През една ярка есенна вечер през 2006 г. д-р Силвен Мартел затаи дъх, докато техник зареди обезболено прасе във въртяща се машина за fMRI. Очите му гледаха екрана на компютъра, който показваше магнитно мънисто, окачено в тънък свински кръвоносен съд. Напрежението в стаята се усещаше физически. Изведнъж балонът оживя и се плъзна над плавателния съд като микроскопична подводница, насочена към дестинацията си. Екипът избухна в аплодисменти.
Мартел и неговият екип тестваха нов начин за дистанционно управление на малки обекти в живо животно чрез манипулиране на магнитните сили на машината. И за първи път се получи.
Учените и писателите отдавна мечтаят за малки роботи, които се движат през обширната кръвоносна система на тялото като космически изследователи, изучаващи галактики и техните обитатели. Потенциалът е огромен: малки медицински роботи биха могли например да прехвърлят радиоактивни лекарства в ракови клъстери, да извършват операции в тялото или да прочистват кръвни съсиреци дълбоко в сърцето или мозъка.
Мечта, мечта, но с помощта на роботи, казва д-р Брадли Нелсън от Политехническия университет в Цюрих, хората биха могли да се потопят директно в кръвта, за да извършват мозъчна операция.
В момента медицинските микро-роботи са предимно измислени, но това може да се промени през следващото десетилетие. Тази седмица д-р Мариана Медина-Санчес и Оливер Шмит от Лайбниц институт за изследване на твърди вещества и материали в Дрезден, Германия, публикуваха статия в Nature, която се превърна от големи екрани в наноинженерни лаборатории, очертавайки приоритети и реалистични тестове за съживяване на тези малки хирурзи.
Създаване на хамали
Медицинските микророботи са част от пътя на медицината към миниатюризация. През 2001 г. израелската компания представи PillCam, пластмасова капсула с размер на бонбони, оборудвана с камера, батерия и безжичен модул. Докато пътува през храносмилателния канал, PillCam периодично изпраща обратно изображения безжично, предлагайки по-чувствителен и по-малко токсичен диагностичен метод от традиционната ендоскопия или рентгенография.
Промоционално видео:
PillCam е с гигантски размери за перфектен микроробот, което го прави подходящ само за относително широката тръба на храносмилателната ни система. Това хапче също беше пасивно и не можеше да се задържи на интересни места за по-подробен преглед.
„Истинският медицински робот трябва да се движи и да напредва през сложна мрежа от пълни с течност тубули в тъканите дълбоко в тялото“, обяснява Мартел.
Тялото, за съжаление, не е много приветливо за външните гости. Микророботите трябва да издържат на разяждащи стомашни сокове и да се носят в кръвта без двигател.
Лабораториите по целия свят се опитват да намерят разумни алтернативи за решаване на хранителния проблем. Едната идея е да се създадат химически ракети: цилиндрични микророботи с „гориво“- метал или друг катализатор - който реагира със стомашни сокове или други течности, излъчвайки мехурчета от задната страна на цилиндъра.
"Тези двигатели са трудни за управление", казват Медина-Санчес и Шмид. Можем грубо да контролираме посоката им, използвайки химически градиенти, но те не са достатъчно стабилни и ефективни. Проектирането на нетоксични горива на базата на захар, урея или други телесни течности също е изправено пред предизвикателства.
По-добра алтернатива биха били металните физически двигатели, които биха могли да се активират от промени в магнитното поле. Мартел, както показа демонстрацията му с мъниста в прасе, беше един от първите, които разследваха такива двигатели.
ЯМР машината е идеална за контрол и изобразяване на метални прототипи на микророботи, обяснява Мартел. Машината има няколко комплекта магнитни намотки: основният комплект магнетизира микроробота, след като е вкаран в кръвния поток през катетър. След това, като манипулираме намотките с градиент на ЯМР, можем да генерираме слаби магнитни полета, които да прокарат микроробота през кръвоносни съдове или други биологични тръби.
В следващите експерименти Мартел прави наночастици от желязо и кобалт, покрити с противораково лекарство и инжектира тези малки войници в зайци. Използвайки компютърна програма за автоматична промяна на магнитното поле, неговият екип насочва ботовете точно към целта. Въпреки че в конкретното проучване няма реални тумори, Мартел казва, че проекти като тези могат да бъдат полезни в борбата с рака на черния дроб и други тумори с относително големи съдове.
