Pewnego jasnego jesiennego wieczoru 2006 r. Dr Sylvain Martel wstrzymał oddech, gdy technik ładował znieczuloną świnię do obracającego się aparatu fMRI. Jego oczy wpatrywały się w ekran komputera, na którym widniał magnetyczny koralik wiszący w cienkim naczyniu krwionośnym świni. Napięcie w pomieszczeniu dało się odczuć fizycznie. Nagle balon ożył i przesunął się nad statkiem jak mikroskopijna łódź podwodna zmierzająca do celu. Zespół wybuchł aplauzem.
Martel i jego zespół testowali nowy sposób zdalnego sterowania małymi obiektami wewnątrz żywego zwierzęcia poprzez manipulowanie siłami magnetycznymi maszyny. I po raz pierwszy zadziałało.
Naukowcy i pisarze od dawna marzyli o małych robotach, które poruszają się po rozległym układzie krążenia ciała, jak kosmici badający galaktyki i ich mieszkańców. Potencjał jest ogromny: maleńkie roboty medyczne mogłyby na przykład przenosić radioaktywne leki do skupisk rakowych, przeprowadzać operacje wewnątrz organizmu lub oczyszczać skrzepy krwi w głębi serca lub mózgu.
Sen, sen, ale z pomocą robotów, mówi dr Bradley Nelson z Politechniki w Zurychu, ludzie mogliby zanurzyć się bezpośrednio w krwiobiegu, aby przeprowadzić operację mózgu.
W tej chwili medyczne mikro-roboty są w większości fikcyjne, ale może się to zmienić w ciągu następnej dekady. W tym tygodniu dr Mariana Medina-Sánchez i Oliver Schmidt z Leibniz Institute for Solids and Materials Research w Dreźnie w Niemczech opublikowali artykuł w Nature, który z dużych ekranów przeszedł do laboratoriów nanoinżynierii, przedstawiając priorytety i realistyczne testy mające na celu ożywienie tych małych chirurgów.
Stworzenie ruchu
Mikro-roboty medyczne są częścią podróży medycyny do miniaturyzacji. W 2001 roku izraelska firma wprowadziła PillCam, plastikową kapsułę wielkości cukierka wyposażoną w kamerę, baterię i moduł bezprzewodowy. Podczas podróży przez przewód pokarmowy PillCam okresowo wysyłał bezprzewodowo obrazy, oferując bardziej czułą i mniej toksyczną metodę diagnostyczną niż tradycyjna endoskopia czy radiografia.
Film promocyjny:
PillCam ma gigantyczne rozmiary jak na idealnego mikrorobota, dzięki czemu pasuje tylko do stosunkowo szerokiego przewodu naszego układu pokarmowego. Ta pigułka była również pasywna i nie mogła pozostawać w interesujących miejscach do bardziej szczegółowego zbadania.
„Prawdziwy robot medyczny musi poruszać się i przechodzić przez złożoną sieć wypełnionych płynem kanalików w tkankach głęboko w ciele” - wyjaśnia Martel.
Ciało niestety nie jest zbyt przyjazne dla gości z zewnątrz. Mikro-roboty muszą wytrzymać żrące soki żołądkowe i unosić się w krwiobiegu bez silnika.
Laboratoria na całym świecie próbują znaleźć rozsądne alternatywy, aby rozwiązać problem żywieniowy. Jednym z pomysłów jest stworzenie rakiet chemicznych: cylindrycznych mikrorobotów z „paliwem” - metalem lub innym katalizatorem - który reaguje z sokami żołądkowymi lub innymi płynami, emitując bąbelki z tylnej części cylindra.
„Silniki te są trudne do kontrolowania” - mówią Medina-Sanchez i Schmidt. Możemy z grubsza kontrolować ich kierunek za pomocą gradientów chemicznych, ale nie są one wystarczająco mocne i skuteczne. Projektowanie nietoksycznych paliw na bazie cukru, mocznika lub innych płynów ustrojowych również staje przed wyzwaniami.
Lepszą alternatywą byłyby metalowe silniki fizyczne, które mogłyby być aktywowane przez zmiany w polu magnetycznym. Martel, jak pokazała jego demonstracja z kulką w świni, był jednym z pierwszych, którzy zbadali takie silniki.
Maszyna MRI jest idealna do kontrolowania i obrazowania metalowych prototypów mikrorobotów, wyjaśnia Martel. Maszyna posiada kilka zestawów cewek magnetycznych: główny zestaw magnesuje mikrorobota po wprowadzeniu go do krwiobiegu przez cewnik. Następnie, manipulując cewkami gradientowymi MRI, możemy wygenerować słabe pola magnetyczne, aby przepchnąć mikrorobota przez naczynia krwionośne lub inne probówki biologiczne.
W kolejnych eksperymentach Martel wytworzył nanocząsteczki żelaza i kobaltu pokryte lekiem przeciwnowotworowym i wstrzyknął te małe żołnierzyki królikom. Używając programu komputerowego do automatycznej zmiany pola magnetycznego, jego zespół wycelował boty w cel. Chociaż w tym konkretnym badaniu nie było żadnych guzów, Martel twierdzi, że takie projekty mogą być pomocne w walce z rakiem wątroby i innymi nowotworami o stosunkowo dużych naczyniach.
