Как нанороботы изменят наш подход к медицине уже через несколько лет

Для большинства людей выражение «медицинский робот», вероятно, мало что говорит. А кто-то может быть слышал лишь упоминание о хирургическом роботе Da Vinci, который произвел революцию в малоинвазивной хирургии.

Но некоторые из самых захватывающих успехов в медицинской робототехнике происходят сегодня на микро и наноуровнях. Недавнее обзорное исследование в журнале Science Robotics показало, что не за горами появление нового поколения миниатюрных роботов, способных доставлять лекарства, проводить точные операции и значительно улучшить диагностику.

«Проектирование миниатюрных и универсальных роботов в несколько микрометров или меньше позволит получить доступ ко всему человеческому телу, вплоть до клеточного уровня, и даст возможность проводить локализованную диагностику и лечение с большей точностью и эффективностью», пишут авторы исследования.

Создание устройств в таком масштабе имеет свои трудности. Например, микро и наномашины работают в средах с низким числом Рейнольдса, что по существу означает, что инерция не играет практически никакой роли.

Это означает и то, что традиционные стратегии навигации, которые будут использоваться в роботах на макромасштабе, очень часто не будут работать, и поэтому необходимо разрабатывать новые подходы, используемые микроорганизмами, которые существуют на подобном уровне. В то же время, традиционные подходы к питанию устройств, таких как батареи, не могут быть уменьшены до этого уровня, поэтому исследователям придется полагаться на химические двигатели с использованием топлива, находящегося в окружающей среде или на внешние источники питания, такие как магнитные поля и ультразвук.

Но, несмотря на эти ограничения, авторы подчеркивают, что ученым уже удалось продемонстрировать множество миниатюрных роботов, которые могут перемещаться по сложным биологическим средам для доставки лекарств и диагностики болезней. Вот основные области, где эти крошечные устройства могут оказаться наиболее полезными в решении медицинских проблем.

Целенаправленная доставка лекарств

Нанотехнологии, занимающиеся доставкой лекарств, не являются чем-то новым, но большинство существующих решений основано на естественной циркуляционной системе организма. С помощью миниатюрных роботов можно быстрее и точнее доставлять лекарства к месту назначения, что сделает их более эффективными и уменьшит побочные эффекты от сильнодействующих препаратов.

Одним из перспективных направлений решения проблемы движения подобных нанороботов являются химические наномоторы — крошечные частицы, которые используя химическое топливо дают возможность нанороботам передвигаться.

Но в последнее время эксперименты in vivo (проведение экспериментов на (или внутри) живой ткани при живом организме) начали становиться все более распространенными и дают довольно обнадеживающие результаты. Например, синтетические двигатели с биологическими жидкостями, такими как кислота желудка или вода. Многие из подобных решений кроме того снимают проблему токсичных веществ, устраняя тем самым необходимость их извлечения после того, как они выполнили свою задачу.

Также были демонстрации устройств доставки с использованием внешних источников, таких как магнитные поля или ультразвук. В одном из самых впечатляющих исследований исследователи кооптировали бактерии, которые естественно плавали вдоль линий магнитного поля и в сторону низких концентраций кислорода. Они прикрепили содержащие лекарство капельки к бактериям и использовали магнитные поля, чтобы направлять их в обедненные кислородом области опухолей, обычно очень устойчивые к лечению.

Точная хирургия

Нанороботы также смогут работать в труднодоступных местах и проводить процедуры в меньших масштабах, чем на клеточном уровне.

Один из перспективных видов миниатюрных роботов способен захватывать и извлекать ткани и клетки. Отдельные версии подобных инструментов, управляемых механическими или электрическими сигналами, были разработаны ранее, но они были сравнительно большими. Теперь же новые достижения в области науки и новых материалов дали возможность создать вполне рабочие версии таких роботов.

Магнитоуправляемые микророботы также имеют большие перспективы применения в хирургических процедурах. Исследователи продемонстрировали способность проводить хирургическую операцию в глазу живого кролика с помощью подобного устройства.

А ультразвук можно использовать для запуска так называемых «микропузырков», которые достигают скорости шесть метров в секунду за счет использования биосовместимого топлива, что позволяет им проникать глубоко в пораженные ткани. Наконец, «нанороботы» могут использовать химическое топливо для движения штопором, которое позволяет им сверлить и внедрять себя в ткани.

Детоксикация

Наномотор при наличии правильного топлива даст возможность нанороботам передвигаться сколь угодно долго. Не только доставляя лекарства, но и попутно выводя токсины.

Прикрепив биорецептор к наномотору, мы, тем самым, поможем ему гораздо быстрее настигнуть молекулу-мишень. Эти устройства могут быть достаточно мощными, чтобы обнаруживать и транспортировать клетки-мишени.

Аналогичным образом нанороботы могут быстро находить и удалять токсины в биологических средах. Было показано, что красные кровяные клетки превосходно поглощают токсины, поэтому существуют проекты, в которых эритроциты объединяют с наномоторами для создания роботов, способных абсорбировать и нейтрализовать вредные вещества.

Будущие вызовы

Несмотря на существующий прогресс данной области в обзоре освещается и ряд проблем, которые необходимо решить. Прежде всего, это тот факт, что многие исследованные наномоторы используют перекись водорода как топливо, которое не является биосовместимым.

Недавняя работа над наномоторами, которые используют ферменты для питания себя химическими веществами, обнаруженными в жидкостях организма, таких как глюкоза или мочевина, довольна многообещающа, но все же требует значительной доработки.

Биологическая среда — непредсказуемое место с постоянно меняющимися условиями, поэтому данное направление потребует использования дополнительных инноваций и новых материалов, чтобы создать многофункциональных отказоустойчивых роботов и не только, в так называемых, «зонах комфорта». И объединение синтетических наноустройств с биологическими материалами является одним из перспективных подходов к предотвращению таких вещей, как иммунные ответы.