Нанотехнологиите в здравеопазването стават все по-малки и по-умни

 

Ние живеем в зората на наномедицината. Наночастиците и наноустройствата скоро ще действат като прецизна система за доставяне на лекарства, инструменти за лечение на рака или миниатюрни хирурзи. Нека ви представим смелия нов свят на нанотехнологиите в здравеопазването.

Нанороботите закусват с вашите червени и бели кръвни клетки

Когато бях дете, едно от любимите ми предавания по телевизията беше френската анимация Il était un fois… la vie (1986). Намирах за очарователно това как създателите са си представяли човешкото тяло като конструкция, в която малки колички плават по вените, кранове работят върху зъбите, а бактериите като малки чудовища се опитват да атакуват невинните пищящи женски клетки, а пък белите кръвни телца защитават организма като добре тренирани войници. В известна степен подобен е и филмът Fantastic Voyage от 1966 година, който изследва смаляването на медицински екип до микроскопичен размер, за да спаси живота на известен учен. Аргонавтите плуват по течението на кръвта към мозъка, където екипажът използва лазерно оръжие, за да премахне кръвен съсирек.


РЕКЛАМА:

***

Сега, представете си, че всичко това може да стане в действителност… Какво ще кажете за кабинка с размер един нанометър, която изпуска инсулин, но не може да бъде атакувана от имунната система? Или наноробот, който доставя допамин директно в кръвта за лечение на Паркинсон? Ами инжектиране на химиотерапевтик в раковите клетки, което оставя здравите клетки незасегнати? Можете ли да си представите в тялото ви да има микроскопични роботи, които изпращат сигнали до смартфона ви в случай, че някое заболяване е на път да се развие? В такъв случай думата „симптом“ би била напълно изкоренена от медицинските речници.

Звучи ли като идея от научно-фантастичен роман?

Ако си мислите, че нанороботите и структурираните наночастици са само част от свят, създаден от Жул Верн или от Грег Еган в неговия роман „Diaspora“, вероятно не сте чули за спечелилите Нобелова награда по химия през 2016 година. Тя бе дадена на брилянтните учени Jean-Pierre Sauvage, сър J. Fraser Stoddart и Bernard L. Feringa, заради това, че са разработили молекули, чиито движения могат да бъдат контролирани. Както потвърждава Gizmodo, въпреки че молекулярната нанотехнология е все още в своя най-ранен стадий, с връчването на Нобелова награда на тези трима учени, Royal Swedish Academy of Sciences признава огромният потенциал на нанотехнологиите.

Как нанотехнологията е достигнала сегашното си състояние и как ще промени представата за здравеопазването в бъдеще?

„Нано“ означава по-малък от микро-скулптури на върха на топлийка

Нанотехнологията е трудно разбираема за средностатистическия човешки ум, защото се намира в изцяло друго измерение. На молекулярно и атомно ниво. Спомняте ли си микро-скулптурите в ухото на игла? В сравнение с нанометъра, основната единица за измерване в нанотехнологията, те са големи. Нанометърът е милиони пъти по-малък от дължината на мравка. Един лист хартия е дебел около 100 000 нанометра. Съотношението между Земята и детско топче за игра е приблизително съотношението на метър към нанометър.

В основата си нанотехнологията включва наука, инженерство и технология, провеждащи се в наномащаби – между 1 и 100 нанометра. На практика това е манипулиране и контролиране на материя на молекулярно и атомно ниво. Удивително, нали?

Историята на нанотехнологията – от малки „демони“ до нанороботи в кръвта

Като част от мислен експеримент през 1871 година, шотландският учен James Clerk Maxwell си представял малки „демони“, които могат да пренасочват атомите един по един. Извървян е дълъг път, за да се стигне от това до зараждането на нанотехнологията. Терминът молекулярно инженерство всъщност е бил въведен от професор Arthur Robert von Hippel от Масачузетския технологичен институт през 50-те години. Вечерта на 29 декември 1959 година известният физик Richard Feynman описал в своята лекция след вечерята на ежегодната среща на American Physical Society как цялата Енциклопедия Британика може да бъде изписана на главата на топлийка и как всички книги на света биха могли да се поберат върху една брошура.

