Мечты о нанороботах, которые сами находят и ликвидируют любую болезнь, пока остаются мечтами. Но более скромные разработки могут войти в клиническую практику через 15–20 лет. Рассказываем о любопытных идеях применения нанороботов — от самой простой до самой футуристической
В своей знаменитой лекции "Внизу много места" физик Ричард Фейнман предложил концепцию миниатюрного робота, который был действовал на молекулярном уровне ("внизу"), чтобы взаимодействовать с клетками и даже атомами, таким образом "пересобирая" материю.
В конце XX века американский ученый Эрик Дрекслер, воодушевленный идеями Фейнмана, описал в своих книгах будущие "наноассемблеры", способные прямо из атомов собирать все что угодно. Микроскопические машины смогут "чинить" человека прямо изнутри — чистить кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, бороться с бактериями.
Фантазия Дрекслера вела его и к более пугающим перспективам. В книге "Машины творения" он писал о сценарии конца света, известного как "серая слизь". В нем человечество создает самовоспроизводящихся нанороботов, которые тут же выходят из-под контроля и в конце концов превращают все вещество Вселенной в других нанороботов — "серую слизь".
Сегодня нанороботы по-прежнему существуют лишь на стадии прототипов. Активного внедрения в клиническую практику — с учетом испытаний — стоит ждать еще пятнадцать — двадцать лет. Но если все пройдет успешно, такие "малыши" действительно смогут произвести революцию сразу во множестве областей — от хирургии до фармацевтики.
Живая клетка как образец
В самом базовом смысле робот — это машина, запрограммированная на определенные действия. Живые машины тоже существуют. Даже обычная человеческая клетка устроена гораздо сложнее, чем любые рукотворные автоматы и компьютеры. Но все ее процессы опираются на работу более мелких единиц — белков или ферментов. Именно их принято сравнивать с машинами.
Самый распространенный тип клеточных машин — ферменты. Они невероятно разнообразны (ученым известно около 5 тыс. разновидностей), поэтому их легко изучить и приспособить для разных нужд. В каждом ферменте есть "структурная часть" и "активный центр" — примерно как основание и рабочий инструмент станка.
У ферментов есть жесткая программа. Каждый приспособлен для конкретной задачи, но все они так или иначе помогают превращению одних веществ в другие. Точнее, они превращают одну химическую реакцию, которая должна идти "естественным путем" без особой пользы для клетки и организма, в другую — полезную. Также ферменты перезаписывают наследственную информацию и участвуют в создании других белков.
В идеале ученые пытаются создать искусственный (или, по крайней мере, гибридный) аналог ферментов. Пока созданные людьми наномашины намного уступают своим природным аналогам. Тем не менее на уровне опытов специалистам уже удается сделать наноматериалы, которые подчиняются простым командам.
Управляемые частицы для микрохирургии
Простейшие наномашины могут использоваться для того, чтобы попасть в труднодоступные места. Эта способность хорошо подходит для хирургии, где нужно выжечь или растворить пораженные ткани — или уничтожить микробов.
Лечение зубных каналов — одна из самых сложных и неприятных процедур в стоматологии. Каждый корень зуба имеет узкий внутренний канал, от которого отходят более тонкие канальцы: через них к зубу подходят нервы и сосуды. Если кариес распространяется на них, специалисту нужно тщательно прочистить мелкие канальцы, чтобы затем запломбировать зуб.
Каналы состоят из микротрубочек, и бактерии в них естественным образом защищены от иммунных клеток хозяина — ведь там нет местного кровообращения. Для лечения пульпы стоматолог обычно заполняет полость антибиотиками или другими препаратами. Но лекарство не всегда может проникнуть во все канальцы, к тому же бактерии могут быть устойчивыми к нему.
Специалисты индийской компании Theranautilus планируют выпустить на рынок устройство, которое будет размещаться во рту больного и позволит медикам вносить "наноботов" в полость нужного зуба и затем управлять ими. Они создали крошечные спиральные структуры из диоксида кремния, покрытые тончайшим слоем железа. Металлическая поверхность позволяет им реагировать на внешнее магнитное поле, а спиральная форма — двигаться под этой силой, буквально вкручиваясь в среду.
Как только нанороботы достигают места заражения, их дистанционно активируют при помощи генератора магнитного поля. Изменяя частоту колебаний поля, можно разогреть железо на поверхности "ботов" до температуры, губительной для бактерий — но не для здоровых тканей самого зуба. Таким образом специалисты планируют добиться более глубокого обеззараживания. "Мы уже очень близки к клиническим испытаниям этой технологии, хотя еще года три назад это казалось полной фантастикой", — отметил Амбариш Гхош.
Адресная доставка лекарств
Одна из проблем в современной медицине: молекулы, содержащиеся в лекарствах, не усваиваются организмом достаточно эффективно. Особенно это касается химиотерапевтических препаратов. "Лишь около 0,1% молекул лекарства попадают непосредственно в опухоль", — объясняет Хайфа Шен, сотрудник кафедры наномедицины в Хьюстонском научно-исследовательском институте. При этом большая часть лекарства бьет по здоровым тканям.
