Что такое нанороботы в медицине

Наномедицина: роботы внутри нас

Валерий Спиридонов, для РИА Новости

Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, рассказывает о том, как наномашины помогут человеку стать сильнее, здоровее и приобрести новые способности.

— В середине 1990-х годов среди школьников был популярен фантастический мультфильм «Волшебный школьный автобус». Часть его серий была посвящена уменьшению автобуса с пассажирами до наноуровня и его проникновению в организм человека для борьбы с вирусами и бактериями «лицом к лицу».

Тогда это казалось мне всего лишь интересной выдумкой. Но спустя пару десятилетий мир настолько изменился, что лечение болезней на уровне молекул уже воспринимается как настоящая и завтрашняя реальность.

Открытие наномира

Фундаментом для формирования наномедицины послужили молекулярная химия и физика. Первые упоминания об исследованиях на уровне атомов встречаются в работах Исаака Ньютона. Еще в 1704 году Ньютон выражает надежду в своей книге Opticks, что микроскопы будущего помогут исследовать «тайны корпускул». Микроскопы же того времени еще не позволяли изучать образцы материи на наноуровне.

Пока наномедицина является лишь экспериментальной областью науки, но уже сегодня начинают появляться первые образцы лекарств и терапий, которые врачи применяют для лечения реальных болезней.

Врачи-нанороботы

Взамен традиционных таблеток и инъекций приходят крошечные роботы, сопоставимые по размерам с молекулами. Когда такие машины попадают в организм, они проводят диагностику, находят причину развития болезни и отправляются к тому органу, который нуждается в помощи и очередной порции лекарства.

Существует несколько разновидностей таких машин — часть из них убивает раковые клетки и бактерии, другие занимаются анализами и следят за состоянием организма, а третьи — проводят настоящие хирургические операции на молекулярном уровне.

Создание таких медицинских роботов оказалось крайне сложной задачей — ученым пришлось понять, как можно научить их ориентироваться в пространстве, как обеспечить энергией и как заставить двигаться по прямой линии.

К примеру, движением таких роботов сегодня ученые управляют при помощи ультразвука, магнитных и электрических полей, тепла и более экзотических форм электромагнитных и иных волн.

Такие роботы в будущем смогут решать самые разные задачи, начиная с удаления тромбов и холестериновых бляшек и заканчивая «сшиванием» сосудов и остановкой кровотечений.

Робот-хирург

Необходимость разработки роботов-хирургов продиктована прежде всего дефицитом квалифицированных специалистов. Мини-хирург Smart Tissue (STAR), созданный в 2016 году группой ученых из университета Джона Хопкинса (США), провел ряд успешных операций на живых свиньях по сшиванию участков тонкого кишечника.

STAR вводится пациенту через рот и проводит операции без единого разреза на коже. Он получает данные от системы флуоресценции, печати изображений в 3D и датчика давления. План же самой операции программируется через компьютер.

ДНК-нанороботы

Помимо починки отдельных клеток, сосудов и тканей, нанороботы смогут и устранять генетические нарушения, напрямую редактируя структуру нитей ДНК.

Пока такие машины только разрабатываются, и ученым из Калифорнийского технологического института недавно удалось создать наноробота, способного распознавать отдельные нити ДНК и использовать их в качестве ориентиров при сортировке микроскопических грузов. В будущем подобные машины смогут распознавать поврежденные участки генов и заменять их на «правильные» последовательности генетических букв-нуклеотидов.

Кроме того, химики из Манчестерского университета разработали первого в мире молекулярного робота, способного собирать другие молекулы. Он состоит из 150 атомов углерода, водорода, кислорода и азота, и его более продвинутые версии могут в будущем послужить основой для целых молекулярных фабрик и сборочных линий.

Регенерация тканей

В будущем такие роботы смогут не только «чинить» организм, но и защищать его от повреждений. Недавно ученым из Гарварда удалось создать наноткань, способную восстанавливать свою структуру после серьезных повреждений.

