Za jasného jesenného večera v roku 2006 doktor Sylvain Martel zatajil dych, keď technik nabil anestetizované prasa do rotujúceho prístroja fMRI. Jeho oči hľadeli na obrazovku počítača, ktorá ukazovala magnetickú guľôčku visiacu v tenkej prasacej krvnej cieve. Napätie v miestnosti bolo cítiť fyzicky. Balón náhle ožil a kĺzal po plavidle ako mikroskopická ponorka smerujúca na miesto určenia. Tím vypukol potlesk.
Martel a jeho tím testovali nový spôsob diaľkového ovládania drobných predmetov vo vnútri živého zvieraťa manipuláciou s magnetickými silami stroja. A prvýkrát sa to podarilo.
Vedci a spisovatelia už dávno snívali o malých robotoch, ktorí sa pohybujú v obrovskom obehovom systéme tela, ako napríklad vesmírni prieskumníci študujúci galaxie a ich obyvateľov. Potenciál je obrovský: malé lekárske roboty môžu napríklad prenášať rádioaktívne lieky do zhlukov rakoviny, vykonávať chirurgické zákroky vo vnútri tela alebo čistiť krvné zrazeniny hlboko vo vnútri srdca alebo mozgu.
Sen, sen, ale s pomocou robotov, hovorí doktor Bradley Nelson z Polytechnickej univerzity v Zürichu, sa ľudia mohli ponoriť priamo do krvi a vykonať operáciu mozgu.
V súčasnosti sú lekárske mikroboty väčšinou fiktívne, čo sa však v nasledujúcom desaťročí môže zmeniť. Mariana Medina-Sánchez a Oliver Schmidt z Leibnizovho ústavu pre výskum tuhých látok a materiálov v nemeckých Drážďanoch tento týždeň publikovali v časopise Nature prácu, ktorá sa od veľkých obrazoviek zmenila na laboratóriá pre nanoinžiniering, v ktorej načrtla priority a realistické testy na oživenie týchto malých chirurgov.
Tvorba sťahovákov
Lekárske mikro-roboty sú súčasťou cesty medicíny k miniaturizácii. V roku 2001 predstavila izraelská spoločnosť PillCam, plastovú kapsulu veľkosti cukrovinky vybavenú fotoaparátom, batériou a bezdrôtovým modulom. Počas cestovania zažívacím kanálom PillCam pravidelne odosielala obrázky späť bezdrôtovo a ponúka citlivejšiu a menej toxickú diagnostickú metódu ako tradičná endoskopia alebo rádiografia.
Propagačné video:
PillCam má obrovskú veľkosť pre dokonalého mikrorobota, takže je vhodný iba pre relatívne širokú trubicu nášho tráviaceho systému. Táto tabletka bola tiež pasívna a nemohla sa zdržiavať na zaujímavých miestach na podrobnejšie preskúmanie.
„Skutočný lekársky robot sa musí pohybovať a postupovať zložitou sieťou tubulov naplnených tekutinami v tkanivách hlboko v tele,“vysvetľuje Martel.
Telo, bohužiaľ, nie je príliš príjemné pre hostí zvonku. Mikroboti musia odolávať korozívnym žalúdočným šťavám a plávať proti prúdu v krvi bez motora.
Laboratóriá na celom svete sa snažia prísť s rozumnými alternatívami riešenia problému výživy. Jednou z myšlienok je vytvoriť chemické rakety: valcovité mikroboty s „palivom“- kovom alebo iným katalyzátorom -, ktoré reagujú so žalúdočnými šťavami alebo inými tekutinami a emitujú bubliny zo zadnej časti valca.
„Tieto motory sa ťažko ovládajú,“tvrdia Medina-Sanchez a Schmidt. Ich smer môžeme zhruba ovládať pomocou chemických gradientov, ale nie sú dostatočne robustné ani účinné. Výzvy čelí aj výroba netoxických palív na báze cukru, močoviny alebo iných telesných tekutín.
Lepšou alternatívou by boli kovové kovové motory, ktoré by sa mohli aktivovať zmenami v magnetickom poli. Martel, ako to predviedol na demonštrácii typu „korálik v ošípanej“, bol jedným z prvých, kto takéto motory vyšetroval.
MRI prístroj je ideálny na riadenie a zobrazovanie kovových prototypov mikrorobotov, vysvetľuje Martel. Stroj má niekoľko sád magnetických cievok: hlavná súprava magnetizuje mikrorobota po jeho zavedení do krvi pomocou katétra. Potom pomocou manipulácie s gradientovými cievkami MRI môžeme vytvoriť slabé magnetické polia, aby sme mikrorobota pretlačili krvnými cievami alebo inými biologickými trubicami.
V ďalších experimentoch vyrobila Martel nanočastice železa a kobaltu potiahnuté protirakovinovým liekom a týchto drobných vojakov vstrekla králikom. Pomocou počítačového programu na automatickú zmenu magnetického poľa naviedol jeho tím robotov priamo na cieľ. Aj keď v tejto konkrétnej štúdii neexistovali skutočné nádory, Martel tvrdí, že projekty ako tieto by mohli byť užitočné v boji proti rakovine pečene a iným nádorom s relatívne veľkými cievami.
