Маленькие помощники: как используют нанороботов в медицине

6 июля 2024
Фото аватара
06.07.2024
255443
7 минут на чтение

Медицина в глазах обывателя мало связана с фантастикой — однако и здесь хватает фантастического, которое можно воплотить в реальной жизни. Клонирование, биопротезирование, генная терапия — всё это планомерно кочует из фантастических рассказов в реальность. Но кое-что пока только начинает такой переход. Речь о нанороботах — маленьких тружениках, снующих по организму в поисках повреждений и проблем. Эта гениальная идея, конечно, слегка пугает — представьте: вам ввели нечто, которое самостоятельно передвигается по вашему телу. Но и интригует, ведь таким образом можно будет постоянно контролировать важнейшие показатели, а главное — точечно воздействовать на очаги проблем. Что же такое нанороботы, существуют ли их прототипы и как скоро они появятся в обычной медицинской практике?

Читайте также

Медицина будущего 8

Медицина будущего: роботы-хирурги и умные таблетки

А ещё нейросети, чипирование и биопротезы

Радужные перспективы

Около 10 000 лет тому назад человек начал одомашнивать растения и животных. Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.

Сьюзан Линдквист, молекулярный биолог

«Отец нанотехнологий» Эрик Дрекслер на форуме RusnanoTech 2011 года

Сначала разберёмся, что такое наноробот. Из названия понятно, что это очень маленький робот: «нано» означает нанометр, то есть 10−9 метра. Размерами он не превышает сто нанометров — то есть не больше средней молекулы. Несмотря на фантастичность понятия, в научном сообществе термин «наноробот» прозвучал ещё в 1986 году — тогда инженер и нанотехнолог Эрик Дрекслер описал возможность их создания в своей книге Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии»). Но и его нельзя назвать первым — идея маленьких машин, живущих в кровеносных сосудах, витала в воздухе с середины XX века. Предполагалось, что их можно будет использовать для терапии заболеваний, для слежки и даже для усовершенствования человеческого тела.

С развитием молекулярной биологии идея создания нанороботов становилась всё реалистичнее, поскольку человечество научилось анализировать поведение и механизм работы огромного количества молекулярных машин — сложных в устройстве молекул, действующих слаженно и чётко. Одним из примеров таких молекулярных машин служит рибосома — специальная органелла, занимающаяся синтезом белка на основе РНК. Небольшой — не больше 30 нанометров — комплекс, состоящий из нескольких РНК и небольшого количества вспомогательных белков, аккуратно считывает инструкции РНК, чтобы выстроить из аминокислот именно ту белковую последовательность, которую кодирует ген, и делает это практически без ошибок (хотя ошибки при синтезе возможны, они всё-таки остаются на совести «поставщиков деталей», а не самих рибосом). Но нанороботов можно будет использовать для куда более широкого спектра задач.

В книге Эрика Дрекслера впервые прозвучал термин “наноробот«

Кратко перечислим эти задачи.

Терапия онкологических заболеваний — наноробот способен стать универсальным бойцом с опухолью, выделять лекарство в конкретные клетки или даже самостоятельно уничтожать скопления клеток.

Чистка сосудов — это касается и освобождения сосуда от тромба, и удаления отложившихся на внутренней стороне холестериновых телец. Гипотетически благодаря такому типу нанороботов можно существенно снизить риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний.

Уничтожение патогенов — тут имеется в виду не борьба с бактериями и вирусами — эта работа всё же должна остаться за иммунитетом, — а уничтожение паразитов и их яиц или тех патогенов, с которыми организм сам справиться не в состоянии.

Восполнение недостаточной функции — часто случается, что у людей с генетическими заболеваниями определённые клетки не выполняют свою функцию. Например, активно обсуждается создание искусственного тромбоцита. Искусственный тромбоцит, или клоттоцит, сможет обеспечить полный гемостаз в течение всего лишь одной секунды даже при обширных кровотечениях. Это в 100, а в некоторых случаях и в 1000 раз быстрее естественного восстановления [Robert Freitas, Clottocytes: Artifical Mechanical Platelets, 2000].

