Наномедицина расширяет границы

Швейцарские микроскопические медицинские роботы (1) настолько малы, что их можно вводить в организм человека через шприц. Они используются для проведения медицинского анализа пациента, доставки лекарств или участия в малоинвазивной хирургии.

1. Микророботы из Швейцарии

Биомедицинская система, разработанная группой ученых из Швейцарского государственного технологического института в Цюрихе, питается от внешнего магнитного поля. Небольшие устройства примерно в четыре раза больше человеческого волоса в диаметре и состоят из нескольких частей.

Процесс сборки этих механических и электронных компонентов очень похож на процесс сборки микропроцессоров.

Устройство в магнитном поле ведет себя как стрелка компаса — благодаря этому свойству им можно управлять: «наконечник» робота имеет знак «плюс», а его конец имеет отрицательный заряд.

Испытанный в лабораторных условиях, он оказался очень управляемым механизмом, несмотря на то, что двигался он в чрезвычайно маленьких каналах — толщиной всего в 10 волосков.

Бактериобот вместо химиотерапии

Знаменитый физик Ричард Фейнман считается предшественником нанотехнологий. Его лекция 1959 года под названием «Там, внизу, много места» изложила видение будущего, мира манипулирования микрообъектами. Сегодня это видение начинает обретать форму. Прогресс в медицинская микро- и наноинженерия это приводит к созданию различных роботизированных конструкций, которые когда-нибудь выведут минимально инвазивную медицину на новый уровень.

Эти микро- и нанороботы смогут достигать определенной области тела, обеспечивать там необходимое лечение, контролировать его воздействие и в конечном итоге деградировать безвредным образом. В идеале все эти действия должны быть автоматизированы, но также могут выполняться под непосредственным наблюдением и контролем внешнего пользователя.

2. Визуализация нанобота от Института Макса Планка

Коллектив под руководством проф. Пер Фишер из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте находится на пути к развитию микроскопические роботыкоторые смогут путешествовать в жидкостях нашего организма. Имеют форму зазубренных сосудов в виде раковины (2).

Они будут использовать внешнее магнитное поле для навигации. Идея исследователей смоделирована по известному из природы решению — маленькие моллюски, морские гребешки и морские гребешки двигаются, правильно закрывая и открывая раковины. Как сообщает Reuters, специалисты из Южной Кореи разработали первого нанобота, способного обнаруживать раковые клетки и уничтожать их с помощью химиотерапевтических средств.

На данный момент его тестируют на мышах. Наноробот бактериоботпотому что он использует генетически модифицированные бактерии сальмонеллы. Пак Джон О из Национального университета Чоннам, который руководил исследованием, превратил исследования из вредных для организма генетических манипуляций в полезные датчики для обнаружения химических веществ, выделяемых раковыми клетками.

корейский бактериобот попав в организм, он проникает в раковые клетки, руководствуясь посылаемыми ими химическими сигналами. Внутри находятся микрокапсулы с химиотерапевтическими средствами, которые высвобождаются, как только бактерии достигают раковых клеток. Химиотерапевтические агенты атакуют и разрушают их, не затрагивая здоровые ткани, окружающие опухоль. Если

можно было бы перенести этот механизм в организм человека, это была бы прекрасная альтернатива обременительной химиотерапии, при которой в огромных дозах вводятся лекарства, токсичные не только для раковых клеток, но и для здоровых. Бактериоботы выделяют гораздо меньшие дозы лекарств и атакуют ими непосредственно опухоль, поэтому их действие может быть намного эффективнее.

Наномоторы сходят с ума в клетках

Техника движения является ключевой проблемой для нанороботов. Сжигание каких-либо видов топлива в организме человека вряд ли возможно, чтобы не произошло отравления и загрязнения жидкостей и клеток организма. До сих пор было рассмотрено несколько способов заставить роботов двигаться на расстоянии.

Чаще всего рассматривалось использование магнитного поля, так как оно не требует особых свойств среды, в которой будет двигаться робот (таких как прозрачность или проводимость).

Такой метод позволяет точно перемещать магнитные объекты в определенные места, а само магнитное поле удовлетворяет условиям биосовместимости даже в случае его относительно высокой напряженности.

Исследователям из Техасского университета в Остине удалось создать самые маленькие, самые быстрые и долговечные наномоторы (3), которые мы знаем. Его размер не превышает одного микрометра. Достигает 18 15 оборотов в минуту и ​​работает непрерывно до XNUMX часов.