Кроме того, нанотехнологии могут дать человеку способность регенерировать свои собственные клетки и ткани.

Недавно ученые из университета Огайо создали наномашину, способную доставлять в клетки специальный набор генов и белков, который «перепрограммирует» их и заставляет превратиться в стволовые клетки, способные делиться, залечивать раны и восстанавливать поврежденные органы и ткани.

Диагностика

Другое важное направление — использование наночипов в диагностике заболеваний. Наноимпланты, недавно созданные учеными, могут собирать сведения о состоянии здоровья пациента и отправлять данные на компьютер, находясь внутри его тела. К примеру, наночип, находящийся в мозге, может анализировать уровень его активности и предпринимать меры при наступлении эпилепсии.

Кроме того, подобные чипы смогут проникать внутрь плода в утробе матери и проводить сверхраннюю диагностику различных наследственных болезней, которая поможет родителям понять, как можно спасти жизнь ребенка или избавить его от проблем в тот момент времени, когда такое вмешательство еще возможно.

Управление через смартфон

Пока такими роботами можно управлять, находясь в специализированных лабораториях и клиниках. В будущем инженеры создадут более удобные системы контроля, которые позволят всем людям «дирижировать» работой таких наноботов, используя смартфон или другой гаджет. Пациент сможет получать отчеты о своем состоянии, вносить изменения в работу наномашин и отслеживать статистику по эффективности лечения.

Безграничный и удивительный наномир открывает свои тайны благодаря новейшим достижениям науки. Предвкушая грандиозные возможности для человечества, ученые приближают наступление новой эпохи наномедицины.

Наномедицина позволит добиться максимального качества медицинской помощи с моментальным реагированием на проблемы организма и их предупреждением. При этом не будут страдать другие органы и ткани и процедуры станут безболезненными. И таким образом, как мне кажется, удастся существенно повысить продолжительность и качество жизни людей. А возможно, даже приблизиться к самой невероятной цели — бессмертию человека.

Источник

ПЭТ-КТ проследила за движением роя нанороботов в живом организме

Распределение радиоизотопных меток после внутривенного введения нанороботов

Hortelao et al. / Science Robotics, 2021

Испанские ученые впервые количественно проследили за распространением нанороботов с ферментным приводом в живом организме. Выяснилось, что в отличие от неактивных аналогов, они склонны самоорганизовываться в форму роя с равномерным распределением частиц. Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.

Нанороботы представляют собой перспективную область медицинских разработок, одно из основных направлений их экспериментального применения — прицельная доставка лекарств в злокачественные опухоли. В отличие от пассивных нанопрепаратов, лишь 0,7 процента дозы которых проникает в новообразование, активно движущиеся наночастицы способны хорошо преодолевать биологические преграды, такие как слизь, клеточные мембраны и оболочки искусственных органоидов. Для придания нанороботам движения применяют различные подходы, например, воздействие внешнего магнитного поля или жгутики, схожие с бактериальными. Наиболее перспективно на данный момент использование каталитической энергии ферментов, «топливом» для которых служат естественные вещества организма.

Отдельную проблему в разработке терапевтических нанороботов представляет отслеживание их движения и распространения в живом организме. Для этих целей пытались применять магнито-резонансную и фотоакустическую компьютерную томографии, однако из-за недостаточной чувствительности эти методы дают лишь качественную, но не количественную оценку.

Чтобы преодолеть эти ограничения, сотрудники Каталонского института биоинженерии, исследовательской организации CIC biomaGUNE и Барселонского автономного университета под руководством Самуэля Санчеса (Samuel Sánchez) и Джорди Льопа (Jordi Llop) решили воспользоваться методом позитронно-эмиссионной томографии, совмещенной с компьютерной томографией (ПЭТ-КТ). Поскольку эта методика основана на регистрации гамма-излучения от радиоизотопных меток, она обладает чрезвычайно высокой чувствительностью, которая не зависит от типа исследуемых органов и тканей, давая полную количественную картину распределения меченого вещества в реальном времени.