Prečo nie malé plavidlá? Problémom je opäť energia. Martel dokázal zmenšiť robota na niekoľko stoviek mikrometrov - čokoľvek iné vyžaduje magnetické gradienty také veľké, že narúšajú neuróny v mozgu.
Mikroborgy
Elegantnejším riešením je použitie biologických motorov, ktoré už v prírode existujú. Baktérie a spermie sú vyzbrojené chvostmi bičíka, ktoré ich prirodzene poháňajú cez kľukaté tunely a telesné dutiny, aby uskutočňovali biologické reakcie.
Kombináciou mechanických častí s biologickými možno dosiahnuť, aby sa tieto dve zložky navzájom dopĺňali, keď zlyhajú.
Príkladom je spermiový robot. Schmidt vyvinul drobné kovové špirály, ktoré sa ovíjali okolo lenivých spermií a dávali im mobilitu dosiahnuť vajíčko. Spermia môže byť tiež naplnená liečivami spojenými s magnetickou mikroštruktúrou na liečbu rakoviny v reprodukčnom trakte.
Existujú aj špecializované skupiny baktérií MC-1, ktoré sa vyrovnávajú s magnetickým poľom Zeme. Vytvorením relatívne slabého poľa - dostatočného na prekonanie Zeme - môžu vedci zamerať vnútorný kompas baktérií na nový cieľ, ako je rakovina.
Bohužiaľ, baktérie MC-1 môžu prežiť v teplej krvi iba 40 minút a väčšina z nich nie je dosť silná na to, aby plávala proti krvi. Martel chce vytvoriť hybridný systém baktérií a tukových mechúrov. Bubliny nabité magnetickými časticami a baktériami budú smerované do väčších ciev pomocou silných magnetických polí, kým nevstúpia do užších. Potom prasknú a uvoľnia roj baktérií, ktoré rovnako pomocou slabých magnetických polí dokončia svoju cestu.
Hýbať sa vpred
Zatiaľ čo vedci načrtli množstvo myšlienok o pohone, sledovanie mikrorobotov po implantácii do tela zostáva obrovskou výzvou.
Pomôcť môžu kombinácie rôznych zobrazovacích techník. Ultrazvuk, MRI a infračervené zobrazovanie sú príliš pomalé na to, aby bolo možné pozorovať operácie mikrorobotov hlboko v tele. Ale kombináciou svetla, zvuku a elektromagnetických vĺn by sme mohli zvýšiť rozlíšenie a citlivosť.
V ideálnom prípade by zobrazovacia technika mala byť schopná sledovať mikromotory 10 centimetrov pod kožou v 3D a v reálnom čase a pohybovať sa minimálnou rýchlosťou desiatok mikrometrov za sekundu, tvrdia Medina-Sanchez a Schmidt.
V súčasnosti je to ťažké dosiahnuť, ale vedci dúfajú, že najmodernejšie optoakustické techniky kombinujúce infračervené a ultrazvukové zobrazovanie sa môžu stať natoľko dobrými, aby dokázali sledovať mikroroboty za pár rokov.
A potom zostáva otázkou, čo s robotmi na konci ich misie. Ich ponechanie vo vnútri tela je známkou zrážania alebo iných katastrofických vedľajších účinkov, ako je otrava kovmi. Dostať robot späť do východiskového bodu (ústa, oči a ďalšie prirodzené otvory) môže byť ohromujúce. Vedci preto zvažujú lepšie možnosti: prirodzené odstránenie robotov alebo ich vytvorenie z biologicky odbúrateľných materiálov.
Druhá z nich má samostatné plus: ak sú materiály citlivé na teplo, kyslosť alebo iné telesné faktory, mohli by sa použiť na výrobu autonómnych bio-robotov, ktoré fungujú bez batérií. Vedci napríklad už vytvorili malé „úchyty“v tvare hviezdy, ktoré sa pri pôsobení tepla uzatvárajú okolo tkanív. Pri umiestnení okolo chorých orgánov alebo tkanív mohol drapák vykonať biopsiu in situ a ponúknuť tak menej invazívnu metódu na skríning rakoviny hrubého čreva alebo sledovanie chronického zápalového ochorenia čriev.
„Cieľom je vytvoriť mikrorobotov, ktorí dokážu snímať, diagnostikovať a konať autonómne, zatiaľ čo ľudia budú v prípade poruchy sledovať a zostať pod kontrolou,“tvrdia Medina-Sanchez a Schmidt.
Fantastická cesta lekárskych mikro robotov sa iba začína.
Všetky kombinácie materiálov, mikroorganizmov a mikroštruktúr budú musieť byť donekonečna testované, aby sa zabezpečila ich bezpečnosť, najskôr na zvieratách a potom na ľuďoch. Vedci tiež očakávajú pomoc regulačných orgánov.
Ale optimizmus vedcov nevyschne.
„Vďaka koordinovaným iniciatívam by nás mikroroboti mohli desať rokov viesť do éry neinvazívnych terapií,“tvrdia vedci.
ILYA KHEL