Віртуальний помічник Cortana виявився розумнішим Siri
18 Червня , 2017
Виявлення підробленого віскі довірили штучному інтелекту
18 Червня , 2017

Мікрохірурги, які скоро будуть блукати по нашому тілі

Яскравим осіннім вечором 2006 року доктор Сільвен Мартель затамував подих, коли технік занурив свиню під наркозом в машину МРТ. Його очі пильно дивились на екран комп’ютера, який показував магнітну бусинку, що висить в тонкій кровоносній судині свині. Напругу в кімнаті можна було відчути фізично. Раптово кулька ожила і ковзнула по судині, немов мікроскопічний підводний човен, слідуючий до пункту призначення. Команда вибухнула оплесками.

Мартель і його команда випробовували новий спосіб дистанційного керування крихітними предметами всередині живої тварини, маніпулюючи магнітними силами машини. І вперше це спрацювало.

Вчені та письменники давно мріяли про крихітних роботів, які переміщуються по системі кровообігу організму, немов космічні дослідники, які вивчають галактики і їх мешканців. Потенціал величезний: крихітні медичні роботи могли б, наприклад, передавати радіоактивні препарати в ракові скупчення, виконувати операції всередині тіла або очищати згустки крові, які знаходяться глибоко всередині серця або мозку.

Мрія мрією, але за допомогою роботів, говорить доктор Марк Нельсон з Політехнічного університету Цюріха, люди могли б пірнати прямо в кровотік, здійснюючи операції на головному мозку.

На даний момент медичні мікророботи здебільшого вигадані, але в найближче десятиліття це може змінитись. Минулого тижня доктор Маріана Медіна-Санчес і Олівер Шмідт з Інституту досліджень твердих тіл і матеріалів Лейбніца в Дрездені, Німеччина, опублікували роботу в Nature, в якій звернулись до наноінженерних лабораторій, окресливши пріоритети і реалістичні випробування по пожвавленню цих крихітних хірургів.

Створення двигунів

Медичні мікророботи є частиною подорожі медицини в області мініатюризації. В 2001 році ізраїльська компанія представила PillCam — пластикову капсулу розміром з цукерку, обладнану камерою, батарейкою і модулем бездротової передачі даних. Подорожуючи по харчового каналу, PillCam періодично відсилала назад зображення бездротовим шляхом, пропонуючи більш чутливий і менш токсичний спосіб діагностики, ніж традиційна ендоскопія або рентгенографія.

За розміром PillCam просто гігантська для ідеального мікроробота, що робить її придатною тільки для відносно широкої трубки нашої травної системи. Ця таблетка також була пасивною і не могла затримуватись в цікавих місцях для більш детального обстеження.

«Справжній медичний робот має рухатись і просуватись по складній мережі заповнених рідиною трубочок в тканинах глибоко в організмі», пояснює Мартель.

Організм, на жаль, не дуже привітний до гостей ззовні. Мікророботи мають витримувати корозійні шлункові соки і плисти вгору за течією в крові без мотора.

Лабораторії по всьому світі намагаються придумати розумні альтернативи для вирішення проблеми з живленням. Одна з ідей полягає у створенні хімічних ракет: циліндричних мікророботів з «паливом» — металевим або іншим каталізатором — яке реагує зі шлунковими соками або іншими рідинами, випускаючи бульбашки з задньої частини циліндра.

«Такі мотори складно контролювати», кажуть Медіна-Санчес і Шмідт. Ми можемо грубо керувати напрямком, використовуючи хімічні градієнти, але вони недостатньо витривалі й ефективні. Проектування нетоксичного палива на основі цукру, сечовини або інших фізіологічних рідин організму теж стикається з труднощами.

Альтернативою  були б металеві фізичні моторчики, які можна було б активувати змінами магнітного поля. Мартель, як показала його демонстрація з бусиною в свині, був одним з перших, хто дослідив подібні двигуни.

МРТ-машина ідеально підходить для управління і візуалізації металевих прототипів мікророботів, пояснює Мартель. Машина має кілька наборів магнітних котушок: основний комплект намагнічує мікроробота після того, як він вводиться в кровотік через катетер. Потім, маніпулюючи градієнтними котушками МРТ, ми можемо генерувати слабкі магнітні поля, щоб підштовхувати мікроробота через кровоносні судини або інші біологічні трубки.

В подальших експериментах Мартель робив наночастинки з заліза і кобальту, вкриті протираковим препаратом, і вводив цих крихітних солдатів у кроликів. Використовуючи комп’ютерну програму для автоматичної зміни магнітного поля, його команда направляла ботів точно в ціль. Хоча конкретно в цьому дослідженні не було реальних пухлин, Мартель говорить, що подібні проекти можуть виявитись корисними в боротьбі з раком печінки та іншими пухлинами з відносно великими судинами.

