Osobliwość wprasza się do wnętrza. Czy wpuścimy roboty do naszego ciała?
Międzynarodowy zespół badawczy z Uniwersytetu Twente i Niemieckiego Uniwersytetu w Kairze stworzył dekadę temu mikroroboty MagnetoSperm o długości 322 mikronów, zbudowane z pokrytej grubą warstwą kobaltu i niklu główki oraz wici, inspirowane plemnikami. Kontrolowano je za pomocą oscylującego słabego pola magnetycznego, przez co wić napędowa poruszała się. MagnetoSperm można było wykorzystać zarówno do składania, jak i manipulowania obiektami w skali nano i mikro, w zastosowaniach biomedycznych, dostarczaniu leków, zapłodnieniu in vitro, sortowaniu komórek czy oczyszczaniu zatkanych naczyń. Było to jedno z pierwszych z serii doniesień o mikro- lub nanobotach do pracy wewnątrz ludzkiego ciała.
Uważa się, że takie mikroboty mogłyby służyć do naprawiania złamanych kości, usuwania wewnętrznych zbliznowaceń, blaszek miażdżycowych, tkanek odpowiedzialnych za chorobę Alzheimera, a nawet do wykonywania wewnętrznych operacji chirurgicznych lub zwalczania chorobotwórczych mikroorganizmów i regeneracji narządów. Mogłyby też pomagać w prostszych zadaniach, takich jak usuwanie kamienia nazębnego czy oczyszczanie porów skóry.
Naukowcom z centrum medycznego Uniwersytetu Columbia udało się stworzyć całą flotę molekularnych robotów rozwijających się tzw. origami, które mogą dotrzeć do określonych komórek krwi i oznakować je na potrzeby leczenia farmakologicznego lub w celu ich zniszczenia. Nanoroboty te to kompilacje cząsteczek DNA, które zostały zaprojektowane do poszukiwania konkretnego rodzaju ludzkich komórek krwi i oznaczania ich znacznikiem fluorescencyjnym, co umożliwia leczenie lub likwidowanie chorych komórek, bez szkodliwego oddziaływania na zdrowe tkanki. Wykonane z nici DNA tzw. roboty origami wstrzyknięto eksperymentalnie karaluchom. W kontakcie z chorymi komórkami DNA rozwijały się i uwalniały zawarte w środku substancje.
Praca opublikowana w „Nature Nanotechnology” na początku 2024 r. pod tytułem „Ureasepowered nanobots for radionuclide bladder cancer therapy” opisuje, w jaki sposób z powodzeniem zmniejszono rozmiary guzów pęcherza moczowego u myszy o 90 proc. dzięki dawce nanorobotów zasilanych mocznikiem. Te nanomaszyny składają się z porowatej kuli wykonanej z krzemionki. Ich powierzchnie zawierają różne składniki o określonych funkcjach, w tym enzym ureazę, białko, które reaguje z mocznikiem znajdującym się w moczu, umożliwiając nanocząstce samodzielne poruszanie się. Innym kluczowym składnikiem zasobnika takiego nanobota jest radioizotop jodu, powszechnie stosowany w miejscowym leczeniu nowotworów.
Napęd i sterowanie rojami nanorobotów
Koncepcji mikro- i nanorobotów, które mielibyśmy wpuszczać do naszych organizmów, było w poprzedniej dekadzie i w pierwszych latach obecnej sporo. Napędzane miałyby być nie tylko magnetycznie. Pojawiały się pomysły, by boty zbudowane z nanorurek lub innych mikroskopijnych struktur korzystały z tlenu i glukozy obecnych wewnątrz organizmu, jako źródeł energii, prowadzono również prace nad użyciem w tym celu fal dźwiękowych. Inżynierowie z Uniwersytetu Illinois skonstruowali „bioboty” napędzane przez komórki mięśni. Konstrukcje te, wykonane z drukowanego techniką biodruku 3D hydrożelu i częściowo żywych komórek mają rozmiary mniejsze niż centymetr. Mechanizmem napędowym są tu pasma komórek mięśniowych, wzbudzane impulsami elektrycznymi.