Построенная командой под руководством профессора Донглея Фана, это «небиологическая» конструкция. Он может быстро смешивать и перекачивать необходимые организму биологические вещества на клеточном уровне. Он также способен двигаться в жидкой среде, что важно в медицинских приложениях, потому что именно это говорится в отношении этого наномотора.

Устройство построено на основе запатентованной профессором Фаном технологии, использующей изменения электрического поля при протекании постоянного и переменного тока. Изменения поля также используются для приведения в движение мотора, его движения и управления процессами, запускающими активные вещества в организме.

Ученые из Университета штата Пенсильвания смогли внедрить наномоторы в живые клетки человека и управлять их движениями с помощью высокочастотных звуковых волн и магнитов. Такое искусство еще никому не удавалось. До сих пор молекулярные «роботы» демонстрировались только в пробирках (in vitro).

Mikroroboty они имеют длину несколько микрометров и немного напоминают спички. Они изготовлены из металлов: рутения и золота. Они были поглощены раковыми клетками, в которых они начали быстро двигаться после фокусировки на нанодвигателях акустических волн. В то время как звуковые волны используются в качестве «движителя», магнитные силы используются в качестве «рулей», чтобы направлять микророботов в определенных направлениях.

Ученые предполагают использование мини-моторов в качестве инструментов для транспортировки химических веществ в определенные места в клетке. Также их можно использовать в диагностике, при которой правильно настроенные роботы будут собирать информацию о ситуации в клетке, заранее обнаруживая начальные патологические изменения.

Немного интеллекта

В исследовании, опубликованном в ноябре 2013 года в журнале Advanced Materials, группа исследователей из Федерального технологического университета в Цюрихе и из Гарвардского университета (лаборатория Дэвида Муни) показала, что У малых роботов может появиться дополнительный интеллект — получение раздражителей и выделение веществ в окружающую среду — за счет выбора соответствующих материалов и методов производственного процесса.

Исследователи оснастили гидрогелевые капсулы, которые реагируют на свет ближнего инфракрасного диапазона. магнитные микрогели. Для перемещения роботов используется система магнитных манипуляций, которая позволяет доставлять лекарства или клетки в определенные места.

В этой статье исследователи описывают, как им удалось создать самоорганизующиеся, мягкие «платформы», которые объединяют различные функции, чтобы выполнять целевую роль — доставку биологических агентов по требованию. Гидрогели, реагирующие на стимулы, представляют собой класс материалов, физико-химические свойства которых аналогичны биологическим тканям.

Они испытывают обратимое изменение объема в ответ на различные раздражители (температура, рН, ионная сила и др.). Они используются в тканевой инженерии для доставки лекарств и клеток и помогают в заживлении ран. Двухслойная структура гидрогеля разрушается, когда каждый из двух слоев изменяется в объеме в ответ на различные физико-химические воздействия.

Микроструктуры, созданные командой ученых, могут меняться с закрытых на открытые, когда их температура превышает 40°C. Ученые разработали эти микроструктуры таким образом, чтобы кратковременного воздействия инфракрасного света было достаточно для достижения необходимой температуры и реконфигурации. Таким образом, посторонний может влиять на них на расстоянии.

Ближний инфракрасный свет способен проникать в ткани тела, не вызывая повреждений. Так что это управляемо mikrorobotami в организме. Все выглядит очень многообещающе, хотя на самом деле это пока только лабораторные эксперименты. Руководящие ими ученые видят четыре основные области применения мини-роботов.

В науке замечено, что в ситуации столкновения и давления мелких транспортных средств на предметы внутри клетки возникают невиданные ранее клеточные рефлексы, что может открыть совершенно новые области исследований. В терапии, потому что вещества могут быть доставлены в отдельные части клетки с беспрецедентной точностью.

В хирургии, потому что транспортные средства могут пробивать клеточные мембраны и разрушать отдельные элементы в клетке, что облегчит наномасштабные хирургические операции. И, наконец, в диагностике, ведь наши маленькие исследователи будут собирать информацию о состоянии выбранных частей клетки, а затем предоставлять ее врачам.

В долгосрочной перспективе миниатюрные роботы могли бы дополнить иммунную систему человека, «патрулируя» кровоток (4). Видения о восстановлении поврежденных клеток изнутри и приближении к бессмертию — все еще научная фантастика, но все же нанороботы возможно, через несколько лет они начнут работать в больших масштабах?

5. PillCam — капсулы с камерой

6. Искусственный пластиковый желудок для тестирования микроботов.

Тренировочная площадка в форме живота

Еще одним направлением исследований и экспериментов в микро-, а не в нано-масштабе, являются диагностические капсулы, которые проглатываются, а затем исследуются, например, с помощью киносъемки. Продукты с этой функцией созданы израильской компанией Given Imaging под названием PillCam (5). Компания Philips, в свою очередь, выпустила интеллектуальную роботизированную таблетку iPill.

