Mikroroboter, die Medikamente genau dort freisetzen, wo sie benötigt werden

Leon Wirz
vor 2 Tagen
5 Min. Lesezeit

Veröffentlicht in Science, November 2025 | ETH Zürich

Einleitung

Viele moderne Medikamente sind theoretisch hochwirksam, scheitern in der Praxis jedoch daran, dass sie den gesamten Körper beeinflussen statt nur das erkrankte Gewebe. Dies gilt insbesondere für Krebstherapien, gerinnselauflösende Medikamente und starke Antibiotika. Wenn Wirkstoffe systemisch im Körper zirkulieren, verursachen sie häufig schwere Nebenwirkungen, begrenzen die mögliche Dosierung und tragen zu Therapieversagen bei. Tatsächlich scheitert rund ein Drittel aller Medikamente in der klinischen Entwicklung eher an Toxizität als an mangelnder Wirksamkeit.

Seit Jahrzehnten verfolgen Forschende daher eine einfache, technisch jedoch äußerst anspruchsvolle Idee: Was wäre, wenn Medikamente ausschließlich genau dort freigesetzt würden, wo sie benötigt werden?

Die im November 2025 in Science veröffentlichte Studie von Forschenden der ETH Zürich und klinischen Partnern liefert nun eine der bislang fortschrittlichsten Antworten auf diese Frage: magnetisch gesteuerte Mikroroboter, die sich durch Blutgefäße bewegen und Medikamente gezielt am Wirkort freisetzen können.

Die zentrale Entdeckung

Die Forschenden entwickelten eine klinisch kompatible mikrorobotische Plattform zur Wirkstoffabgabe, bestehend aus winzigen, millimetergroßen Kapseln, die mithilfe externer Magnetfelder durch das menschliche Gefäßsystem gesteuert werden können. Diese Mikroroboter lassen sich in Echtzeit mit Standard-Krankenhausbildgebung (Fluoroskopie) verfolgen, durch komplexe Gefäßverzweigungen navigieren und gezielt am Zielort auflösen, um ihre therapeutische Fracht freizusetzen.

Entscheidend ist, dass es sich hierbei nicht lediglich um einen Laborprototyp handelt. Das System wurde konsequent auf bestehende klinische Infrastruktur ausgelegt, verwendet biokompatible und biologisch abbaubare Materialien und wurde unter realistischen physiologischen Bedingungen getestet, einschließlich Versuchen an Großtiermodellen. Damit rückt das Konzept medizinischer Mikroroboter von einer visionären Idee in Richtung tatsächlicher klinischer Einsatzfähigkeit.

Wie die Studie durchgeführt wurde

Die Plattform vereint drei zentrale Komponenten. Erstens erzeugt ein elektromagnetisches Navigationssystem präzise kontrollierte Magnetfelder über einen Arbeitsbereich, der groß genug ist, um Teile des menschlichen Körpers wie Kopf oder große Blutgefäße zu umfassen. Im Gegensatz zur Navigation mittels MRT erlaubt dieses System schnelle Feldänderungen und eine fein abgestufte Richtungssteuerung.

Zweitens besteht der Mikroroboter selbst aus einer kugelförmigen, auflösbaren Kapsel aus einem gelatinbasierten Hydrogel. In der Kapsel befinden sich drei wesentliche Bestandteile: magnetische Eisenoxid-Nanopartikel zur Steuerung, röntgendichte Partikel zur Sichtbarkeit in der Bildgebung sowie der eigentliche Wirkstoff. Sämtliche verwendeten Materialien sind bereits aus anderen intravaskulären Anwendungen klinisch zugelassen, was die regulatorische Übersetzung erleichtert.

Drittens ermöglicht ein speziell entwickelter Freisetzungskatheter, den Mikroroboter in der Nähe des Zielgebiets zu platzieren, von wo aus er sich anschließend ungebunden weiterbewegt. Je nach lokalen Strömungsverhältnissen kann die Kapsel entlang der Gefäßwand gerollt, mithilfe magnetischer Gradienten gegen den Blutfluss gezogen oder passiv vom Blutstrom mitgeführt und gezielt in bestimmte Gefäßäste gelenkt werden.

Sobald die Kapsel ihr Ziel erreicht hat, wird von außen ein hochfrequentes Magnetfeld angelegt. Dieses erwärmt die magnetischen Nanopartikel leicht und führt zur kontrollierten Auflösung der Kapsel innerhalb weniger Sekunden, wodurch der Wirkstoff exakt am gewünschten Ort freigesetzt wird.

Zentrale Ergebnisse

Die Studie zeigte, dass Mikroroboter auch unter realistischen Blutflussbedingungen zuverlässig navigiert werden können, einschließlich Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie in großen Hirnarterien auftreten. In patientenspezifischen Gefäßmodellen, die aus MRT-Daten rekonstruiert wurden, erreichten die Forschenden Navigations-Erfolgsraten von bis zu 95 % bei hohen Flussgeschwindigkeiten.

Die Mikroroboter waren unter Standard-Fluoroskopie klar sichtbar, sodass keine spezielle Bildgebungstechnologie erforderlich ist. Experimente zur Wirkstoffbeladung belegten die Kompatibilität sowohl mit niedermolekularen Substanzen wie Doxorubicin und Ciprofloxacin als auch mit Biologika wie rekombinantem Gewebeplasminogenaktivator (rtPA), einem in der Schlaganfalltherapie eingesetzten Gerinnselauflöser.