Продължавайки замисления експеримент Kim Eric Drexler, студент в Масачузетския технологичен институт в средата на 70-те години, си представя, че машини с размера на молекули биха могли да произвеждат почти всичко. В своята книга Drexler описва  бъдещата роля на нанотехнологията в революционизирането на други области на науката и технологията, което може да доведе до напредък в медицината, изкуствения интелект и астрономията. Неговата представа за „асемблер“ може да „поставя атоми в почти всякаква смислена подредба“ и така ни позволява да строим почти всичко, което законите на природата ни позволяват.

По-късно, през 1991 година били открити въглеродните нанотръбички, които са около 100 пъти по-здрави от стомана, а са само 1/6 от теглото им и имат необичайна топлина и електропроводимост. Космическият кораб Juno, който в момента лети към Юпитер, използва смесени въглеродни наноструктури, за да си осигури електрическо заземяване, освобождаване от статичното електричество и намаляване на теглото. От самото начало беше неизбежно достигането на нанотехнологията до приложение в медицината.

Всички видове „нано” под микроскоп

Нанотехнологията има две основни нишки. Едната е машината с молекулярен размер на Drexler, която е способна да строи и манипулира средата си на атомично ниво. Втората е „биологична“ нанотехнология, която на практика използва ДНК и механизма на живота, за да създава уникални структури, съставени от белтъци и ДНК (като строителен материал).

1) Оригами роботи, базирани на ДНК

Един от най-смелите експерименти доказал, че нанороботите, базирани на ДНК могат да бъдат поставени в жива хлебарка и след това да изпълняват определени операции по команда, като например освобождаването на молекула, която се намира вътре. Такива нанороботи са наречени още роботи оригами, тъй като могат да се развиват и да доставят лекарства, като евентуално ще могат да изпълняват сложни програми, включително поставяне на диагноза и лечение. Едно от най-поразителните способности е точността на доставката и контролът на тези нанороботи, които са еквивалентни на компютърна система. Другата е, че същите основни принципи, които важат за частите на типична машина в нормален размер могат да бъдат приложени и към ДНК.

Оригами робот, базиран на тъкан от прасе, предлага неинвазивен метод за изваждане на погълнати батерии от стомаха. Прочетете повече за него тук.

2) Микророботи с формата на раковини и наноплувци

Учени от Института Макс Планк са експериментирали с изключителни роботи с микро размер (по-малко от милиметър), които буквално плуват през телесните течности и могат да бъдат използвани за доставяне на лекарства или други медицински средства за лечение по много прецизен начин. Тези микророботи с форма на раковина са създадени да плуват през ненютонови флуиди, като кръвта, по лимфната система или по хлъзгавата субстанция, покриваща очните ябълки.

Изследователи от ETH Zurich and Technion са разработили еластична „плуваща“ полипиролова нанотел, дълга около 15 микрометра (една милионна част от метъра) и 200 нанометра широка, която може да се движи през биологичната течна среда със скорост почти 15 микрометра в секунда. Наноплувците могат да бъдат програмирани да доставят лекарства и, контролирани магнитно, да плуват през потока на кръвта, за да стигат до ракови клетки, например.

3) Нанодвигатели, подобни на мравки

Подобните на мравки роботи се контролират магнитно, много са бързи, могат да се разполагат на определени места и използват инструменти. Като се движат през гъвкави повърхности, те могат да строят триизмерни структури с удивителна скорост. Те могат да революционизират както биотехнологиите, така и фабриките за електроника.

Изследователи от Университета Кеймбридж са разработили най-малкия двигател на света, направен от златни наночастици, свързани с податливи на температурата гел- полимери, чиято сила на единица тегло е почти 100 пъти по-голяма, отколкото на двигател или мускул. Изследователите са нарекли наномашината „мравка“, тъй като точно като мравки тяхната сила е много по-голяма, отколкото теглото им предполага.

Експлодиращи наночастици, покрити със злато, в най-малкия двигател на света.

