Die grafische Darstellung veranschaulicht die Herstellung von Mikrorobotern auf dem Lab-on-Chip (LoC). Im Zentrum befindet sich ein Reservoir, in dem die Zellen eingefangen werden. Anschliessend werden die Nanopartikel injiziert. Nach etwa 30 Minuten verbinden sich beide Komponenten zu einem NPC-Bot. © ETH Zürich

„Um die Herstellung zu skalieren, betreiben wir mehrere Lab-on-a-Chip-Systeme parallel“, erklärt Hao Ye, Senior Scientist an der ETH Zürich und Erstautor der Studie. Für Zellversuche seien Hunderttausende NPC-Bots erforderlich, für Tierversuche sogar mehrere Millionen.

Erfolge im Zebrafisch-Modell

Getestet wurde die Technologie zunächst an Zebrafischlarven. Das Tiermodell spielt in der Regenerationsforschung eine besondere Rolle, weil Zebrafische die Fähigkeit besitzen, geschädigtes Nervengewebe vergleichsweise gut zu erneuern. Die Forschenden injizierten die NPC-Bots direkt in die verletzten Bereiche des Rückenmarks und setzten die Tiere anschließend elektromagnetischen Feldern aus.

Schematische Darstellung, wie die NPC-Bots in in das verletzte Rückenmark injiziert und die Mikroroboter magnetisch an die richtige Stelle gesteuert werden. Dann werden die Nervenzellen bei Zebrafischen und Mäusen mit den NPC-Bots magnetoelektrisch stimuliert und erholen sich so schneller. © ETH Zürich

Die Ergebnisse waren laut der Forschenden bemerkenswert. Bereits nach drei Tagen zeigten die verletzten Tiere nahezu normales Schwimm- und Erkundungsverhalten. Für Pané i Vidal war dies auch das Resultat einer engen Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Forschungsgruppen: „Stephan Neuhauss und Jingjing Zang an der Universität Zürich haben äußerst wertvolle Arbeit geleistet. Sie haben es uns ermöglicht, in einem gut charakterisierten regenerativen Modellsystem zu zeigen, wie schnell sich die Zellen mit unserer Methode differenzieren und wie unsere Bots das Rückenmark reparieren.“

Auch bei Mäusen regenerieren sich Nervenverbindungen

Noch wichtiger aber war ein zweiter Versuch. Die Forschenden testeten ihre Technologie auch an Mäusen mit vollständig durchtrenntem Rückenmark. Das ist ein Modell, das der menschlichen Situation deutlich näherkommt. Anders als Zebrafische verfügen Mäuse nicht über die Fähigkeit, das Rückenmark von selbst zu regenerieren.

Dennoch konnten die Wissenschaftler nach 28 Tagen beobachten, dass sich Nervenzellen im Bereich der Verletzung erneut miteinander verbunden hatten. Parallel dazu verbesserten sich Gangbild, Schrittlänge, Koordination und Explorationsverhalten der behandelten Tiere deutlich. Hinweise auf unerwünschte Nebenwirkungen oder Immunreaktionen fanden sich nicht.

Präzise Stimulation ohne implantierte Elektroden

Möglich werden diese Effekte durch die besondere Eigenschaft der Nanopartikel. Sie wandeln von außen angelegte Magnetfelder direkt in elektrische Impulse um, die wiederum die Stammzellen stimulieren. Anders als bei bisherigen Verfahren sind dafür keine implantierten Elektroden oder Kabel notwendig. Die Stimulation erfolgt von außen und damit deutlich schonender.

„Die mikrorobotische Steuerung macht die Behandlung präziser und minimalinvasiv“, erklärt Hao Ye.

Magnetfelder eignen sich für diesen Ansatz besonders gut, weil sie Gewebe nahezu ungehindert durchdringen und sich ihre Stärke sowie Frequenz flexibel anpassen lassen. Nach abgeschlossener Differenzierung der Vorläuferzellen verlieren die NPC-Bots ihre Funktion und lösen sich weitgehend im Gewebe auf. Die Forschenden gehen davon aus, dass die verwendeten Nanopartikel aufgrund ihrer Bariumtitanat-Beschichtung stabil und biologisch wenig reaktiv sind. Ob und wie sie langfristig abgebaut oder ausgeschieden werden, soll nun in weiteren Studien untersucht werden.

Noch kein Einsatz beim Menschen

Bis zu einer Anwendung beim Menschen dürfte allerdings noch einige Zeit vergehen. Zahlreiche klinische Fragen sind offen, ebenso die optimale Gestaltung der Magnetfeldstimulation.

„Neben vielen klinischen Aspekten müssen wir zunächst untersuchen, welche Magnetfelder beim Menschen am besten funktionieren, und die optimale Dauer der Stimulation bestimmen“, sagt Hao Ye.

Plattform für die regenerative Medizin

Die Forschenden sehen ihre Entwicklung deshalb nicht nur als möglichen Therapieansatz für Rückenmarksverletzungen, sondern als technologische Grundlage für weitere Anwendungen in der regenerativen Medizin. „Die reproduzierbare und skalierbare Herstellung von Mikrorobotern mit unserem Lab-on-a-Chip-System zeigt, dass das Anwendungspotenzial der Plattform über die Grundlagenforschung hinausgeht“, erklärt Professor Pané i Vidal.

Denkbar seien künftig Anwendungen in der Kardiologie, der Onkologie, der Wundheilung und in weiteren Bereichen der regenerativen Medizin. Sollte sich das Konzept bewähren, könnten Mikroroboter eines Tages helfen, Therapien präziser, schonender und wirksamer zu machen.

Noch ist dieser Weg lang. Doch die Vorstellung, beschädigte Nervenbahnen mithilfe winziger steuerbarer Helfer wieder miteinander zu verbinden, hat die Schwelle von der Vision zum experimentellen Nachweis überschritten.

Originalpublikation:
Ye, H., Zang, J., Zhu, J., von Arx, D., Zhao, J., Pustovalov, V., Mao, M., Tang, Q., Veciana, A., Torlakcik, H., Zhang, E., Sevim, S., Sanchis-Gual, R., Gao, Q., Chen, X., Ahmed, D., Sanchez-Vives, M., Puigmartí-Luis, J., Luo, C., Nelson, B., Neuhauss, S., & Pané, S. (2026). Magnetoelectric microrobots for spinal cord injury regeneration. Nature Materials. DOI:10.1038/s41563-026-02625-3

Quelle: ETH Zürich