Kirkkaana syksyn iltana vuonna 2006 tohtori Sylvain Martel pidätti hengitystään, kun teknikko ladasi nukutetun sian pyörivään fMRI-koneeseen. Hänen silmänsä katselivat tietokoneen näyttöä, joka osoitti magneettisen helmen, joka roikkui ohuessa sian verisuonessa. Huoneen jännitys tuntui fyysisesti. Yhtäkkiä ilmapallo heräsi eloon ja liukui aluksen yli kuin mikroskooppinen sukellusvene määränpäähänsä. Tiimi puhkesi suosionosoituksiin.
Martel ja hänen tiiminsä testasivat uutta tapaa hallita pieniä esineitä elävän eläimen sisällä manipuloimalla koneen magneettisia voimia. Ja ensimmäistä kertaa se toimi.
Tutkijat ja kirjailijat ovat pitkään haaveilleet pienistä roboteista, jotka liikkuvat kehon valtavan verenkiertoelimen läpi, kuten avaruuden tutkijat, jotka tutkivat galakseja ja niiden asukkaita. Potentiaali on valtava: pienet lääketieteelliset robotit voivat esimerkiksi siirtää radioaktiivisia lääkkeitä syöpäklustereihin, suorittaa leikkauksia kehon sisällä tai puhdistaa verihyytymiä syvällä sydämessä tai aivoissa.
Unelma, unelma, mutta robottien avulla, sanoo tohtori Bradley Nelson Zürichin ammattikorkeakoulusta, ihmiset voisivat syöksyä suoraan verenkiertoon suorittamaan aivoleikkauksia.
Tällä hetkellä lääketieteelliset mikrorobotit ovat enimmäkseen fiktiivisiä, mutta tämä voi muuttua seuraavan vuosikymmenen aikana. Tällä viikolla tohtori Mariana Medina-Sánchez ja Oliver Schmidt Leibnizin kiintoaineiden ja materiaalien tutkimuslaitoksesta Dresdenissä, Saksassa, julkaisivat Nature-lehden, joka muuttui suurista näytöistä nanoinsinöörilaboratorioiksi, hahmotellen prioriteetteja ja realistisia testejä näiden pienten kirurgien elvyttämiseksi.
Muuttajien luominen
Lääketieteelliset mikrorobotit ovat osa lääketieteen matkaa pienoiskoossa. Vuonna 2001 israelilainen yritys esitteli PillCam-karkkia sisältävän muovikapselin, joka on varustettu kameralla, akulla ja langattomalla moduulilla. Rinnakanavan läpi kulkiessaan PillCam lähetti kuvia säännöllisesti takaisin langattomasti tarjoten herkemmän ja vähemmän myrkyllisen diagnoosimenetelmän kuin perinteinen endoskopia tai radiografia.
Mainosvideo:
PillCam on kooltaan jättimäinen täydellistä mikrorobottia varten, joten se sopii vain ruoansulatuskanavan suhteellisen laajaan putkeen. Tämä pilleri oli myös passiivinen eikä voinut viipyä mielenkiintoisissa paikoissa tarkempaa tutkimusta varten.
"Todellisen lääketieteellisen robotin on liikkuttava ja edettävä monimutkaisen nestetäytteisten tubulusverkoston läpi kehon syvissä kudoksissa", Martel selittää.
Ruumis ei valitettavasti ole kovin vieraanvarainen. Mikro-robottien on kestettävä syövyttäviä mahamehuja ja kelluttava ylävirtaan verenkierrossa ilman moottoria.
Laboratoriot ympäri maailmaa yrittävät löytää järkeviä vaihtoehtoja ravitsemusongelman ratkaisemiseksi. Yksi idea on luoda kemiallisia raketteja: sylinterimäiset mikrorobotit "polttoaineella" - metallilla tai muulla katalysaattorilla -, joka reagoi mahamehujen tai muiden nesteiden kanssa ja päästää kuplia sylinterin takaosasta.
"Näitä moottoreita on vaikea hallita", sanovat Medina-Sanchez ja Schmidt. Voimme karkeasti hallita niiden suuntaa kemiallisilla gradienteilla, mutta ne eivät ole riittävän vankkoja tai tehokkaita. Myrkyttömien polttoaineiden suunnittelu sokeriin, ureaan tai muihin kehon nesteisiin perustuu myös haasteisiin.
Parempi vaihtoehto olisi metalliset fysikaaliset moottorit, jotka voidaan aktivoida muutoksilla magneettikentässä. Martel, kuten hänen sika-sika-esityksessään näkyy, oli yksi ensimmäisistä, joka tutki tällaisia moottoreita.
MRI-kone on ihanteellinen metalliprototyyppisten mikrorobottien ohjaamiseen ja kuvantamiseen, Martel selittää. Koneessa on useita magneettikelojen sarjoja: pääyksikkö magnetisoi mikrorobotin sen jälkeen, kun se on viety verenkiertoon katetrin kautta. Sitten manipuloimalla MRI-gradienttikäämiä voimme tuottaa heikkoja magneettikenttiä työntämään mikrorobotti verisuonten tai muiden biologisten putkien läpi.
Seuraavissa kokeissa Martel valmisti rauta- ja koboltti-nanohiukkasia, jotka oli päällystetty syöpälääkkeellä, ja ruiskutti nämä pienet sotilaat kaneihin. Tietokoneohjelman avulla magneettikenttä muutettiin automaattisesti, ja hänen tiiminsä kohdisti botit suoraan kohteeseen. Vaikka tässä tutkimuksessa ei ollut todellisia kasvaimia, Martel sanoo, että tällaiset projektit voivat olla hyödyllisiä taistelussa maksasyöpää ja muita kasvaimia vastaan, joilla on suhteellisen suuret astiat.