Таргетная доставка лекарств — роботы, доставляющие лекарство в определённое место, уже проектируются. Например, в 2018 году китайские учёные объявили о создании наноробота, умеющего проникать сквозь стекловидное тело глаза [Science Advances, Vol. 4, no. 11, eaat4388]. Робот покрыт специальным веществом, выделенным из хищного растения непентеса, — оно позволяет ему практически свободно двигаться в вязкой среде.

Модель рибосомы кишечной палочки. В некотором смысле рибосома — идеальный пример наноробота

Определение жизненно важных показателей, например давления или уровня сахара в крови. Последнее, вероятно, значительно облегчит жизнь людям с диабетом — они смогут в любой момент неинвазивно узнать концентрацию глюкозы в крови и спланировать свои действия.

Хирургия — такие нанороботы позволят удалять отдельные кусочки мёртвой ткани и небольшие кровяные сгустки, заделывать повреждения в сосудах, не прибегая к сложным операциям. Это также касается терапии подагры, при которой продукты расщепления жиров накапливаются в суставах, мешая им двигаться.

Время прототипов

Если в роли наноробота выступит пусть и искусственно созданная, но всё же обычная клетка — с оболочкой, генетическим материалом, органеллами и цитоплазмой, — будет ли она считаться роботом или чем-то живым?

Большинство из вышеперечисленного — пока не более чем идеи. Но есть среди них и кое-что реальное — прототипы или компоненты будущих нанороботов. Как и во многих других случаях, человечество активно учится у природы, а точнее — у молекулярных машин, пытаясь создать что-то настолько же маленькое по размерам и притом выполняющее свои функции.

В 2005 году [Nature, 437, 1337−1340] группа учёных показала прототип молекулярного автомобиля — небольшую, в несколько атомов, молекулу с четырьмя «колёсами», раскручивающимися под нагревом. В 2016 году создатель наноавтомобиля Бернард Феринга даже удостоился Нобелевской премии. А в 2008 году группа Йоргена Кьемса создала молекулярную машину под названием DNA box. Эта маленькая машинка основана на ДНК и работает как ДНК-компьютер: подбирая определённые фрагменты ДНК (такая техника называется ДНК-оригами), учёные могут моделировать ту или иную движущуюся форму. Да, пока что такие роботы, вернее, их прототипы, способны только двигаться, но и это уже огромное достижение [Nature, 459, 73–76].

Группа Кьемса не одинока в своей деятельности. В 2010 году в журнале Nature [465, 206−210] вышла статья, посвящённая созданию робота на основе ДНК — он сумел пройти расстояние почти в 100 нанометров. Маленький шаг для робота и огромный — для человечества! Выглядит робот как небольшая белковая молекула с четырьмя отростками, к которым присоединены специфические ДНК-зимы — молекулы ДНК, взаимодействующие с отрезками ДНК. Этими отрезками учёные выложили для робота дорожку — три его «ноги» узнают участки пути и подтягиваются по нему всё дальше и дальше.

А вот учёные из Сан-Диего в 2015 году [ACS Nano, 2015, 9, 1, 117−123] предложили сделать нанороботов, которые бы передвигались за счёт пузырьков газа, выделяющегося в ходе реакции между жидкостью внутри организма и специальным веществом внутри наноробота. Каркас роботов состоял из специального полимера, покрытого толстым слоем цинка, — отсюда они получили название «цинковые ракеты». Нанороботов вводили в пищеварительный тракт мышей. В желудке «ракета» начинала движение: цинк на поверхности реагировал с соляной кислотой, а выделяющийся при этом водород подталкивал робота вперёд, позволяя тому развивать скорость около 60 микрометров в секунду. Предполагается, что таким образом можно будет реализовывать таргетную доставку веществ по ЖКТ — робот показал хорошую эффективность в прикреплении к стенке кишечника.

