Enteroskopie ermöglicht solche Eingriffe bereits, erfordert jedoch aufwendige Schub- und Zugbewegungen. Zudem können ihre Ballons auf der glatten, schleimbedeckten Darmwand abrutschen.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Prof. Giovanni Traverso haben nun einen weichen Endoskopieroboter namens BIOSENTER entwickelt. Der zylinderförmige Prototyp ist rund 9,5 Zentimeter lang und 1,4 Zentimeter dick. Vier mit Druckluft betriebene Kammern im elastischen Körper ermöglichen eine Verlängerung und gezielte Richtungswechsel.
An Kopf und Schwanz sitzen aufblasbare Halteelemente mit einer eingeschnittenen Kunststoffhülle, deren Form sich beim Aufpumpen verändert. Dieses Kirigami-Muster richtet kleine Fortsätze auf, die ähnlich wie Schlangenschuppen Halt auf der rutschigen Darmoberfläche geben. Im Gewebetest erreichten die Halteelemente eine Haltekraft von etwa 1,5 Newton, wobei sich ihr Durchmesser um rund 30 Prozent vergrößerte. Ein vergleichbares Element ohne Kirigami-Hülle musste sich für eine ähnliche Haltekraft um etwa 150 Prozent ausdehnen.
Zur Fortbewegung verankert der Roboter zunächst sein hinteres Ende und streckt seinen Körper nach vorne. Anschließend hält sich der Kopf fest, während sich der Körper wieder zusammenzieht und das hintere Ende nachrückt. In einfachen Kunststoffröhren schaffte BIOSENTER so etwa zehn Zentimeter pro Minute, in einer mit Darmgewebe ausgekleideten Röhre rund 4,3 Zentimeter.
In Versuchen an Schweinen gelangte der Roboter rund zwei Meter durch einen gewundenen, zusammengefallenen Dünndarmabschnitt, und zwar in elf Minuten. Dafür waren zusätzliche vorsichtige Schubbewegungen mit Kräften zwischen 2,2 und 6,4 Newton nötig. Der Roboter wurde bei diesen Versuchen nach einem chirurgischen Zugang in den Dünndarm eingeführt, nicht auf natürlichem Weg über Mund oder After. Die zurückgelegte Strecke belegt deshalb noch keine vollständig selbstständige Darmspiegelung.
Ein sechs Millimeter breiter Kanal im Inneren bietet Platz für Kamera, Licht, Greifzange oder einen Schlauch. Eine elastische Metallfeder verhindert, dass dieser Kanal beim Biegen und Strecken zusammengedrückt wird. Im Schweinedarm ließen sich damit Gewebeproben entnehmen und ausgewählte Stellen gezielt mit gefärbter Testflüssigkeit besprühen. Die tatsächliche Verabreichung eines Arzneimittels wurde nicht untersucht.
Auch die Verträglichkeit der Kirigami-Hüllen wurde im Tierversuch geprüft. Unter den untersuchten Bedingungen fanden sich weder sichtbare Überdehnungen des Darms noch erkennbare Unterschiede zwischen behandeltem und unbehandeltem Gewebe in der mikroskopischen Untersuchung. Diese kurzfristigen Befunde aus begrenzten Tierversuchen reichen allerdings nicht aus, um die Sicherheit beim Menschen nachzuweisen.
BIOSENTER soll bestehende Verfahren zur Dünndarmspiegelung nicht durch völlig neue Untersuchungsfunktionen ersetzen. Sein möglicher Vorteil liegt vielmehr darin, Vortrieb, Steuerung und Eingriffe in einem nachgiebigen System zu vereinen. Ob dies gegenüber der heutigen Doppelballon-Enteroskopie die Untersuchungsdauer verkürzt oder Komplikationen verringert, wurde bisher nicht direkt gezeigt.