Защо не малки съдове? Проблемът отново е в енергията. Мартел успя да свие робота до няколкостотин микрометра - всичко по-малко изисква магнитни градиенти, толкова големи, че нарушават невроните в мозъка.
Микроциборги
По-елегантното решение е да се използват биологични двигатели, които вече съществуват в природата. Бактериите и сперматозоидите са въоръжени с камшични опашки, които естествено ги изтласкват през криволичещи тунели и телесни кухини, за да осъществят биологични реакции.
Чрез комбиниране на механични и биологични части би било възможно двата компонента да се допълват, когато единият не успее.
Пример за това е бот за сперма. Шмид разработи малки метални намотки, които се увиват около мързеливите сперматозоиди, придавайки му подвижност да достигне яйцеклетката. Сперматозоидите също могат да бъдат заредени с лекарства, свързани с магнитната микроструктура за лечение на рак в репродуктивния тракт.
Съществуват и специализирани групи бактерии MC-1, които се подравняват с магнитното поле на Земята. Чрез генериране на относително слабо поле - достатъчно, за да се преодолее земното - учените могат да ориентират вътрешния компас на бактериите към нова цел като рак.
За съжаление, MC-1 бактериите могат да оцелеят в топла кръв само за 40 минути и повечето не са достатъчно силни, за да плуват срещу кръвния поток. Мартел иска да създаде хибридна система от бактерии и мастни мехури. Мехурчетата, заредени с магнитни частици и бактерии, ще бъдат насочени в по-големи съдове, използвайки силни магнитни полета, докато не навлязат в по-тесните. След това те се спукват и пускат рояк бактерии, които по същия начин, използвайки слаби магнитни полета, ще завършат пътуването си.
Движа се напред
Докато учените са скицирали куп идеи за задвижването, проследяването на микророботите след имплантирането им в тялото остава огромно предизвикателство.
Комбинациите от различни техники за изобразяване могат да помогнат. Ултразвукът, ЯМР и инфрачервеното изобразяване са твърде бавни, за да се наблюдават действията на микророботите дълбоко в тялото. Но чрез комбиниране на светлина, звук и електромагнитни вълни бихме могли да увеличим разделителната способност и чувствителността.
В идеалния случай техниката за изобразяване трябва да може да проследява микромотори на 10 сантиметра под кожата, в 3D и в реално време, движейки се с минимална скорост от десетки микрометри в секунда, казват Medina-Sanchez и Schmidt.
В момента това е трудно постижимо, но учените се надяват, че най-съвременните оптоакустични техники, съчетаващи инфрачервено и ултразвуково изобразяване, могат да станат достатъчно добри за проследяване на микророботите след няколко години.
И тогава остава въпросът, какво да правим с роботите в края на тяхната мисия. Оставянето им да се носят в тялото е да се позволи съсиреци или други катастрофални странични ефекти като отравяне с метал. Връщането на роботите до изходната им точка (уста, очи и други естествени отвори) може да бъде поразително. Затова учените обмислят по-добри възможности: премахване на роботи по естествен начин или създаването им от биоразградими материали.
Последното има отделен плюс: ако материалите са чувствителни към топлина, киселинност или други телесни фактори, те могат да бъдат използвани за създаване на автономни биороботи, които работят без батерии. Например учените вече са направили малки „грайфери“във формата на звезда, които се затварят около тъканите, когато са изложени на топлина. Когато се постави около засегнатите органи или тъкани, грайферът може да направи биопсия in situ, предлагайки по-малко инвазивен метод за скрининг за рак на дебелото черво или проследяване на хронично възпалително заболяване на червата.
„Целта е да се създадат микророботи, които да могат да откриват, диагностицират и действат автономно, докато хората наблюдават и остават под контрол в случай на неизправност“, казват Медина-Санчес и Шмид.
Фантастичното пътешествие на медицински микро роботи едва започва.
Всички комбинации от материали, микроорганизми и микроструктури ще трябва да бъдат тествани за неопределено време, за да се гарантира, че са безопасни, първо върху животни, а след това и върху хора. Учените също очакват съдействие от регулаторите.
Но оптимизмът на учените не изсъхва.
„Чрез координирани инициативи микророботите могат да ни въведат в ерата на неинвазивните терапии за десет години“, казват изследователите.
ИЛЯ ХЕЛ