Нанороботи в медицині

Від Людини-мурашки до неймовірно стиснутої машини — суспільство давно передбачало розробку пристроїв, достатньо крихітних, щоб проникати в людські клітини. Такі нанотехнології можуть революціонізувати діагностику таких захворювань, як рак і нейродегенерація, запропонувати нові методи точного доставки ліків і навіть безпосередньо відновлювати пошкоджені органи.

Наноматеріали вже використовуються в безлічі продуктів, таких як сонцезахисні креми, продукти харчування та косметика, але оснащення цих крихітних часток більш активними функціями — мрія наномедицини. Хоча дослідники в академічних колах і промисловості рівною мірою займаються розробкою наноробототехніки в медицині, зменшення розмірів будь-якого обладнання призводить до значної кількості проблем.

Розмір молекули ДНК в наномасштабі складає 2,5 нм; білки — 10 нм; вірус — 100 нм; бактерія — 1000 нм; клітини людини — 10 000 нм.

У нормальному масштабі головне завдання здається простим: рух. Але в наномасштабі жодна батарея не є достатньо маленькою, щоб живити наноробота. Команди по всьому світу досліджують різні варіанти контролю нанороботів в організмі, починаючи з використання електромагнітних і хімічних методів і закінчуючи впливом на природу.

Друга проблема — це саме тіло. Щоб ефективно виконувати свою функцію, нанороботи повинні ухилятися від безлічі захисних засобів, які організм використовує від крихітних злочинців, долати або ухилятися від природних бар'єрів (наприклад, гематоенцефалічний бар'єр), а також витримувати іноді суворі умови, такі як кисле середовище шлунка або заповнена Т-клітинами кров.

Більш того, будь-які наноматеріали, які використовуються в організмі, необхідно буде оцінити на токсичність і запобігти небажаному імунному відповіді.

Окрім того, сама наука все ще знаходиться на етапі розуміння. Один нанометр в 100 000 разів менший діаметра волосся, і коли ви стискаєте речі до цього розміру, властивості матеріалів корінним чином змінюються. Сили, які зазвичай не треба враховувати, такі як вплив сусідніх молекул, тепер повинні враховуватися. Попри ці проблеми, ця область, хоча й досі на ранньому етапі, добивається прогресу, і дослідники з оптимізмом дивляться на потенціал нанороботів, які можуть революціонізувати цільову медицину, зокрема в лікуванні раку.

Природа як натхнення

Більшість нанотехнологій у медицині передбачає використання дрібних часток для перенесення матеріалів і їх доставки в клітини або всередину них. Часто така доставка відбувається випадково; однак зусилля з керованої доставки спрямовані на розробку дуже простих роботизованих систем, що складаються з корисного вантажу і оболонки, які можуть бути спрямовані на конкретний об'єкт. Ці пристрої управляються зовнішніми силами, такими як електромагнітні поля, або виробничими технологіями, що використовують хімічні або біологічні реакції.

"Тема наномедицини як контейнерів, які можуть доставляти фармацевтично активні сполуки цілеспрямовано, існує вже давно", — каже Пер Фішер, професор фізичної хімії в Штутгартському університеті, керівник незалежної лабораторії мікро- і молекулярних систем в Інституті інтелектуальних систем Макса Планка в Штутгарті. "Що важко зробити і на чому зосереджено багато груп, так це зробити ці носії активними. Наприклад, замість того, щоб покладатися на процес пасивної дифузії для розподілу ліків у крові, контрольований рій наночасток може бути надісланий у важкодоступні області, такі як пухлина".

Коли мова йде про створення руху, механіка грубої сили не є хорошим підходом на нано-рівні, тому що важко створити цю силу локально. Більше того, нанороботи, націлені на проникнення в такі органи, як легені, кишечник, шлунок чи очі, повинні мати справу з однією з основних захисних функцій організму від мікровзломників: складними біологічними рідинами, такими як слиз.

Намагаючись вирішити проблему руху і проникнення через слиз, група Фішера звернулася до бактерій Helicobacter pylori, які викликають виразку, шукаючи натхнення через їхню штопороподібну форму і здатність виділяти ферменти та руйнувати слиз. Малий розмір і форма бактерій дозволяють їм переміщатися через м’які тканини та рідини, такі як слиз, де для просування необхідні рухи, як свердління (а не плавання). Це пов’язано з тим, що зменшення розміру змінює те, що раніше було однорідною рідиною, на молекулярну сітку макромолекул, пояснює Фішер.

"Ось як дуже маленькі системи можуть активно долати ці бар'єри проникнення з дуже малою силою", — каже Фішер. "Бактерія — це буквально свердло".

Група Фішера імітує форму штопора патогена, використовуючи індивідуальний виробничий процес у 3D для створення маленьких пропелерів завдовжки близько 400 нм (приблизно в 20 разів менше, ніж клітина крові людини), виготовлених з діоксиду кремнію та інших матеріалів. Ці пропелери виконують аналогічний рух штопора через рідину, і ними можна керувати за допомогою магнітів.

Нанороботи для медичних застосувань

Нанороботи, розроблені для медичних застосувань, можуть бути спрямовані на точну доставку ліків в важкодоступні частини тіла або навіть для виконання мікрохірургічних процедур. Вони також можуть використовуватися для цільового лікування ракових клітин, що дозволяє уникнути пошкодження здорових тканин.