Для эксперимента исследователи создали нанороботов из мезопористого кремния с меченым фтором-18 ферментом уреазой, разлагающим мочевину, в качестве «двигателя» и мечеными йодом-124 золотыми наночастицами в качестве «полезной нагрузки». Движение таких нанороботов происходит за счет асимметричного испускания ионов карбоната и аммония, образующихся при распаде мочевины.

Источник

Что такое нанороботы в медицине

Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне. Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.

Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне. Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.

Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне. Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.

Представьте, что идете к врачу за лечением постоянной простуды. Вместо того чтобы дать вам таблетку или сделать укол, врач направляет вас к специальной медицинской команде, которая имплантирует крошечного робота в вашу кровь. Робот распознает причину вашей болезни, отправляется в соответствующую систему и обеспечивает дозу лекарства непосредственно в зараженной зоне. Вы удивитесь, но мы не так уж и далеки от устройств типа такого, которые уже отчасти используются в медицине. Они называются нанороботами, и инженеры по всему миру работают над ними, чтобы они в конечном итоге могли излечить все: от гемофилии до рака.

Как вы можете себе представить, задачи, стоящие перед инженерами, колоссальны. Жизнеспособный наноробот должен быть небольшим и достаточно гибким, чтобы перемещаться по человеческой системе кровообращения, невероятно сложной сети артерий и вен.

Робот также должен обладать возможностью переносить медикаменты или миниатюрные инструменты. Если предположить, что наноробот не должен оставаться в теле пациента навсегда, он также должен уметь выходить из него.

В этой статье мы узнаем о потенциальном применении нанороботов, различных способов навигации нанороботов по нашему телу, об инструментах, которые они будут использовать для лечения пациентов, и о прогрессе, который двигают команды по всему миру.

«Вот два бота, принимать на ночь вместе с едой!»

При должном исполнении нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний человека. В то время как их размер означает, что они могут перенести лишь самую малую порцию медикаментов или оборудования, многие доктора и инженеры полагают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, нежели традиционных. К примеру, вводят мощный антибиотик пациенту через шприц, чтобы помочь его иммунной системе: антибиотик разбавляется кровотоком пациента, и в итоге только часть его достигает пункта назначения.

Тем не менее наноботы или целая команда наноботов может добраться прямо до очага инфекции и доставить небольшую дозу лекарств. Пациент будет меньше страдать от побочных эффектов лекарств.

Несколько инженеров, ученых и врачей полагают, что возможные применения нанороботов практически не ограничены. Среди наиболее вероятных применений:

Как нанороботы будут перемещаться по кровеносной системе?

Навигация нанороботов

Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые, изучающие движение нанороботов по телу — навигация, питание и как нанороботы будут двигаться по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов, и у всякого есть положительные и отрицательные стороны. Большинство вариантов можно разделить на две категории:

Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — использование ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в нужное место назначения. Врачам пришлось бы отправлять ультразвуковые сигналы в тело пациента. Сигналы проходили бы через тело и отражались обратно к источнику сигналов. Нанороботы могут излучать импульсы ультразвуковых сигналов, которые врачи могли бы регистрировать, используя специальное оборудование с ультразвуковыми датчиками.

Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его, обнаруживая его магнитное поле. Врачи и инженеры из Политехнической школы Монреаля несколько лет назад показали, что могли бы обнаружить, отследить, управлять и даже передвигать наноробота с использованием МРТ. Они проверили свои выводы, маневрируя небольшим количеством малых магнитных частиц в артериях свиньи, используя специальное программное обеспечение на устройстве МРТ. Поскольку за рубежом во многих больницах есть МРТ, это может стать промышленным стандартом — больницам не придется инвестировать в дорогостоящие непроверенные технологии.

Врачи также могут отслеживать нанороботов путем введения радиоактивного красителя в кровоток пациента. Затем использовали бы флюороскоп или аналогичное устройство для обнаружения радиоактивного красителя по мере его движения в кровотоке. Сложные трехмерные изображения показали бы, где находятся нанороботы. В качестве альтернативы нанороботы сами могут распылять радиоактивную краску, оставляя след.