Нанороботы могут послужить транспортом, который доставит вещество в нужную точку и выпустит его. В этом случае перед учеными встает несколько сложностей: как самостоятельно проникнуть в нужное место (например, в опухоль), преодолев сопротивление кровотока; как "научить" робота идентифицировать мишень и впрыскивать лекарство; как выводить робота из организма, чтобы он сам не стал проблемой (например, не закупорил важные сосуды).
Один из вариантов — особые материалы, которые могут "принимать решения", ориентируясь на биохимические реакции. В этом случае робот выглядит как шарик с молекулами антител, которые узнают ту клетку, которую надо убить или вылечить. Когда клетка-мишень найдена, задача выполнена: остается только выгрузить полезный груз.
"Как заставить наночастицу анализировать сразу много информации: не один маркер на поверхности клетки, а несколько разных факторов? — рассказывает Максим Никитин, заведующий Лабораторией нанобиотехнологий МФТИ. — Анализировать их можно согласно правилам Булевой алгебры, как это делает компьютер. Процессор выполняет логические действия с нулями и единицами с помощью электричества, а мы оперируем концентрациями молекул".
Чтобы это сделать, надо окружить наночастицу несколькими молекулярными слоями особой структуры. Под действием входных факторов они будут различным образом трансформироваться, выполняя логические процедуры: "и", "или", "не", "следует". Когда вычисление закончено, наступает пора разгружать лекарство. "Это можно назвать нанороботом, а можно биокомпьютером, смотря какая терминология вам больше нравится", — поясняет Максим.
По словам ученого, пока его команде удалось создать только наноиндикаторы. Оказавшись рядом с подозрительной клеткой, они могут оценить ее химические следы и понять, не свидетельствуют ли они о наличии болезни. Это уже открывает новые перспективы в области геномных технологий — например, для экспресс-диагностики вне лабораторных условий.
Что касается полноценных роботов-доставщиков, то это вопрос еще нескольких десятилетий. "Мы сейчас на уровне транзистора, — полагает Никитин. — Мы уже научились спаивать эти транзисторы между собой, но до айфона еще далеко".
Еще одна сложность, которую могли бы решить нанороботы, — проникновение сквозь тонкие мембраны, отделяющие кровеносные сосуды от нервных тканей. К ним относятся, например, гематоэнцефалический (между кровью и мозговыми нейронами) и гематоретинальный (между кровью и сетчаткой глаза) барьеры.
Чтобы преодолеть эту проблему, ученые используют методы бионики — науки, которая заимствует свойства живых организмов для создания искусственных материалов. Например, жидкое покрытие, которое делает сцепление робота с мембраной клетки более мягким. Это же свойство используют плотоядные кувшинки: когда насекомые попадают на внутреннюю стенку, то соскальзывают по ней в едкий сок, как по тефлоновой сковороде.
В свою очередь, его искусственный аналог (например, на основе перфторуглеродов) точно так же может помочь капсуле с лекарством проскользнуть между порами мембраны.
Нейрохакинг для лечения шизофрении
Одна из самых экзотичных технологий предполагает запуск нанокапсул прямо в мозг, чтобы в нужный момент высвободить лекарство. Основное отличие этой разработки в том, что капсула снабжена "замком", который можно открывать дистанционно, по команде. В этом случае лекарство будет высвобождаться только тогда, когда это необходимо.
Израильские ученые из Межотраслевого центра в Герцлии спроектировали такие миниатюрные лекарственные контейнеры с молекулярным "замком". Замок, состоящий из наночастиц оксида железа, открывается при нагреве с помощью электромагнитной энергии — и выпускает лекарство наружу. Но самое интересное — сам мозг человека решает, нужно ли выпустить лекарство.
Носимый сканер головного мозга снимает электроэнцефалограмму в реальном времени. При регистрации определенной активности мозга сканер подает сигнал на передатчик излучения, который человек также носит с собой. "Замок" нанобота открывается — и нужное лекарство поступает в организм.
Алгоритм можно обучить отслеживать состояние мозга, которое связывают с синдромом дефицита внимания и гиперактивности или шизофренией, или вообще подстроить под нужды пациента, говорит автор исследования Сачар Арнон. Например, если ЭЭГ обнаруживает признаки нарастающего эпизода депрессии, роботы в течение короткого времени выпустят антидепрессанты и купируют приступ.
Но пока эта идея далека от клинической практики, говорят авторы. Даже расшифровка активности мозга — сложный процесс. "На текущий момент мы можем найти некоторые различия в ЭЭГ у пациентов с психическими отклонениями в лаборатории, — говорит соавтор разработки Дорон Фридман. — Но сделать надежный нейромаркер, который будет работать в реальном времени, — это совсем другое".