Наномедицина. Как роботы размером с клетку, возможно, скоро будут спасать человеческие жизни

Какие инструменты использует наномедицина?

В основе наномедицины лежат наночастицы и нанокапсулы, которые помогают точечно доставлять лекарства внутрь человеческого тела. 

Например, ученые уже использовали наночастицы для лечения рака груди. Они связали три микроскопические магнитные сферы с молекулой доксорубицина (цитотоксический препарат). Такие комплексы они объединили в цепочку размером 100 нанометров. Когда частицы проникали в опухоль, специальное устройство генерировало радиочастотное поле. Связи магнитных сфер с доксорубицином разрывались и он точечно попадал внутрь опухоли. 

Исследование показало, что эффективность такого лечения была выше стандартной терапии доксорубицином. При этом, ученые использовали всего 5-10% от обычной дозы препарата.

Одна из самых инновационных областей наномедицины — это микророботы. Предполагается, что в будущем они смогут точечно доставлять антибиотики и противоопухолевые препараты непосредственно в патологический очаг.

Как работают микророботы?

В теории, микророботы должны проникать в любой орган или его конкретный участок, чтобы оказать внутри терапевтический эффект. Пока речь идет только о точечном высвобождении лекарств, но предполагается, что в будущем микророботы смогут выполнять работы даже на субклеточном уровне.

Размер микроробота сопоставим с клетками человека, поэтому они легко могут перемещаться в крупных сосудах. Ученые пока только продумывают, механизмы, с помощью которых эти устройства будут преодолевать другие среды: воздух, желчь, газы в кишечнике и семенную жидкость.

Пока микророботы перемещаются так

Для чего можно использовать микророботов?

Доставка лекарств. Стандартные методы доставки лекарств предполагают обычную диффузию препарата внутри организма человека. Редко когда лекарственное средство доставляют точечно. Микророботы решают эту проблему — они будут попадать в нужный участок и только там высвобождать препарат. В результате получится практически полностью избавиться от побочных эффектов, повысить концентрацию препарата в патологическом участке и снизить количество лекарства на 70-90%.

Измерение показателей в реальном времени. Предполагается, что в будущем микророботы смогут замерять различные показатели (например, уровень глюкозы в крови) и передавать их на внешние датчики.

Манипуляции с клетками и внутри них. Ученые не исключают, что размер микророботов может быть настолько маленьким, что они будут с легкостью проникать внутрь клеток. Это открывает широкие возможности для генной инженерии — мы сможем восстанавливать повреждения ДНК или замещать нехватку энзимов внутри клетки.

А как роботы двигаются?

Микророботы слишком малы, чтобы в них можно было внедрить источники питания, моторы или системы искусственного интеллекта. Поэтому ученые используют микротумблеры, чтобы роботы захватывали поверхность и двигались вперед. Если устройство упадет в большой высоты, с ним ничего не случится. Размер микроробота настолько мал, что сопротивление воздуха или жидкости будет уравновешивать силу тяжести при падении.

Сейчас существует несколько систем, которые заставляют роботов двигаться в конкретном направлении внутри организма.

Акустическая активация. Исследователи меняют давление вокруг роботов с помощью звуковых волн. Смена давления заставляет жидкость вокруг наночастиц колебаться, за счет чего они приходят в движение.

Химические методы. За счет химической реакции микророботы могут выделять пузырьки воздуха, которые заставляют их двигаться.

Магнетизм. Все предыдущие методы достаточно тяжело контролировать in vivo. Поэтому чаще всего в микророботов просто встраивают магнитный материал, а затем управляют ими с помощью внешних магнитных полей. А еще — этот метод безопасен для человеческого тела. По сути, чтобы заставить микророботов двигаться, используют систему, похожую на МРТ-аппарат.

Кажется, это довольно перспективный метод. Почему его еще не внедрили повсеместно?

Метод действительно впечатляющий, но многие вопросы ученым еще предстоит решить. Например, как микророботы будут выводиться из организма человека — должны ли они быть биоразлагаемыми или нет?

Тем не менее, исследования с участием микророботов уже проводятся на мышах и людях. Ученые из Массачусетского технологического университета разработали наночастицы с антибиотиками, которые не может обнаружить иммунная система человека. Когда в организм попадает бактериальная инфекция, такие микрочастицы распознают измененение pH в очаге поражения и прикрепляются к стенкам бактерий. Здесь они точечно высвобождают антибиотик.

А ученые из Гарвардского университета в экспериментах на мышах обнаружили, что наночастицы, покрытые тканевым активатором пзаминогена, могут растворять тромбы. Их эффект похож на действие тромбоцитов. Такие частицы высвобождаются в местах сильного сужения сосудов, что позволяет снизить дозу противотромботических препаратов в 50 раз и избавиться от их побочных эффектов.