Na Uniwersytecie Penn State udało się umieścić nanomotory w żywych ludzkich komórkach i sterować ich ruchami za pomocą fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości oraz magnesów. Nanoroboty są zbudowane z pręcików o długości 3 mikrometrów i przekątnej 300 nanometrów, czyli mniej niż grubość ludzkiego włosa. Zrobione są z rutenu i złota. Zostały wchłonięte przez komórki rakowe typu HeLa. Po skupieniu na nanomotorach fal akustycznych zaczęły szybko przemieszczać się wewnątrz nich. O ile fale dźwiękowe wykorzystywane są jako „napęd”, o tyle siły magnetyczne jako „stery” do kierowania mikrorobotów w określonych kierunkach. Specjaliści przewidują, że kolejne modele mikrorobotów będą obdarzone dalej idącą autonomią, by mogły same szukać chorych komórek i podjąć odpowiednie działania naprawcze.
W 2017 r. specjaliści ze Szwajcarskiej Szkoły Politechnicznej w Lozannie (EPFL) poinformowali o stworzeniu robotycznych siłowników z żelatyny, co, ich zdaniem, otwiera drogę do dających się połknąć robotów, dostarczających organizmowi leki. W tym samym roku naukowcy z włoskiej uczelni Sapienza Università di Roma opublikowali w „Nature Communications” opis swoich eksperymentów, w ramach których zbudowali mikrosilnik zasilany przez zmodyfikowaną bakterię E. coli, sterowany zaś przez wiązki światła.
Także w 2017 roku amerykańska agencja Food and Drug Administration zatwierdziła pierwszą cyfrową pigułkę z wbudowanymi czujnikami, które rejestrują, że lek został przyjęty. Pigułka okazała się skuteczna w leczeniu schizofrenii i niektórych form zaburzeń dwubiegunowych i depresji – stanów, w których przestrzeganie leczenia przez pacjentów ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania nawrotom. Pacjenci mogli udostępniać te informacje swoim opiekunom i lekarzom za pośrednictwem portalu Internetowego. Był to początek fali kolejnych tego rodzaju urządzeń.
Rok później naukowcy z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu (CUHK) opracowali metodę kontroli nanobotów wewnątrz ludzkiego ciała. Zainspirowany stadami ptaków i ławicami ryb, zespół Zhanga użył pola magnetycznego do kontrolowania ruchów nanobotów i wdrażania zachowań typowych dla skoordynowanego roju. Nanocząsteczki, miliony nanocząsteczek magnetycznych, mogą zmieniać swoją formę w zależności od środowiska, z którym mają do czynienia. Mogą one podobno rozszerzać się, kurczyć, dzielić i łączyć w swoim roju.
Niemal równocześnie z Chińczykami zespół naukowców z Arizona State University i National Center for Nanoscience and Technology of the Chinese Academy of Sciences wykazał skuteczność wykorzystania nanorobotów DNA do walki z nowotworami u myszy i świń chorych na raka. Były wykonane z DNA, który rozwija się dokładnie w odpowiednim czasie i miejscu, aby dostarczyć lek tylko do dokładnego celu w organizmie. DNA złożone jak pakiet origami utrzymuje cząsteczki trombiny, enzymu wytwarzającego krzepnięcie krwi. Kiedy nanorobot DNA origami wykrywa naczynia krwionośne zaatakowane nowotworem, otwiera się, aby dostarczyć trombinę, która tłumi dopływ krwi do guza. Wstrzyknięto nanoroboty do krwiobiegu myszy z guzami i orzekł, że leczenie skutecznie zwalczało nowotwory, zatrzymując ich wzrost, a nawet inicjując śmierć nowotworu. Metoda ta, która w zasadzie dusi guza, przypomina klasę leków nowotworowych znanych jako inhibitory angiogenezy, które pomagają zahamować wzrost naczyń krwionośnych żywiących nowotwory. Badacze wstrzyknęli również nanoroboty do krwiobiegu miniaturowych świń rasy Bama, które okazały się dobrym wzorem do testowania wstępnych testów bezpieczeństwa leków dla ludzi.
