Микрохирурги, которые скоро будут блуждать по нашему телу
Ярким осенним вечером 2006 года доктор Сильвен Мартель затаил дыхание, когда техник погрузил свинью под наркозом во вращающуюся машину фМРТ. Его глаза пристально смотрели на экран компьютера, который показывал магнитную бусинку, висящую в тонком кровеносном сосуде свиньи. Напряжение в комнате можно было почувствовать физически. Внезапно шарик ожил и скользнул по сосуду, словно микроскопическая подводная лодка, следующая к пункту назначения. Команда разразилась аплодисментами.
Мартель и его команда испытывали новый способ дистанционного управления крошечными предметами внутри живого животного, манипулируя магнитными силами машины. И впервые это сработало.
Ученые и писатели давно мечтали о крошечных роботах, которые перемещаются по обширной системе кровообращения организма, словно космические исследователи, изучающие галактики и их обитателей. Потенциал огромен: крошечные медицинские роботы могли бы, например, передавать радиоактивные препараты в раковые скопления, выполнять операции внутри тела или очищать сгустки крови, находящиеся глубоко внутри сердца или мозга.
Мечта мечтой, но при помощи роботов, говорит доктор Брэдли Нельсон из Политехнического университета Цюриха, люди могли бы погружаться прямо в кровоток, осуществляя операции на головном мозге.
На данный момент медицинские микророботы по большей части вымышлены, но в ближайшее десятилетие это может измениться. На этой неделе доктор Мариана Медина-Санчес и Оливер Шмидт из Института исследований твердых тел и материалов Лейбница в Дрездене, Германия, опубликовали работу в Nature, в которой отвернулись от больших экранов к наноинженерным лабораториям, наметив приоритеты и реалистичные испытания по оживлению этих крошечных хирургов.
Создание движителей
Медицинские микророботы являются частью путешествия медицины в область миниатюризации. В 2001 году израильская компания представила PillCam — пластиковую капсулу размером с конфету, оснащенную камерой, батарейкой и модулем беспроводной передачи данных. Путешествуя по пищевому каналу, PillCam периодически отсылала обратно изображения беспроводным путем, предлагая более чувствительный и менее токсичный способ диагностики, чем традиционная эндоскопия или рентгенография.
По размеру PillCam просто гигантская для идеального микроробота, что делает ее пригодной только для относительно широкой трубки нашей пищеварительной системы. Эта таблетка также была пассивной и не могла задерживаться в интересных местах для более детального обследования.
"Настоящий медицинский робот должен двигаться и продвигаться по сложной сети заполненных жидкостью трубочек в тканях глубоко в организме", объясняет Мартель.
Организм, к сожалению, не очень приветлив к гостям извне. Микророботы должны выдерживать коррозионные желудочные соки и плыть вверх по течению в кровотоке без мотора.
Лаборатории по всему миру пытаются придумать разумные альтернативы для решения проблемы с питанием. Одна из идей состоит в создании химических ракет: цилиндрических микророботов с "топливом" — металлическим или другим катализатором — которое реагирует с желудочными соками или другими жидкостями, испуская пузырьки из задней части цилиндра.
"Такие моторы сложно контролировать", говорят Медина-Санчес и Шмидт. Мы можем грубо управлять их направлением, используя химические градиенты, но они недостаточно выносливы и эффективны. Проектирование нетоксичного топлива на основе сахара, мочевины или других физиологических жидкостей организма тоже сталкивается с трудностями.
Альтернативой получше были бы металлические физические моторчики, которые можно было бы активировать изменениями магнитного поля. Мартель, как показала его демонстрация с бусиной в свинье, был одним из первых, кто исследовал подобные двигатели.
МРТ-машина идеально подходит для управления и визуализации металлических прототипов микророботов, объясняет Мартель. Машина имеет несколько наборов магнитных катушек: основной комплект намагничивает микроробота после того, как он вводится в кровоток через катетер. Затем, манипулируя градиентными катушками МРТ, мы можем генерировать слабые магнитные поля, чтобы подталкивать микроробота через кровеносные сосуды или другие биологические трубки.
В последующих экспериментах Мартель делал наночастицы из железа и кобальта, покрытые противораковым препаратом, и вводил этих крошечных солдат в кроликов. Используя компьютерную программу для автоматического изменения магнитного поля, его команда направляла ботов точно в цель. Хотя конкретно в этом исследовании не было реальных опухолей, Мартель говорит, что подобные проекты могут оказаться полезными в борьбе с раком печени и другими опухолями с относительно большими сосудами.