Схематичное изображение движения морского гребешка и 3D-модели робо-гребешка в нано- (b) и макровоплощении (c)

Вышеописанные модели относятся к одному классу нанороботов — таких, у которых «двигатель» встроен в их собственное тело. Но есть и более простая модель — роботы, движущиеся под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Их сможет контролировать медицинский работник или сам пациент. Прототипы подобных устройств тоже есть. В 2016 году учёные создали прототип наноробота для доставки лекарств [Scientific Reports, 6, article number 30472]. Он движется по сосудам под действием электрического поля с вполне приличной скоростью — до 17,85 микрометра в секунду. Это уже настоящий наноробот, который, впрочем, ещё не используется в медицинской практике, поскольку требует значительной доработки.

В 2014 году учёные из Института интеллектуальных систем Макса Планка сконструировали [Nature Communications, 5, article number 5119] микроскопического морского гребешка — робота, похожего на моллюска и умеющего передвигаться по кровотоку и другим жидкостным системам. Наноробот перемещается под действием реактивной тяги, создаваемой движением створок «раковины». Снаружи робот контролируется магнитным полем, что позволяет уменьшить его размеры, поскольку нет необходимости добавлять к нему устройство питания.

Есть и третий возможный тип нанороботов — робоклетка. Пока эта концепция плохо реализуема, но гипотетически такие нанороботы способны послужить полноценной заменой тем клеткам, которые по какой-то причине перестали выполнять свои функции, — например, робоклетки смогут вырабатывать инсулин вместо островков Лангерганса (скопления эндокринных клеток) в поджелудочной железе или выделять тромбоцитарные факторы при гемофилии. Такие робоклетки наверняка смогут существовать как обычные клетки — самостоятельно делиться и коммуницировать с окружающей средой посредством выделения химических веществ.

Внутренние барьеры

Митохондрия — энергетический центр клетки. Учёные думают снабжать нанороботов системой питания, похожей на ту, что действует в митохондриях

Однако не всё так радужно — есть в сфере медицинских нанотехнологий такие аспекты, реализация которых учёным пока не даётся. Один из самых важных вопросов— как нанороботы будут пересекать барьеры внутри организма, например гематоэнцефалический, отделяющий мозг от общей кровеносной системы. Этот барьер призван защищать мозг от возможных повреждающих агентов, и пропускает он далеко не всё. Такие же барьеры находятся и на границе гонад, желудочно-кишечного тракта, глаз и так далее. Роботы, нацеленные на работу с этими системами, должны будут проникать через подобные барьеры — но как именно, пока неясно.

Ещё одна потенциальная проблема — сложность обнаружения наноробота в организме. Необходимо сделать так, чтобы врач или сам пациент в любой момент мог узнать, где находится робот. Но как такое осуществить? Есть вариант отслеживать работу наноустройств внутри тела с помощью ядерного магнитного резонанса — он может сработать, особенно если компоненты роботов будут сделаны в основном из изотопа углерода-13, имеющего ненулевой ядерный магнитный момент.

Использовать магнитное и электрическое поле — хорошая идея, но её реализация требует массивного оборудования, которое сложно разместить дома. Разрабатываются и другие варианты отслеживания нанороботов — с помощью ультразвука, фотоакустики, а также введения флуоресцентных и радионуклидных меток. Но у всех подобных методов значительные ограничения по глубине проникновения. Пока что мы не знаем, как с точностью до сантиметра определить местоположение робота в организме, и сейчас в этой области постоянно идут исследования.

Отслеживание местоположения наноробота в организме с помощью таких приборов, как МРТ-аппарат, сложно приспособить к домашним условиям

Кроме того, потребуется создать специальный материал для нанороботов, который, с одной стороны, подойдёт для выполнения заложенных в программу задач, а с другой — не вызовет иммунного ответа. Это вовсе не так просто, как может показаться: иммунный ответ часто возникает даже на импланты, а в редких случаях в организме запускаются процессы, в результате которых инородное тело покрывается защитной капсулой. Необходимо также помнить, что робот, сделанный из этого материала, скорее всего, будет переносить большое количество химических соединений и крупных молекул, а значит, не должен влиять на их активность.

Вопросом остаётся и питание наноробота — нужно ли оснащать его запасом питательных веществ или же лучше создать обособленную энергетическую систему, чтобы он самостоятельно выискивал электролиты или определённые молекулы в кровотоке? Есть предложение внедрить в нанороботы глюкозные «реакторы» — это отдалённо напоминает систему, действующую в митохондриях.