Другие методы обнаружения нанороботов включают использование рентгеновских лучей, радиоволн, микроволн или тепла. На данный момент наши технологии, использующие эти методы на наноразмерных объектах, ограничены, так что гораздо более вероятно, что будущие системы будут полагаться на другие методы.

Бортовые системы, или внутренние датчики, также могут сыграть большую роль в навигации. Нанороботы с химическими сенсорами могли бы обнаруживать и следовать по следам конкретных химических веществ для достижения правильного местоположения. Спектроскопический датчик позволил бы нанороботу забирать пробы и образцы окружающей ткани, анализировать их и идти дальше.

Как бы это странно не звучало, нанороботы могут быть оснащены миниатюрной телекамерой. Оператор мог бы управлять устройством во время просмотра живого видео, буквально вручную проводя корабль сквозь тело. Системы видеонаблюдения довольно сложны, поэтому понадобится по меньшей мере несколько лет, прежде чем нанотехнологи смогут создать надежную систему, которую можно будет поместить внутри крошечного робота.

Питание нанороботов

Так же, как о навигационных системах, нанотехнологи раздумывают о внешних и внутренних источниках питания. Некоторые проекты полагаются на нанороботов, использующих собственное тело пациента как способ выработки энергии. Другие проекты включают в себя небольшой источник энергии на борту самого робота. Наконец, некоторые проекты используют силы за пределами тела пациента для питания наноробота.

Нанороботы могут получать энергию непосредственно из кровотока. Наноробот с установленными электродами может сформировать батарею на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию. Наноробот мог бы нести небольшой запас химических веществ, которые станут источником топлива в сочетании с кровью.

Наноробот может использовать тепло тела для выработки энергии, но должен быть градиент температур для управления этим процессом. Выработка энергии может быть результатом эффектом Зеебека. Эффект Зеебека возникает, когда два проводника из разных металлов соединены в двух точках, которые обладают разной температурой. Металлические проводники становятся термопарой, то есть создают напряжение, когда стыки находятся в разных температурах. Поскольку трудно рассчитать температурный градиент в теле, едва ли мы увидим нанороботов, использующих тепло тела для генерации энергии.

Поскольку есть возможность создания батарей, достаточно малых для размещения в нанороботах, они обычно не рассматриваются в качестве жизнеспособного источника питания. Проблема заключается в том, что батареи могут хранить относительно небольшое количество энергии, напрямую связанное с их размером и весом, и, таким образом, очень маленькая батарея обеспечит лишь малую часть необходимой нанороботу энергии. Более вероятным кандидатом является конденсатор, который имеет немного лучшее соотношение мощности к весу.

Инженеры работают над созданием небольших конденсаторов, которые смогут стать источником питания для нанороботов.

Внешние источники питания включают системы, когда нанороботы либо привязаны к внешнему миру, либо контролируются без физического поводка. Привязанная система потребует провода между наноботом и источником питания. Провод должен быть достаточно прочным, но также без проблем проходить сквозь тело человека, не нанося повреждений. Физический трос мог бы поставлять электроэнергию с помощь электричества или оптики. Оптические системы передают свет через оптоволокно, а он затем преобразуется в электричество на борту робота.

Внешние системы, которые не используют провода, могли бы полагаться на микроволны, ультразвуковые сигналы или магнитные поля. Микроволны наименее вероятны к использованию, поскольку могут повредить ткань пациента путем нагревания. Наноробот с пьезоэлектрической мембраной сможет подхватывать ультразвуковые сигналы и преобразовывать их в электричество. Системы, использующие магнитные поля, вроде тех врачей из Монреаля, о которых мы упоминали выше, могут также напрямую управлять нанороботом или индуцировать электрический ток в закрытой проводящей петле внутри робота.