Także naukowcy z Micro, Nano i Molecular Systems Lab w Instytucie Maxa Plancka Inteligentnych Systemów w Stuttgarcie, wraz z międzynarodowym zespołem naukowców, opracowali w 2018 r. nanoroboty. Są w kształcie śmigła, które po raz pierwszy są w stanie wiercić w gęstej tkance, jak to jest powszechne w oku. Zastosowali powłokę antyadhezyjną na nanopędniki, które mają tylko 500 nm szerokości – dokładnie tyle małej, aby zmieściły się w ciasnej molekularnej matrycy żelopodobnej substancji w szklistej. Wiertła są dwieście razy mniejsze od średnicy ludzkiego włosa, nawet mniejsze od szerokości bakterii. Ich kształt i śliska powłoka pozwalają nanopędnikom poruszać się stosunkowo bez przeszkód przez oko, nie uszkadzając wrażliwej tkanki biologicznej wokół nich. Po raz pierwszy naukowcy byli w stanie sterować nanorobotami przez gęstą tkankę.
Kilka lat temu badaczom z Uniwersytetu Teksaskiego w Austin udało się skonstruować najmniejszy, najszybszy i najdłużej pracujący nanosilniczek. Jego rozmiar nie przekraczał jednego mikrometra. Osiąga osiemnaście tysięcy obrotów na minutę i pracuje bez przerwy nawet do 15 godzin. Zbudowany przez zespół pod kierownictwem profesor Donglei Fan silniczek jest konstrukcją „niebiologiczną”. Potrafi szybko mieszać i pompować substancje biologiczne potrzebne organizmowi na poziomie komórkowym. Jest także w stanie się poruszać w środowisku ciekłym, co również jest istotne w medycznych zastosowaniach, bo o takich się w przypadku owego nanosilnika mówi. Urządzenie zostało zbudowane na podstawie opatentowanej przez profesor Fan technologii wykorzystującej zmiany pola elektrycznego przy przepływach prądów stałych i zmiennych. Zmiany pola służą również do napędzania silniczka, przemieszczania go oraz kontroli nad procesami wyzwalającymi substancje czynne w organizmie.
Naukowcom ze Szwajcarskiej Politechniki ETH w Zurychu przy użyciu litografii 3D udało się na początku 2020 r. zbudować miniaturowego robota medycznego z metalu i tworzywa sztucznego. Powstałe w ten sposób konstrukcje robotyczne mają długość wynoszącą nie więcej niż jedną czwartą milimetra i mogą w zastosowaniach medycznych być sterowane polem magnetycznym. Wykorzystanie pola magnetycznego do sterowania oznacza, że mikromaszyny muszą być przynajmniej częściowo zbudowane z magnetycznych części metalowych. Polimery z kolei mogą być wykorzystane do budowy elastycznych i miękkich części tych urządzeń. Co ważne, zastosowane tworzywa sztuczne mogą rozpuszczać się wewnątrz organizmu. Umieszczone w zasobnikach wykonanych z takich substancji np. leki mogłyby być selektywnie i precyzyjnie dostarczane do tkanek. Badacze wytworzyli te mikroroboty, zaczynając od „formy” z rowkami. Za pomocą techniki elektrochemicznego osadzania naukowcy wypełniali jedne rowki metalem, a inne polimerami. Potem forma była rozpuszczana i zostawała jedynie konstrukcja mikromaszyny.
Publikacja na temat szwajcarskiego osiągnięcia ukazała się w „Nature Communications”. Kilka miesięcy wcześniej inna szwajcarska grupa naukowa ze szwajcarskiej Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL) opracowała mikroskopijnych rozmiarów mięśnie wykonane z hydrożelu, które są w stanie manipulować oraz stymulować mechanicznie tkanki biologiczne, w tym ludzkie. Miękkie, biokompatybilne roboty mogą znaleźć zastosowanie w procesie indywidualizacji terapii oraz wspomóc diagnozować i zapobiegać różnym schorzeniom.