Чому не дрібні судини? Проблема знову ж таки в енергії. Мартель зміг зменшити робота до декількох сотень мікрометрів — щось менше потребує настільки великі магнітні градієнти, що ті порушують роботу нейронів в мозку.

Мікрокіборги

Більш елегантне рішення — використовувати біологічні мотори, які вже існують в природі. Бактерії і сперматозоїди озброєні батігоподібними хвостами, які природним чином просувають їх через звивисті тунелі і порожнини тіла для виконання біологічних реакцій.

Комбінуючи механічні частини з біологічними, можна було б змусити два цих компоненти доповнювати один одного, коли один дає збій.

Прикладом може служити спермбот. Шмідт розробив крихітні металеві спіралі, які обертаються навколо «ледачого» сперматозоїда, даючи йому мобільність, що дозволяє досягти яйцеклітини. Сперматозоїда також можна навантажити лікарськими препаратами, пов’язаними з магнітною мікроструктурою, для лікування раку в репродуктивному тракті.

Ще є спеціалізовані групи бактерій MC-1, які розташовані у відповідності з магнітним полем Землі. Генеруючи відносно слабке поле — якого буде достатньо, щоб подолати земне — вчені можуть орієнтувати внутрішній компас бактерій в напрямку нової мети, наприклад, раку.

На жаль, бактерії MC-1 можуть вижити в теплій крові тільки протягом 40 хвилин, і більшість з них недостатньо сильні, щоб плисти проти течії крові. Мартель хоче створити гібридну систему з бактерій і жирових кульок. Бульбашки, завантажені магнітними частинками і бактеріями, які будуть направлятись в більші судини, за допомогою сильних магнітних полів, поки не потраплять в вужчі. Потім вони лопаються і випускають рій бактерій, які так само, за допомогою слабких магнітних полів, будуть завершувати свою подорож.

Просування вперед

Хоча вчені накидали купу ідей щодо двигунів, величезною проблемою залишається відстеження мікророботів після введення в тіло.

Поєднання різних методів візуалізації можуть допомогти. Ультразвукова, МРТ та інфрачервона візуалізація занадто повільні, щоб спостерігати за операціями мікророботів глибоко в організмі. Але поєднуючи світло, звук і електромагнітні хвилі, ми могли б збільшити роздільну здатність і чутливість.

В ідеалі метод візуалізації повинен мати можливість відстежувати мікромотори на глибині 10 сантиметрів під шкірою, в 3D і реальному часі, рухаючись з мінімальною швидкістю в десятки мікрометрів на секунду, кажуть Медіна-Санчес і Шмідт.

На даний момент цього складно досягти, але вчені висловлюють надію, що ультрасучасні оптико-акустичні методи, що поєднують інфрачервоне і ультразвукове зображення, можуть стати достатньо хорошими для відстеження мікророботів через кілька років.

І тоді залишиться питання, що робити з роботами по завершенні їх місії. Залишити їх дрейфувати всередині тіла — значить, допустити виникнення згустків або інших катастрофічних побічних ефектів на кшталт отруєння металом. Повернення роботів назад у вихідну точку (рот, очі та інші природні отвори) може бути надто складним. Тому вчені розглядають дещо кращі варіанти: виведення роботів природним шляхом або створення їх з біорозкладаних матеріалів.

В останнього є окремий плюс: якщо матеріали будуть чутливі до тепла, кислотності або інших тілесним факторів, їх можна було б використовувати для створення автономних біороботів, які працюють без батарей. Наприклад, вчені вже зробили невеликі зірчасті «захвати», які закриваються навколо тканин під дією тепла. При розміщенні навколо уражених органів або тканин, хваталки могли б проводити біопсію на місці, пропонуючи менш інвазивний спосіб скринінгу на рак товстої кишки або відстежуючи хронічне запальне захворювання кишечника.

«Мета полягає у створенні мікророботів, які зможуть відчувати, діагностувати і діяти автономно, поки люди будуть спостерігати за ними і зберігати контроль на випадок несправності», кажуть Медіна-Санчес і Шмідт.

Фантастична подорож медичних мікророботів тільки починається.

Всі поєднання матеріалів, мікроорганізмів і мікроструктур ще доведеться тестувати нескінченно довго, щоб переконатись в їх безпеці, спочатку на тваринах, потім і на людях. Вчені також очікують сприяння від регулюючих органів.

Але оптимізм вчених не вичерпується.

«За допомогою координованих ініціатив мікророботи можуть привести нас в епоху неінвазивних методів лікування вже протягом десяти років», кажуть дослідники.

LEU
LEU

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: 
Inline
Inline