Miksi ei pieniä aluksia? Ongelma on jälleen energia. Martel pystyi kutistamaan robotin muutamaan sataan mikrometriin - mikä tahansa vähemmän vaatii magneettikaltevuudet niin suuria, että ne häiritsevät aivojen neuroneja.
Mikroborgit
Tyylikkäämpi ratkaisu on käyttää luonnossa jo olemassa olevia biologisia moottoreita. Bakteerit ja siittiöt on aseistettu piiskanpyrstöillä, jotka kuljettavat niitä luonnollisesti käämittävien tunnelien ja kehon onteloiden läpi biologisten reaktioiden suorittamiseksi.
Yhdistämällä mekaaniset osat biologisiin osiin, voitaisiin saada nämä kaksi komponenttia täydentämään toisiaan epäonnistumisen yhteydessä.
Esimerkki on siittiöpotku. Schmidt kehitti pienet metallikäämit, jotka kietoutuvat laiskan siittiöiden ympärille antaen sille liikkuvuuden päästä muna. Siittiöitä voidaan ladata myös magneettiseen mikrorakenteeseen liittyvillä lääkkeillä lisääntymiskanavan syöpien hoitamiseksi.
On myös erikoistuneita MC-1-bakteeriryhmiä, jotka ovat linjassa maan magneettikentän kanssa. Luomalla suhteellisen heikko kenttä - tarpeeksi maapallon voittamiseksi - tutkijat voivat suunnata bakteerien sisäisen kompassin kohti uutta kohdetta kuten syöpä.
Valitettavasti MC-1-bakteerit voivat selviytyä vain lämpimässä veressä 40 minuuttia, ja useimmat eivät ole riittävän vahvoja uimaan verenkiertoa vastaan. Martel haluaa luoda hybridijärjestelmän bakteereista ja rasvarakoista. Magneettihiukkasilla ja bakteereilla ladatut kuplat ohjataan suurempiin astioihin voimakkaita magneettikenttiä käyttäen, kunnes ne tulevat kapeimpiin. Sitten ne räjähtävät ja vapauttavat bakteeriparven, joka samalla tavalla, heikkoja magneettikenttiä käyttäen, suorittaa matkansa loppuun.
Siirtyä eteenpäin
Vaikka tutkijat ovat luonnostelleet joukon ideoita käyttövoimasta, mikrorobottien jäljittäminen kehoon istutettuina on edelleen valtava haaste.
Eri kuvantamistekniikoiden yhdistelmät voivat auttaa. Ultraääni-, MRI- ja infrapunakuvaus ovat liian hitaita havaitsemaan mikrorobottien toimintaa syvällä kehossa. Mutta yhdistämällä valo-, ääni- ja sähkömagneettisia aaltoja voisimme lisätä tarkkuutta ja herkkyyttä.
Ihannetapauksessa kuvantamistekniikan pitäisi pystyä seuraamaan mikromoottoreita 10 senttimetriä ihon alla 3D-muodossa ja reaaliajassa liikkumaan vähintään kymmenillä mikrometreillä sekunnissa, Medina-Sanchez ja Schmidt sanovat.
Tällä hetkellä tätä on vaikea saavuttaa, mutta tutkijat toivovat, että uusimmista optoakustisista menetelmistä, joissa yhdistyvät infrapuna- ja ultraäänikuvat, voi tulla tarpeeksi hyviä seuraamaan mikrorobotteja muutamassa vuodessa.
Ja sitten jää kysymys, mitä tehdä robottien kanssa heidän tehtävänsä lopussa. Jos jätät ne ajautumaan kehon sisään, hyytymät tai muut katastrofaaliset sivuvaikutukset, kuten metallimyrkytys, sallitaan. Robottien palauttaminen lähtöpisteeseen (suu, silmät ja muut luonnolliset aukot) voi olla ylivoimainen. Siksi tutkijat harkitsevat parempia vaihtoehtoja: robottien luonnollinen poistaminen tai luominen biohajoavista materiaaleista.
Jälkimmäisellä on erillinen plus: jos materiaalit ovat herkkiä lämmölle, happamuudelle tai muille ruumiillisille tekijöille, niitä voidaan käyttää luomaan itsenäisiä biorobotteja, jotka toimivat ilman paristoja. Esimerkiksi tiedemiehet ovat jo valmistaneet pieniä tähtimäisiä "tarttujia", jotka sulkeutuvat kudoksen ympärille altistuessaan lämmölle. Kun tartutaan sairaiden elinten tai kudosten ympärille, koura voisi biopsia in situ, tarjoten vähemmän invasiivisen menetelmän paksusuolisyövän seulontaan tai kroonisen tulehduksellisen suolistosairauden seuraamiseen.
"Tavoitteena on luoda mikrorobotteja, jotka pystyvät havaitsemaan, diagnosoimaan ja toimimaan itsenäisesti, kun ihmiset tarkkailevat ja pysyvät hallinnassa toimintahäiriöiden sattuessa", Medina-Sanchez ja Schmidt sanovat.
Lääketieteellisten mikrorobottien upea matka on vasta alkamassa.
Kaikki materiaalien, mikro-organismien ja mikrorakenteiden yhdistelmät on testattava loputtomiin varmistaakseen, että ne ovat turvallisia, ensin eläimillä, sitten ihmisillä. Tutkijat odottavat myös sääntelyviranomaisten apua.
Mutta tutkijoiden optimismi ei kuivu.
"Yhteensovitettujen aloitteiden avulla mikrorobotit voivat johtaa meidät noninvasiivisten hoitojen aikakauteen kymmeneksi vuodeksi", tutkijat sanovat.
ILYA KHEL