W grudniu 2020 roku na Uniwersytecie Cornella opracowano nowy typ robota, o rozmiarach tak małych, że jest niewidoczny gołym okiem. Jest on zasadniczo mikroczipem, który może być masowo produkowany, z dołączonym układem czterech nóg pozwalających mu się poruszać (np. po organizmie człowieka) pod wpływem impulsów laserowych.
W 2022 r. naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zaprezentowali na łamach „Nature Materials” możliwość kierowania rojem mikroskopijnych robotów pływających w celu usunięcia drobnoustrojów zapalenia płuc w płucach myszy, budząc nadzieję, że podobna terapia może zostać opracowana w celu leczenia śmiertelnego bakteryjnego zapalenia płuc u ludzi. Mikroroboty wykonane są z komórek alg i pokryte warstwą nanocząsteczek antybiotyków. Algi zapewniają ruch w płucach, co jest kluczem do ukierunkowanego i skutecznego leczenia. W eksperymentach infekcje u myszy leczonych botami z alg ustąpiły, podczas gdy myszy, które nie były leczone, zdechły w ciągu trzech dni.
Nanocząsteczki na komórkach alg składają się z kulek polimerowych pokrytych błonami neutrofili, rodzaju białych krwinek. Membrany te neutralizują cząsteczki zapalne wytwarzane przez bakterie i własny układ odpornościowy organizmu, a zarówno nanocząsteczki, jak i algi ulegają naturalnej degradacji. Zmniejsza się szkodliwy stan zapalny, poprawiając walkę z infekcją, a pływające mikroboty są w stanie zapewnić leczenie dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne. „Opierając się na danych uzyskanych na myszach, widzimy, że mikroroboty mogą potencjalnie poprawić penetrację antybiotyków w celu zabicia patogenów bakteryjnych i uratowania życia większej liczbie pacjentów”, tłumaczy w opublikowanym komunikacie Victor Nizet, lekarz i profesor pediatrii na uczelni. Następnym krokiem dla zespołu są dalsze badania nad interakcją mikrobotów z układem odpornościowym, a następnie zwiększenie skali prac i przygotowanie ich do testów na większych zwierzętach – a ostatecznie na ludziach.
Kolejnym etapem jest tworzenie wewnątrz organizmu zrobotyzowanych mikrowytwórni komórek, tkanek lub potrzebnych substancji. Innowacyjny zrobotyzowany system biodruku 3D, który potrafi drukować biomateriał komórkowy wewnątrz ludzkiego ciała, czyli w organach wewnętrznych i w tkankach, został w ostatnich latach opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii i opisany w czasopiśmie „Advanced Science”. Rozwiązanie pozwala na wykorzystanie technologii biodruku 3D do tworzenia precyzyjnych i niestandardowych implantów medycznych bez konieczności ich chirurgicznego usuwania lub przemieszczania. Urządzenie prototypowe, nazwane F3DB, ma charakter zewnętrzny wobec tkanek ludzkiego ciała i składa się z długiego, elastycznego ramienia robotycznego (1), na końcu którego znajduje się zwrotna głowica obrotowa, która „drukuje” biokomponent przez miniaturową, wielokierunkową dyszę. Robot może być wykorzystywany ponadto do wytwarzania implantów z materiałów, które są niemożliwe do uzyskania w tradycyjny sposób. Obecnie technologia bioprintingu wymaga użycia dużych drukarek 3D do tworzenia konstrukcji, które są potem chirurgicznie wszczepiane do organizmu, co niesie ze sobą odrębne zagrożenia, w tym ryzyko uszkodzenia tkanek i infekcji. Według badaczy stojących za nową techniką, ich znacznie zredukowany co do rozmiaru i poziomu komplikacji system ten może być używany do tworzenia implantów wewnętrznych w krótkim czasie, zmniejszając koszty i minimalizując ryzyko powikłań chirurgicznych a po dalszej miniaturyzacji niewykluczone jest też stosowanie takiego robota wewnętrznie.