Передвижение нанороботов

Если предположить, что нанороботы не будут привязаны или предназначены для пассивного течения через кровоток, им понадобится средство передвижения через тело. Поскольку им, возможно, придется плыть против течения крови, двигательная установка должна быть относительно мощная для своих размеров. Еще одним важным фактором является безопасность пациента — система должна быть в состоянии продвигать наноробота без ущерба хозяину.

Некоторые ученые наблюдают за микроорганизмами в поисках вдохновения. Парамеция может двигаться через среду, используя крошечные хвостики — реснички. Вибрируя ресничками, парамеция может плавать в любом направлении. Подобно ресничкам работают жгутики, более длинные хвостовые структуры. Организмы бьют жгутиками вокруг, чтобы двигаться в разных направлениях.

Израильские ученые создали микроробота, который всего несколько миллиметров в длину и использует маленькие придатки для захвата и ползания по кровеносным сосудам. Ученые манипулируют его конечностями, создавая магнитное поле за пределами тела пациента. Магнитное поле заставляет конечности робота вибрировать и толкать его по кровеносным сосудам. Ученые отмечают, что, поскольку вся энергия для наноробота берется из внешних источников, нет никакой необходимости оснащать механизм внутренним источником питания. Они надеются, что относительно простой дизайн позволит им сделать в скором времени еще более мелких роботов.

Другие устройства звучат еще более экзотически. Одно использует конденсаторы для генерации магнитных полей, которые бы протягивали проводящие жидкости из одного конца электромагнитного насоса и выстреливали бы их обратно. Наноробот двигался бы как реактивный самолет. Миниатюрные струйные насосы могут даже использовать плазму крови, чтобы подталкивать робота вперед, но, в отличие от электромагнитного насоса, в этих должны быть движущиеся части.

Другой потенциальный способ, которым могли бы передвигаться роботы — использование вибрирующей мембраны. Поочередно затягивая и ослабляя напряженность мембраны, нанороботы могли бы генерировать небольшую тягу. На наноуровне этой тяги может быть достаточно, чтобы стать основным источником движения.

Крошечные инструменты

Современные проверенные микророботы имеют всего несколько миллиметров в длину и около миллиметра в диаметре, но эти цифры уменьшаются ежегодно. По сравнению с наноуровнем, эти цифры просто огромны — нанометр представляет собой одну миллиардную долю метра, в то время как миллиметр — всего одну тысячную. Будущие нанороботы будут настолько малы, что вы сможете увидеть их только в микроскоп. Инструменты нанороботов должны быть еще меньше. Вот несколько вещей, которые вы можете обнаружить в инструментарии нанороботов:

Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, — это как повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его безопасным для окружающей среды — еще сложнее. В то время как многие научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию реально применяемых нанороботов.

Нанороботы: сегодня и завтра

Команды по всему миру работают над созданием первого практичного медицинского наноробота. Роботы от миллиметра в диаметре до относительно громоздких, в два сантиметра длиной, уже существуют, хотя и не испытываются на людях. Возможно, мы всего в нескольких годах от выхода нанороботов на медицинский рынок. Сегодняшние микророботы остаются прототипами, которым не хватает способностей выполнять медицинские задачи.

В будущем нанороботы могут совершить революцию в медицине. Врачи смогут лечить все, от сердечно-сосудистых заболеваний до рака, при помощи крошечных роботов, по размерам сопоставимых с бактериями, намного меньших, чем нынешние нанороботы. Некоторые считают, что полуавтономные нанороботы уже вот-вот будут доступны — доктора смогут имплантировать роботов, способных патрулировать человеческое тело и реагировать на любые проблемы. В отличие от экстренного лечения, эти роботы будут оставаться в теле пациента навсегда.

Другое потенциальное применение нанороботов в будущем — укрепление нашего тела, повышение иммунитета, увеличение силы или даже улучшение интеллекта. Сможем ли мы в один прекрасный день обнаружить тысячи микроскопических роботов, плывущих по нашим венам и вносящим коррекции и изменения в наши разрушенные тела? С нанотехнологиями, похоже, все будет возможно.

Источник