Как в медицине используют нанороботов. Профессор физической химии Пир Фишер о нанороботах, трудностях работы с ними и будущем медицины

Обычные люди под словом «нано» подразумевают что-то очень маленькое. Так, «нанохирургия» может значить только то, что хирург использует микроскоп для работы с объектом размером в несколько миллиметров. Один нанометр — это одна миллиардная метра (1 нм=10–9 м). Как нанороботы помогут в диагностике заболеваний? Почему нанороботов сложно собрать? Об этом рассказывает профессор физической химии Пир Фишер в материале проекта «Мир вещей. Из чего сделано будущее», подготовленном совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП).

— Что такое нанороботы?

— Цель наноробототехники — реализовать в системах, которые по размеру намного меньше клетки или микропроцессора, восприятие, обработку информации и, возможно, коммуникацию, то есть возможности, присущие полномасштабным роботам. Это невероятно сложная задача, и следует подчеркнуть, что реализовать все эти функции в нанороботах пока невозможно, только некоторые из них получается внедрить в часть синтетических нанороботических систем. Другой вариант — использовать внешнее управляющее устройство. Тогда часть необходимых функций будет выполняться на макроуровне при помощи внешних устройств, которые могут быть довольно крупными. На наноуровне чаще всего действуют частицы. Чтобы отличаться от пассивных наночастиц, они должны быть активными: перемещаться самостоятельно либо под воздействием внешней силы.

— Какими бывают нанороботы?

— Представим себе нанороботическую систему, которая состоит из наночастиц и внешнего контроллера. Частицы в ней должны обладать такими свойствами, чтобы реагировать на управляющее ими поле — магнитное, акустическое или световое. Например, нанороботическая система может состоять из субмикронных частиц, обладающих магнитным моментом, и макроскопической лабораторной установки с магнитными полями, которые используются для контролируемого наведения частиц. Также в системе может быть функция визуализации, позволяющая отслеживать их местоположение. В одной из недавних работ была продемонстрирована возможность провести рой закрученных в спираль магнитных нанопропеллеров сквозь биологические ткани. Такая система состоит из частиц-нанопропеллеров и вспомогательного устройства, которое позволяет приводить их в движение.

Другой подход состоит в том, чтобы не использовать внешние поля и устройства, а внедрить «двигатель» в саму частицу — тогда все процессы будут происходить на наноуровне. Для этого используют химические реакции, с которыми система становится более автономной. Представьте простую субмикронную или микрочастицу: обычно это сферическая частица, содержащая нужные материалы и снабженная энзимами или катализатором в том месте, где должна происходить реакция. Реакция изменяет химическую среду вокруг частицы, поэтому она начинает двигаться в растворе, содержащем подходящее химическое топливо. Цель данного направления исследований — спроектировать эти химически активные частицы так, чтобы они могли перемещаться в область с нужными химическими свойствами.

Во всех этих примерах нет никакого аппаратного оборудования, которое есть в полномасштабных роботах: никаких батарей, чипов или моторов. Все эти компоненты можно встретить только на устройствах размером от сотен микрон до миллиметров.

— Какие функции выполняют нанороботы и как нанороботов используют в медицине?

— Одна из наших задач — сконструировать нанороботов для применения в разных медицинских процедурах: диагностике, лечении и хирургии. Так, во время хирургической операции частицей, разогретой с помощью лазера или переменного магнитного поля, можно разрушить ткани. Кроме того, наночастица способна доставить в нужную область контрастный агент, чтобы помочь медикам с диагностической визуализацией. Частицы можно снабдить препаратом и направить их в интересующую нас зону.

Все три направления сейчас активно разрабатываются. Отчасти эти задачи можно решить при помощи пассивных наночастиц, но у нанороботов есть преимущество: они способны пересекать барьеры, которые пассивные наночастицы преодолевают с трудом, — например, гематоэнцефалический барьер или слизистые оболочки. Также нанороботы проникают в те области, куда пассивные частицы не проходят вовсе. Использование нанороботов позволит вводить напрямую в нужную зону сильнодействующие препараты, которые нельзя вводить в системный кровоток.

Нужно подчеркнуть, что сейчас ни одна система не дошла до этапа клинических испытаний или применения в медицинской практике, но пассивные частицы уже прошли испытания, и активные частицы рассматриваются как продолжение этой работы. Однако на данный момент мы сосредоточены на лабораторных исследованиях, тестировании идей и демонстрации общих принципов работы.

— Каковы трудности в разработке нанороботов?

— Чтобы перемещать нанороботов и чтобы они выполняли какие-либо задачи, нужно воздействовать на них и одновременно контролировать их, и все это в среде, где в целом перемещаться довольно сложно, то есть в тканях или, например, в сосудах с мощным током крови. Сконструировать их бывает непросто, особенно на субмикронных масштабах, однако сейчас большая часть исследований сосредоточена на том, как привести их в движение, и проходят первые эксперименты in vivo.

Найти способы взаимодействия с такой частицей непросто. Свет не может проникать глубоко в ткани, а акустические поля могут, но их воздействие слишком слабое. Магнитные поля уже используются в медицине, но для взаимодействия с такими маленькими частицами нужны градиенты магнитного поля или изменяющиеся во времени магнитные поля: и то и другое сложно реализовать на сравнительно больших дистанциях. В теории это возможно, но все-таки это техническая трудность. Так что одно из многообещающих направлений исследований — найти хороший способ минимизировать нужное для работы с нанороботами воздействие.

Чтобы контролировать частицы, нужно знать, где они находятся, однако увидеть их из-за их размера непросто. Также нам необходимо найти и подходящий метод визуализации. Для этого можно использовать фотоакустику, но в тканях она работает только на глубине до одного сантиметра и чаще всего с более крупными частицами. Инфракрасный свет и флуоресценция совместно дают нужное разрешение, но плохо подходят для работы внутри тканей. Магнитную визуализацию можно использовать в более крупных структурах, но она иногда плохо совместима с некоторыми формами магнитных способов локомоции. Таким образом, одного решения у этой проблемы нет, и разные исследовательские группы разрабатывают разные направления. Сложностей много, но результат того стоит: любой прорыв в исследованиях незамедлительно принесет множество возможностей для его практического приложения.

— Какую пользу могут принести исследования в области наноробототехники?

— Понятно, что большая часть ожиданий сосредоточена на медицинском применении нанороботов: возможность контролируемо, целенаправленно доставлять препараты в нужные зоны открывает совершенно новые горизонты в медицине. Но от исследований в области наноробототехники также можно ожидать и важные технологические прорывы. Чтобы реализовать перцепцию, обработку информации, движение и коммуникацию на масштабах, намного меньших, чем те, что позволяет современная микроэлектроника, нужны новые технологии. Ни одна батарея на таких масштабах не работает, а кроме того, нужно изобретать новые методы производства.

Чтобы обеспечить на таком масштабе автономность системы, необходимо внедрять физико-химические процессы, вдохновленные самой природой. Сложные биологические системы, например бактерии, можно рассматривать как биологических микророботов, и они служат источником вдохновения во многих исследованиях синтетических нанороботических систем. Ни одна синтетическая система еще не смогла по степени автономности и сложности приблизиться к уровню биологических микроорганизмов, однако синтетические нанороботы не должны работать как природные системы и могут принимать разные формы. Полагаю, исследования в области наноробототехники приведут нас к новым медицинским и технологическим возможностям и дадут толчок интереснейшим направлениям исследований.