Разрушительная сила роя микроскопических роботов может быть колоссальна

Наконец, в будущем люди неизбежно столкнутся с вопросами безопасности. Как убедиться, что самоуправляемое, а в некоторых случаях ещё и саморазмножающееся создание, способное к тому же влиять на окружение, не выйдет из-под контроля? Вариантов того, что может пойти не так, множество — от перепродукции выделяемого нанороботом вещества до механической закупорки сосудов. Вероятность того, что эти мини-устройства погубят человечество, допускал и сам отец нанороботов Эрик Дрекслер.

Сценарий апокалипсиса под кодовым названием «серая слизь» — grey goo — предполагает, что самовоспроизводящиеся нанороботы в конце концов поглотят всю биомассу планеты. В 2000-х эта идея была особенно популярной. Тогда и вышла статья Роберта Фрайтаса Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations («Некоторые пределы глобальной экофагии, спровоцированной биоподобными нанорепликаторами, с рекомендациями для государственной политики»), где автор предложил термин экофагия — уничтожение нанороботами всего живого на планете.

* * *

Сейчас тема нанороботов не настолько популярная, как тема того же искусственного интеллекта, хотя ставки здесь так же высоки. Эта технология может привести человечество к бессмертию, а может уничтожить его. Впрочем, столь же вероятно, что реальность встретится с фантастикой где-то посередине и нанороботы станут просто ещё одним важным инструментом в руках врачей — маленькой армией на страже такого хрупкого человеческого здоровья.

Читайте также

Современные киборги: как человек чинит, совершенствует и дополняет своё тело 14

Современные киборги: как человек чинит, совершенствует и дополняет своё тело

Механические сердца, искусственное зрение и управление предметами силой мысли

Читайте также

До коронавируса: смертоносные эпидемии, изменившие мир 5

Самые страшные эпидемии, изменившие историю

Рассказываем о самых страшных эпидемиях прошлого — тех, что сформировали наш мир. Об эпидемиях, из-за которых рушились великие империи и менялся уклад жизни.

Читайте также

Статьи

«Пацаны», 4 сезон: грязнее, кровавее, но так же хорошо? 3
0
17318
«Пацаны», 4 сезон: грязнее, кровавее, но так же хорошо?

Молоко на асфальте

Художница Полина Яковлева: уютные миры, добрые сказки и много солнца 3
0
89948
Художница Полина Яковлева: уютные миры, добрые сказки и много солнца

Беседа с художницей о предвзятом отношении к цифровой живописи, сложных отношениях с издательствами и создании детских иллюстраций

Готовимся стать Избранными в 135 выпуске «Фантастического подкаста»
0
133810
Готовимся стать Избранными в 135 выпуске «Фантастического подкаста»

От Гарри Поттера до Мэри Сью

Читаем книгу: Нейтан Баллингруд — Странность 1
0
73838
Читаем книгу: Нейтан Баллингруд — Странность

Отрывок, в котором Сайлас Мундт совершает самую большую ошибку в своей жизни.

Настоящий «Армагеддон». Как 30 лет назад на Юпитер упала комета 11
0
118482
Настоящий «Армагеддон». Как 30 лет назад на Юпитер упала комета

Небесное шоу, которое изменило представление об опасности астероидов

«Звёздные войны: Аколит»: каким получился сериал про джедаев?
0
166600
«Звёздные войны: Аколит»: каким получился сериал про джедаев?

Пожалуй, самый противоречивый сериал по «Звёздным войнам».

Шелли Паркер-Чан «Тот, кто утопил мир». Мулан на троне
0
177000
Шелли Паркер-Чан «Тот, кто утопил мир». Мулан на троне

Ориентальная история в одёжках фэнтези

Главные видеоигры первой половины 2024 года
0
227153
Главные видеоигры первой половины 2024 года

Новый персидский принц, который и не принц вовсе, полноценный сиквел, шифрующийся под DLC, и многое другое.

Спецпроекты

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: