Роботы, автоматизация проникают во все сферы жизни людей. Не стала исключением и медицина.
В последние годы значительное внимание привлекает регенеративная медицина с клеточной терапией. Стволовые клетки, полученные в результате аутологической биопсии пациента или перепрограммированные из соматических клеток, могут дифференцироваться в функциональные клетки и доставляться в поврежденное место для восстановления функции тканей .
Доставка таких клеток in vivo требует соответствующей трехмерной (3D) структуры, которая создает среду, поддерживающую клеточную адгезию, пролиферацию и дифференцировку при выполнении функций носителя .
Создание трехмерной среды клеточной культуры важно для загрузки клеток in vitro, чтобы позволить in vivo-подобное поведение резидентных клеток с точки зрения морфологии и функционирования.
Напротив, клетки, культивируемые в 2D-подложках, быстро теряют свою функцию и морфологию . Для регенерации in situ микроноситель с пористой 3D структурой может использоваться для клеточной адгезии и механической поддержки регенерации тканей и органов . Этот микроноситель стимулирует клетки организма к восстановлению местных тканей и обеспечивает достаточное снабжение питательными веществами и равномерное распределение клеток.
Размеры этих ячеек-носителей могут варьироваться на порядки величины. Крупномасштабные клеточные носители, изготовленные и имплантированные в тканевую среду, являются инвазивными, могут вызывать послеоперационные боли и увеличивать риск инфицирования и общее время восстановления .
Крупномасштабные переносчики едва могут получить доступ к сложным и тонким участкам человеческого тела, таким как желудочно-кишечные органы, мозг и спинной мозг .
Роботы в малоинвазивной медицине
Значительно продвинулась разработка микророботов для малоинвазивной медицины . Однако исполнительных механизмов, которые можно было бы использовать для проталкивания роботов в микромасштабе in vivo, по-прежнему не хватает.
В настоящее время жизнеспособным вариантом управления таким микророботом является внешняя передача энергии.
Магнитные поля вызвали большой интерес благодаря своим преимуществам:
- нечувствительность к биологическим веществам,
- отсутствие прямого контакта
- испособность точного позиционирования.
Магнитные поля, которые генерируются ex vivo для передачи энергии и движения, могут обеспечить решение проблемы приведения в действие in vivo.
Для точной транспортировки ячеек было разработано и использовано несколько магнитных микроносителей. Гидрогель, инкапсулирующий клетки в сочетании с магнитными частицами посредством интеграции с микрожидкостными микрочипами или ультрафиолетовыми фотосшивателями , может контролировать и транспортировать элементы.
Разработан микротранспортер шприцевидной формы для сбора, транспортировки и выпуска микрочастиц, нагруженных клетками, в каналы микрожидкости . U-образный ферромагнитный микроробот, управляемый внешним магнитным полем, может автоматически манипулировать клетками и микрошариками .
В качестве платформ доставки клеток используются микророботы с винтовыми и трубчатыми липидными структурами, обладающие высокой эффективностью движений. Сообщалось о биоразлагаемом магнитном микророботе для винтового плавания с использованием флуоресценции и магнитно-резонансной томографии, образованном водорослями, для лечения на основе изображений .
Магнитные микророботы с пористыми трехмерными шестигранными и цилиндрическими формами были разработаны с повышенной биосовместимостью для транспортировки нескольких клеток и были продемонстрированы in vitro .
Микророботы, управляемые магнитным полем, могут иметь много преимуществ при доставке клеток in vitro, но могут не отражать сложность ситуации in vivo внутри многоклеточных организмов. Специально разработанный магнитный микроробот, основанный на реальных потребностях организма в переноске и доставке группы клеток, еще не был продемонстрирован.
Здесь рассказывается о конструкции микроробота с магнитным приводом и пористой сферической структурой, напоминающей заусенец, который был изготовлен с использованием 3D лазерной литографии для достижения транспортировки и доставки клеток-мишеней in vivo.
При этом использовался механизм, управляемый магнитным градиентом поля, чтобы конструкция микроробота не ограничивалась формой робота, обеспечивая гибкость при рассмотрении различных структур робота для переноски ячеек.
Микроробот был покрыт Ni для достижения магнитного срабатывания и Ti для обеспечения биосовместимости. Как численные, так и экспериментальные исследования были проведены с целью продемонстрировать, что предлагаемая конструкция робота может значительно повысить мощность магнитного привода и увеличить пропускную способность ячеек.
Эксперименты и испытания
Испытания на жизнеспособность фибробластов MC3T3-E1 и мезенхимальных стволовых клеток (МСК) также показали, что разработанный микроробот продемонстрировал хорошую нагрузочную способность и культивирование клеток. Микроробот с культивированными клетками может быть автоматически и точно перемещен в желаемое положение, что было проверено с помощью самосозданной электромагнитной катушки (33). Был успешно осуществлен перенос микророботов клеточного культивирования in vivo на желаемое место в желтках эмбрионов зебрышек.
Зебрафит все чаще используется в качестве модели позвоночного эмбриона из-за его генетического сходства с человеком и прозрачного и относительно крупного желтка для транспортировки микророботов .
В ходе текущего исследования клетки, переносимые микророботом, могут быть спонтанно высвобождены из микроробота в нужное место.
Этот вывод был подтвержден проведением экспериментов in vitro для высвобождения клеток из микророботов в стеклянную подложку или для того, чтобы клетки проходили через микроканал, подобный сосуду, чтобы попасть в зону родов.
Далее в естественных условиях проводились эксперименты по высвобождению клеток микророботов из клеточных культур в обнаженных мышей, после чего проводились гистологические исследования. Результаты показали, что разработанные магнитные микророботы могут успешно переносить и доставлять клетки-мишени в нужное место. Такая точная доставка целевых клеток обладает потенциалом для многочисленных медицинских применений, таких как адресная терапия, восстановление тканей и регенерация.
Вместо заключения
То есть достаточно трудно переоценить значение микроботов в медицине. Трансплантация органов теперь может проходить безопаснее, существенно снижаются риски отторжения.