Это позволяет доставить лекарство точно в нужное место в организме. Внутри таблетки размером 11×26 мм содержится, среди прочего система радиосвязи, микропроцессор, аккумулятор и миниатюрный насос. Благодаря датчикам в капсуле iPill может измерять значение pH, чтобы определить, где он находится в пищеварительной системе, позволяя лекарству высвобождаться в точно определенном месте.

Возможна также доставка препарата порциями в несколько мест пищеварительной системы. Кроме того, также есть возможность удаленно подать команду на приостановку дозирования препарата в случае, например, возникновения побочных эффектов. Встроенный аккумулятор обеспечивает 48 часов работы.

Более совершенным проектом этого типа является «змейка», созданная совместными усилиями специалистов Франции, Швейцарии и Испании. Больной проглатывает несколько капсул, которые соединяются в организме. Проглотить такую ​​последнюю змею целиком, вероятно, будет довольно сложно, поэтому возникла идея ввести ее в пищевод по частям.

7. Наноклетки для лекарств и других веществ

Созданный таким образом многомодульный робот внутри тела выполняет в нем различные задачи. Один из компонентов — камера, другой содержит аккумулятор для питания всего устройства, третий берет образцы. Робот-змея скользит по кишечнику, выполняя диагностическую программу.

Инженеры из швейцарской ETH, работающие над проектом, признают, что самой большой проблемой является плавная и быстрая самостоятельная сборка робота. Они решили, что на данный момент лучшим решением является система магнитных переключателей. Он не требует дополнительного питания и может контролироваться снаружи тела. Ученые даже построили модель желудка из пластика, наполненную жидким веществом, имитирующую условия в реальном желудке (6).

8. Крыса с управляемыми магнитом стволовыми клетками (слева) и крыса без контроля

Химики Массачусетского технологического института (MIT) разработали наночастицыкоторые могут выполнять такие задачи, как медицинская магнитно-резонансная и флуоресцентная визуализация, так же эффективно, как и известные технологии.

Новую концепцию можно использовать для постоянного наблюдения за производством молекул в организме, изменениями рака и проверки того, достигли ли лекарства того места, где они должны были работать.

Согласно описанию, опубликованному в научном журнале Nature Communications, наночастицы могут нести как датчики МРТ, так и флуоресцентные датчики, которые отслеживают содержание витамина С в мышах. Еще одним интересным проектом стало создание наноклетки из восьми молекул ДНК (7), которую ученые Орхусского университета назвали нанороботом, инкапсулирующим лекарство.

Наноклетка самопроизвольно разрушается, захватывая выбранное соединение, например фермент, внутри нее. Он также может открываться автоматически под воздействием более высокой температуры, вызывая изменение конформации цепи ДНК. нанороботы и подобные структуры ДНК будут использоваться в будущем в качестве чрезвычайно точных систем доставки лекарств в соответствующие ткани и органы.

Управление стволовыми клетками с помощью магнита кажется экзотической идеей, но только не команде из Технологического института Эмори и Джорджии. Они нагрузили стволовые клетки наночастицами оксида железа и изучили их поведение в лабораторных условиях.

Прикладывая магнитное поле к хвосту крысы, они вызывали скопление этих клеток в этой области (8). Ученые доказали, что стволовые клетки можно быстро транспортировать в места, требующие немедленной регенерации, например, при сердечном приступе.

Бриллианты внутри? Почему бы и нет, но только в наномасштабе. Проект группы из Калифорнийского университета заключался в комбинировании традиционного препарата доксорубицина с пока нетрадиционным носителем, т.е. нанодиаментем. Этот носитель биосовместим, т. е. не токсичен, не атакует иммунную систему и позволяет дольше сохранять эффективную концентрацию препарата в опухоли.

В связи с хорошими результатами экспериментальной терапии глиобластомы рассматриваются комбинации наноалмазов с другими препаратами. Не так давно ученые из вышеупомянутых университетов Georgia Tech и Emory обнаружили, что клетки млекопитающих всех форм наночастицы отдайте предпочтение дискообразным. Это связано с тем, что для того, чтобы обернуть их клеточной мембраной, требуется относительно наименьшее количество энергии.

Открывает ли это новую эру в «дизайне» нанороботов? Мы все время имеем дело только с зарождающимися медицинскими нанотехнологиями. Эпоха лекарств и методов диагностики на основе наночастиц и наноматериалов началась совсем недавно, поэтому большинство проектов пока находятся в стадии испытаний.