zdjęcie: stock.adobe.com
Kluczowe zastosowania nanorobotów medycznych to przede wszystkim dostarczanie leków. Nanoroboty mają precyzyjnie dostarczać leki do określonych komórek lub tkanek, minimalizując skutki uboczne i zwiększając skuteczność terapeutyczną. Możliwa ma być też naprawa i regeneracja tkanek. Nanoroboty mogą dostarczać czynniki wzrostu, komórki macierzyste lub inne materiały regeneracyjne, stymulować regenerację tkanek i przyspieszać gojenie ran. Kolejne zadanie to wykrywanie i eliminacja patogenów. Nanoroboty wyposażone w biosensory mogłyby wykrywać patogeny (wirusy, bakterie itp.) we wczesnym stadium a następnie neutralizować patogeny, uwalniając środki przeciwbakteryjne lub wywołując odpowiedź immunologiczną. Badacze mają nadzieję, że nanoroboty ułatwią leczenie chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Mogłyby one usuwać patologiczne białka, dostarczać leki neurologiczne i wspomagać regenerację komórek nerwowych.
Nanoroboty w założeniu selektywnie docierałyby do komórek nowotworowych, dostarczając leki przeciwnowotworowe bezpośrednio do guzów. Możliwa ma być też diagnostyka obrazowa. Środki kontrastowe przyłączone do nanorobotów umożliwiają obrazowanie o wysokiej rozdzielczości (np. MRI, CT, ultrasonografia). Poprawiałyby wizualizację guzów, naczyń krwionośnych i innych struktur. Zaawansowane systemy sensoryczne pozwalałyby nanorobotom wykrywać anomalie chemiczne, zmiany temperatury czy nieprawidłowe struktury komórkowe wskazujące na rozwój choroby. W przyszłości nanoroboty mogłyby być wykorzystywane do reprogramowania kodu genetycznego komórek. Technika ta mogłaby służyć do odwracania skutków zmian nowotworowych w komórkach rakowych lub przywracania prawidłowego funkcjonowania komórkom dotkniętym innymi chorobami genetycznymi.
Nanoroboty mogą krążyć w organizmie i nieustannie monitorować parametry krytycznych procesów życiowych, takich jak poziom glukozy we krwi, czy wykrywać nawet subtelne zmiany chemiczne sygnalizujące rozwój choroby. Informacje te mogły być natychmiast przesyłane do urządzeń zewnętrznych, umożliwiając wczesną interwencję medyczną. Zintegrowane układy zdolne do przetwarzania informacji umożliwiają im komunikację i koordynację działań niczym w roju owadów. Dąży się do tego, by nanoroboty medyczne były konstruowane z materiałów biokompatybilnych i biodegradowalnych, takich jak niektóre polimery, węglik krzemu lub złoto, co powinno zapewnić bezpieczeństwo ich zastosowania w organizmie ludzkim.
Oczywiście nie trzeba chyba tłumaczyć, że „wpuszczanie” rojów nanobotów do organizmu budzi również ogromne kontrowersje, od obaw o toksyczność takich urządzeń, po różne uboczne, niekorzystne efekty od zdrowotnych po skutki dla naszej prywatności. Należy upewnić się, że nanoroboty są odpowiednio zaprogramowane i nie spowodują żadnych niepożądanych skutków ubocznych w organizmie. Ponadto istnieją obawy związane z potencjalnym wykorzystaniem nanorobotów w celach nieetycznych lub jako broni biologicznej. Jedną z głównych obaw jest możliwość, że nanoroboty mogłyby działać w sposób niekontrolowany lub zostać zhakowane i użyte do celów przestępczych lub terrorystycznych. Dlatego będą musiały być wyposażone w zaawansowane systemy zabezpieczeń i weryfikacji tożsamości.
Napełnienie ludzkiego organizmu małymi robotami w celach medycznych to jedno z oblicz tzw. osobliwości technologicznej, definiowanej różnorodnie, ale najczęściej jako integracja i zacieranie granicy między światem ludzi i biologii ze światem maszyn. Perspektywa ta budzi częściej niepokój niż nadzieje. Czy słusznie, zapewne przekonamy się w najbliższych dekadach.
Mirosław Usidus