Dlaczego nie małe statki? Problem znowu tkwi w energii. Martel był w stanie zmniejszyć robota do kilkuset mikrometrów - cokolwiek mniej wymaga gradientów magnetycznych tak dużych, że zakłócają neurony w mózgu.
Mikrocyborgi
Bardziej eleganckim rozwiązaniem jest użycie silników biologicznych, które już istnieją w przyrodzie. Bakterie i plemniki są uzbrojone w ogony typu whiplash, które w naturalny sposób przenoszą je przez kręte tunele i jamy ciała w celu przeprowadzenia reakcji biologicznych.
Łącząc części mechaniczne i biologiczne, można by sprawić, że te dwa komponenty będą się wzajemnie uzupełniać, gdy jeden z nich zawiedzie.
Przykładem jest robot nasienia. Schmidt zaprojektował maleńkie metalowe cewki, które owijają się wokół leniwego plemnika, umożliwiając mu dotarcie do komórki jajowej. Nasienie może być również obciążone lekami związanymi z mikrostrukturą magnetyczną, aby leczyć nowotwory układu rozrodczego.
Istnieją również wyspecjalizowane grupy bakterii MC-1, które wyrównują się z polem magnetycznym Ziemi. Generując stosunkowo słabe pole - wystarczające do pokonania ziemskiego - naukowcy mogą zorientować wewnętrzny kompas bakterii w kierunku nowego celu, takiego jak rak.
Niestety bakterie MC-1 mogą przetrwać w ciepłej krwi tylko przez 40 minut, a większość z nich nie jest wystarczająco silna, aby pływać pod prąd. Martel chce stworzyć hybrydowy system bakterii i pęcherzy tłuszczowych. Bąbelki wypełnione cząsteczkami magnetycznymi i bakteriami będą kierowane do większych naczyń przy użyciu silnych pól magnetycznych, aż wejdą do węższych. Następnie pękają i uwalniają rój bakterii, które w ten sam sposób, wykorzystując słabe pola magnetyczne, zakończą swoją podróż.
Idąc naprzód
Podczas gdy naukowcy nakreślili kilka pomysłów na temat napędu, śledzenie mikrorobotów po ich wszczepieniu do ciała pozostaje ogromnym wyzwaniem.
Pomocne mogą być kombinacje różnych technik obrazowania. Ultradźwięki, rezonans magnetyczny i obrazowanie w podczerwieni są zbyt wolne, aby obserwować operacje mikrorobotów głęboko w ciele. Ale łącząc światło, dźwięk i fale elektromagnetyczne, mogliśmy zwiększyć rozdzielczość i czułość.
W idealnym przypadku technika obrazowania powinna umożliwiać śledzenie mikrosilników na głębokości 10 centymetrów pod skórą, w 3D iw czasie rzeczywistym, poruszając się z minimalną prędkością kilkudziesięciu mikrometrów na sekundę, mówią Medina-Sanchez i Schmidt.
W tej chwili jest to trudne do osiągnięcia, ale naukowcy mają nadzieję, że najnowocześniejsze techniki optoakustyczne, łączące obrazowanie w podczerwieni i ultradźwiękowej, mogą stać się wystarczająco dobre, aby śledzić mikroroboty za kilka lat.
A potem pozostaje pytanie, co zrobić z robotami pod koniec ich misji. Pozostawienie ich w ciele pozwala na tworzenie się skrzepów lub innych katastrofalnych skutków ubocznych, takich jak zatrucie metalami. Przywrócenie robotów do punktu wyjścia (ust, oczu i innych naturalnych otworów) może być przytłaczające. Dlatego naukowcy rozważają lepsze opcje: usuwanie robotów w naturalny sposób lub tworzenie ich z materiałów biodegradowalnych.
Ta ostatnia ma osobny plus: jeśli materiały są wrażliwe na ciepło, kwasowość lub inne czynniki organizmu, można je wykorzystać do stworzenia autonomicznych biorobotów, które działają bez baterii. Na przykład naukowcy wykonali już małe „chwytaki” w kształcie gwiazdy, które zamykają się wokół tkanki pod wpływem ciepła. Po umieszczeniu wokół chorych narządów lub tkanek chwytak może wykonać biopsję in situ, oferując mniej inwazyjną metodę badania przesiewowego w kierunku raka okrężnicy lub śledzenia przewlekłej nieswoistej choroby zapalnej jelit.
„Celem jest stworzenie mikrorobotów, które potrafią wykrywać, diagnozować i działać autonomicznie, podczas gdy ludzie obserwują i zachowują kontrolę w przypadku awarii” - powiedzieli Medina-Sanchez i Schmidt.
Fantastyczna podróż mikrorobotów medycznych dopiero się zaczyna.
Wszystkie kombinacje materiałów, mikroorganizmów i mikrostruktur będą musiały być testowane w nieskończoność, aby upewnić się, że są bezpieczne, najpierw na zwierzętach, a następnie na ludziach. Naukowcy czekają również na pomoc ze strony organów regulacyjnych.
Ale optymizm naukowców nie wysycha.
„Dzięki skoordynowanym inicjatywom mikroroboty mogą wprowadzić nas w erę nieinwazyjnych terapii na dziesięć lat” - twierdzą naukowcy.
ILYA KHEL