4) Микророботи, вдъхновени от спермата

Група изследователи от Университета Твенте, Холандия, и от Немския университет в Кайро са разработили микророботи, вдъхновени от спермата, наречени MagnetoSperm, които могат да бъдат контролирани от слабо вибриращи магнитни полета. Когато роботът с дължина 322 микрона е подложен на вибриращо поле на по-малко от 5 милитесла – относително силата на вашия магнит за хладилник от Несебър – той претърпява магнетично усукване на главата си, което кара камшичето да вибрира и да се тласка напред.

MagnetoSperm може да бъде използван да манипулира и събира предмети с наноразмери, с помощта на външен източник от магнитно поле, който да контролира движението. В бъдеще изследователите се надяват да намалят още повече размера на нанороботите. Екипът в момента работи върху метод, чрез който да генерира магнитно нановлакно, което да бъде използвано като камшиче.

5) Роботи, захранвани от бактерии

Инженери от Университета „Дрексел“ са разработили метод за използване на електрически полета, за да помогнат на микроскопичните роботи, захранвани от бактерии, да откриват препятствия в тяхната среда и се движат около тях. Това означава, че роботите се движат с помощта на електрическите полета и могат да бъдат програмирани да стигат до определени места или да променят маршрута си, за да избягват някои обекти или да преминават през тях.

Работите, захранвани от бактерии могат да доведат до удивителни промени в здравеопазването, което включва и доставяне на лекарството точно там, където е нужно, манипулиране на стволови клетки за насочване на растежа им или построяването на микроструктура, например.

6) Клотоцитни нанороботи

Думата „клотоцит“ звучи наистина странно – означава изкуствен механичен тромбоцит. Тези нанороботи действат подобно на тромбоцитите, които се струпват, за да сформират съсирек и да спрат кървенето. Роботите могат да пренасят влакна, докато не се натъкнат на рана, и след това да ги разпръсват, за да създадат съсирек за времето, за което го правят и тромбоцитите.

Нанороботи, които се „хранят” с бактерии в кръвта, се държат като бели кръвни клетки и могат да бъдат проектирани да са по-бързи и по-ефективни в унищожаването на бактериите и други подобни инвазивни агенти.

Така бактериалните и вирусните инфекции могат да бъдат премахнати в рамките на минути, за разлика от дните, необходими на антибиотиците да подействат. Нанороботите няма да имат страничните ефекти на антибиотиците. Вместо да взимате лекарства или да си биете инжекции след всеки грип, само трябва да отидете в аптеката и да искате наноробот клотоцит без лекарско предписание и грипът ще е изчезнал докато напуснете аптеката.

7) Респироцитни нанороботи

Тези дребни роботи се държат като червени кръвни клетки, но биха имали потенциала да пренасят много повече кислород от естествените кръвни телца за пациенти, които страдат от анемия. Може също да съдържат сензори, които да измерват концентрацията на кислород в кръвта. Един ден кръвта може да се превърне в хранилище и симбиоза за нанороботи и човешки клетки.

Как можем да използваме армията от нанороботи?

Истинското предимство на това да имаш роботи с толкова миниатюрни размери е това, че можеш да ги накараш да работят в големи групи. Един миниатюрен робот не може да направи кой знае какво. Но милиони от тях могат да преместят Дунав мост.

1) Най-прецизната система за доставяне на лекарства

Най-страхотният потенциал на наноустройствата е в тяхната способност да доставят лекарства до точното местоположение, на което те са необходими. Има много заболявания – включително рак, при които лечението предизвиква много странични ефекти, точно защото активната субстанция в лекарството не може да разграничи здравите от болните тъкани. В бъдеще нанотехнологията може да предостави страхотно решение.

Представете си ваксина, която се доставя с лепенки с микроигли, вместо да се приемат лекарства или да ви поставят инжекции! Лепенките с микроигли осигуряват по-евтин, по-прост и по-безопасни метод за въвеждане на ваксината в организма в сравнение с традиционния начин, който изисква умели професионалисти и има (макар и минимален) риск от инфекция. Микроиглите с размер един микрон са покрити със суха формулировка от ваксината, която се разтваря в кожата за няколко минути след поставянето на лепенката. Учените са доказали, че ваксината за дребна шарка може да бъде стабилизирана върху микроиглите и е също толкова ефективна, колкото и стандартната подкожна инжекция.