Besonders relevant ist der Nachweis einer gezielten Thrombusauflösung in realitätsnahen Gefäßmodellen. Nach lokaler Freisetzung von rtPA wurde der Blutfluss innerhalb weniger Minuten wiederhergestellt (und zwar mit deutlich geringeren Wirkstoffmengen, als sie bei systemischer Gabe erforderlich wären).

Limitationen der Studie

Trotz ihres hohen Entwicklungsstands ist die Plattform noch nicht für den Einsatz am Menschen zugelassen. Die bisherigen Untersuchungen wurden in vitro sowie in Großtiermodellen durchgeführt, nicht jedoch in klinischen Studien mit Patientinnen und Patienten. Langzeitdaten zur Sicherheit, insbesondere zur Ausscheidung der Nanopartikel und zu wiederholten Anwendungen, fehlen bislang.

Zudem erfordert das System spezielle elektromagnetische Navigationshardware, die derzeit noch nicht zur Standardausstattung von Krankenhäusern gehört. Obwohl es mit klinischen Abläufen kompatibel ist, wären Investitionen in Technik und Schulung des Personals notwendig. Auch das langfristige Schicksal freigesetzter Nanopartikel bei wiederholten Behandlungen bleibt eine offene Frage.

Relevanz für die Schweiz

Für die Schweiz ist diese Forschung von besonderer Bedeutung. Die ETH Zürich, das Universitätsspital Zürich sowie weitere Schweizer Kliniken waren direkt beteiligt und positionieren die Schweiz damit an der Spitze der medizinischen Mikrorobotik.

Aus gesundheitsökonomischer Sicht könnte die gezielte Wirkstoffabgabe erhebliche Kosten einsparen, etwa durch weniger Nebenwirkungen, kürzere Spitalaufenthalte und geringere Therapieversagerquoten. Gerade in Bereichen wie Schlaganfallversorgung, Onkologie und komplexen Infektionen können selbst kleine Präzisionsgewinne große finanzielle Effekte für Krankenversicherer und das öffentliche Gesundheitssystem haben.

Gleichzeitig dürften die anfänglichen Behandlungskosten hoch sein. Basierend auf vergleichbaren hochpräzisen interventionellen Verfahren dürften frühe Anwendungen im Bereich von 20’000–50’000 CHF pro Eingriff liegen. Ob diese Kosten durch Einsparungen in der Folgeversorgung kompensiert werden, wird eine zentrale Frage für Erstattungsentscheide in der Schweiz sein.

Potenzielle Auswirkungen einer erfolgreichen Therapie

Sollte die Technologie erfolgreich in die klinische Routine überführt werden, könnte sie die Art und Weise, wie bestimmte Therapien verabreicht werden, grundlegend verändern. Anstatt systemische Dosierungen zu erhöhen, könnten hochwirksame Medikamente lokal und mit minimalen Nebenwirkungen eingesetzt werden.

Besonders profitieren könnten Erkrankungen, bei denen Toxizität derzeit die Wirksamkeit limitiert, etwa Hirntumoren, Gefäßverschlüsse oder lokal begrenzte Infektionen. Darüber hinaus eröffnet das Konzept neue Therapieansätze, etwa wiederholte lokale Mikro-Dosierungen oder sequenzielle Kombinationstherapien am selben Zielort.

Risiken

Neben technischen und regulatorischen Risiken bestehen auch übergeordnete Herausforderungen. Navigationsfehler könnten – trotz ihrer Seltenheit unter kontrollierten Bedingungen – im lebenden Organismus schwerwiegende Folgen haben. Entsprechend sind robuste Sicherheitsmechanismen, wie die sofortige Auflösung der Kapsel, essenziell.

Auch ethische und ökonomische Aspekte spielen eine Rolle. Hochpreisige Präzisionstherapien könnten bestehende Ungleichheiten im Zugang zur Gesundheitsversorgung verstärken, wenn Erstattungsmodelle nicht mit der technologischen Entwicklung Schritt halten. Transparente Kosten-Nutzen-Bewertungen werden daher entscheidend sein.

Gesamtbewertung

Diese Studie stellt eine der bislang überzeugendsten Demonstrationen dar, dass medizinische Mikroroboter unter realen klinischen Bedingungen funktionieren können. Durch die Integration von Navigation, Bildgebung und Wirkstofffreisetzung in einer einzigen Plattform adressiert sie viele der Fragmentierungsprobleme, die das Forschungsfeld über Jahrzehnte gebremst haben.

Trotz verbleibender Herausforderungen markiert die Arbeit einen klaren Übergang von experimenteller Mikrorobotik hin zu anwendungsnaher, translationaler Medizin. Für Klinikerinnen und Kliniker ebenso wie für biomedizinische Forschende setzt sie einen neuen Maßstab dafür, was „klinisch einsatzbereit“ in diesem jungen Feld bedeuten kann.

Wie geht es weiter?

Die nächsten Schritte umfassen regulatorische Toxikologiestudien, die Weiterentwicklung der Navigationssysteme für weitere anatomische Regionen sowie erste Machbarkeitsstudien am Menschen. Parallel dazu werden Skalierbarkeit der Herstellung und Kostenreduktion entscheidend für eine breite Anwendung sein.

Sollten diese Hürden überwunden werden, könnte die mikrorobotische Wirkstoffabgabe innerhalb des nächsten Jahrzehnts den Sprung von der Science-Fiction in die standardisierte interventionelle Medizin schaffen.

Referenz

Fabian C. Landers et al.,

Clinically ready magnetic microrobots for targeted therapies.Science390,710-715(2025). DOI:10.1126/science.adx1708