Почему не мелкие сосуды? Проблема опять же в энергии. Мартель смог сократить робота до нескольких сотен микрометров — что-либо меньше требует настолько больших магнитных градиентов, что те нарушают работу нейронов в мозге.
Микрокиборги
Более элегантное решение — использовать биологические моторы, которые уже существуют в природе. Бактерии и сперматозоиды вооружены хлыстоподобными хвостами, которые естественным образом продвигают их через извилистые туннели и полости тела для выполнения биологических реакций.
Комбинируя механические части с биологическими, можно было бы заставить два этих компонента дополнять друг друга, когда один дает сбой.
Примером может служить спермбот. Шмидт разработал крошечные металлические спирали, которые обертываются вокруг "ленивого" сперматозоида, давая ему мобильность, позволяющую достичь яйцеклетки. Сперматозоида также можно нагрузить лекарственными препаратами, связанными с магнитной микроструктурой, для лечения рака в репродуктивном тракте.
Еще есть специализированные группы бактерий MC-1, которые выравниваются в соответствии с магнитным полем Земли. Генерируя относительно слабое поле — которого будет достаточно, чтобы преодолеть земное — ученые могут ориентировать внутренний компас бактерий в направлении новой цели вроде рака.
К сожалению, бактерии MC-1 могут выжить в теплой крови только в течение 40 минут, и большинство из них недостаточно сильны, чтобы плыть против течения крови. Мартель хочет создать гибридную систему из бактерий и жировых пузырей. Пузырьки, загруженные магнитными частицами и бактериями, будут направляться в более крупные сосуды, при помощи сильных магнитных полей, пока не попадут в более узкие. Затем они лопаются и выпускают рой бактерий, которые точно так же, при помощи слабых магнитных полей, будут завершать свое путешествие.
Продвижение вперед
Хотя ученые набросали кучу идей относительно движителей, огромной проблемой остается отслеживание микророботов после внедрения в тело.
Сочетания различных методов визуализации могут помочь. Ультразвуковая, МРТ и инфракрасная визуализация слишком медленные, чтобы наблюдать за операциями микророботов глубоко в организме. Но сочетая свет, звук и электромагнитные волны, мы могли бы увеличить разрешение и чувствительность.
В идеале метод визуализации должен иметь возможность отслеживать микромоторы на глубине 10 сантиметров под кожей, в 3D и реальном времени, двигаясь с минимальной скоростью в десятки микрометров в секунду, говорят Медина-Санчес и Шмидт.
На данный момент этого сложно достичь, но ученые выражают надежду, что ультрасовременные оптико-акустические методы, сочетающие инфракрасное и ультразвуковое изображение, могут стать достаточно хорошими для отслеживания микророботов через несколько лет.
И тогда останется вопрос, что делать с роботами по завершении их миссии. Оставить их дрейфовать внутри тела — значит, допустить возникновение сгустков или других катастрофических побочных эффектов вроде отравления металлом. Возвращение роботов обратно в исходную точку (рот, глаза и другие естественные отверстия) может быть слишком сложным. Поэтому ученые рассматривают варианты получше: выведение роботов естественным путем или создание их из биоразлагаемых материалов.
У последнего есть отдельный плюс: если материалы будут чувствительны к теплу, кислотности или другим телесным факторам, их можно было бы использовать для создания автономных биороботов, работающих без батарей. Например, ученые уже сделали небольшие звездчатые "хваталки", которые закрываются вокруг тканей при воздействии тепла. При размещении вокруг пораженных органов или тканей, хваталки могли бы производить биопсию на месте, предлагая менее инвазивный способ скрининга на рак толстой кишки или отслеживая хроническое воспалительное заболевание кишечника.
"Цель состоит в создании микророботов, которые смогут чувствовать, диагностировать и действовать автономно, пока люди будут за ними наблюдать и сохранять контроль на случай неисправности", говорят Медина-Санчес и Шмидт.
Фантастическое путешествие медицинских микророботов только начинается.
Все сочетания материалов, микроорганизмов и микроструктур еще придется тестировать бесконечно долго, чтобы убедиться в их безопасности, сначала на животных, потом и на людях. Ученые также ожидают содействия от регулирующих органов.
Но оптимизм ученых не иссякает.
"При помощи координированных инициатив микророботы могут привести нас в эпоху неинвазивных методов лечения уже в течение десяти лет", говорят исследователи.