Представете си програмируеми наночастици, които могат да помогнат прекратяването на ежедневните мъки, свързани с хронични заболявания като диабета. Те могат да доставят инсулин, за да подтикват растежа на клетките и регенерирането на тъканите на определено място. В случай на невродегенеративни заболявания като Паркинсон, наноустройствата могат да доставят лекарства, да имплантират невростимулатори или да транспортират интелигентен биоматериал през кръвно-мозъчната бариера, за да насочат регенерацията в централната нервна система.

2) Най-големият шанс за успешно лечение на рак

Най-простото обяснение е, че ракът се появява, когато клетките отказват да умрат и продължават да се размножават на различни места в нашето тяло, докато се крият от имунната система. В момента най-ефективните лечения срещу рака се състоят в прилагане на различни форми на радиация и химиотерапия, което спира регенерацията на клетките. Проблемът с радиацията и химиотерапията е в това, че не може да се прилага към конкретни зони и следователно има сериозни, понякога дори животозастрашаващи странични ефекти. Използването на нанотехнологии може да означава революция в лечението на рака.

Създаването на лекарства, които директно атакуват раковите клетки, без да увреждат другите тъкани, вече се е доказало като безопасен метод в лечението на рак на шийката на матката. Шведски учени са разработили техника, която използва магнитно контролирани наночастици, които принуждават раковите клетки да се самоунищожават, без да нараняват заобикалящата ги тъкан, както правят радиацията и химиотерапията. Първоначално е замислено за лечение на рак, но може да бъде използвано и за други заболявания като диабет тип 1.

Зли хора ще използват нанотехнологиите, за да ни контролират?

Според оптимистичните футуристи, наномедицината, като умните лекарства, ще доведе до предотвратяването на всички заболявания, дори стареенето, което ще ни направи свръхчовеци в много перспективи. Обаче, както всеки инструмент в ръцете на човечеството, и нанотехнологията си има недостатъци.

Нанороботите са толкова дребни, че е почти невъзможно да разбереш ако някой, например, слага един в чашата ти и ти го погълнеш. Някои хора се страхуват, че чрез използването на такива малки устройства, пълното наблюдение ще стане възможно – след като нищо не може да остане скрито, когато има робот, плуващ в телесните ти течности. Кой и как ще използва нашата информация? Може да има престъпници или терористи, които възнамеряват да се възползват от тези нанороботи, за да доставят токсични или дори летални вещества до органите? Трябва ли да се подготвим за нов вид тероризъм?

Също така, докато тези въпроси са уместни и могат да предизвикат известен дискомфорт, има заложени и някои по-големи въпроси с дори по-голямо въздействие. Ами ако дойде момент, в който застъпването между нанороботите и нашите собствени клетки – сливането на органичната материя със синтетичната – стане проблематично? Ако нанороботите могат да заменят функциите на клетките или дори целите клетки, тогава каква част от нас остава човешка? Ами ако армия от нанороботи се слее перфектно с нашите и не можем да кажем повече до каква степен сме хора изобщо? Вече знаем, че невроните могат да живеят в хармония с биочип и да се свързват с електроди. Какво става, когато ние и малките компютри, живеещи в нас, станат едно? Бихме ли искали да станем компютри по този начин?

Медицинското общество и все още голяма част от хората трябва да узнаят спецификите на нанотехнологиите възможно най-скоро, за да могат да се подготвят навреме за бъдещето. Трябва да започнем дискусия относно етическите и философските проблеми, засягащи нанороботите. Трябва да създадем групи от биоетици, които могат да помогнат на обществото да прецени риска правилно и да помогнат на онези, които трябва да вземат решенията, да регулират употребата на нанотехнологиите според законите за всеобщото благо.

Превод: Никол Николова


Европейска нощ на учените 2022 г.: