U jarkoj jesenskoj večeri 2006. godine dr. Sylvain Martel je zastao dah dok je tehničar tovario anesteziranu svinju u rotirajući fMRI stroj. Oči su mu gledale u zaslon računala na kojem se vidjelo magnetsko zrno obješeno u tankoj svinjskoj krvnoj žili. Napetost u sobi mogla se fizički osjetiti. Odjednom je balon oživio i kliznuo preko plovila poput mikroskopske podmornice koja je krenula prema odredištu. Ekipa je prasnula u pljesak.
Martel i njegov tim testirali su novi način daljinskog upravljanja sitnim predmetima unutar žive životinje manipulirajući magnetskim silama stroja. I prvi put je uspjelo.
Znanstvenici i pisci već dugo sanjaju o malim robotima koji se kreću golemim krvožilnim sustavom tijela, poput istraživača svemira koji proučavaju galaksije i njihove stanovnike. Potencijal je ogroman: sićušni medicinski roboti mogli bi, na primjer, prenijeti radioaktivne lijekove u nakupine karcinoma, izvesti operaciju unutar tijela ili očistiti krvne ugruške duboko u srcu ili mozgu.
San, san, ali uz pomoć robota, kaže dr. Bradley Nelson s Politehničkog sveučilišta u Zürichu, ljudi bi mogli zaroniti izravno u krvotok kako bi izveli operaciju mozga.
Trenutno su medicinski mikro roboti uglavnom izmišljeni, ali to bi se moglo promijeniti u sljedećem desetljeću. Ovog su tjedna dr. Mariana Medina-Sánchez i Oliver Schmidt iz Leibnizovog instituta za istraživanje krutih tvari i materijala u Dresdenu u Njemačkoj, u časopisu Nature objavili rad koji se s velikih ekrana pretvorio u nanoinženjerske laboratorije, iznoseći prioritete i realne testove za oživljavanje ovih sićušnih kirurga.
Stvaranje pokretača
Medicinski mikro-roboti dio su medicinskog puta u minijaturizaciju. 2001. izraelska je tvrtka predstavila PillCam, plastičnu kapsulu veličine slatkiša opremljenu kamerom, baterijom i bežičnim modulom. Dok je putovao kroz probavni kanal, PillCam je povremeno bežično slao slike nudeći osjetljiviju i manje toksičnu dijagnostičku metodu od tradicionalne endoskopije ili radiografije.
Promotivni video:
PillCam je gigantske veličine za savršeni mikrorobot, što ga čini pogodnim samo za relativno široku cijev našeg probavnog sustava. Ova je tableta također bila pasivna i nije se mogla zadržavati na zanimljivim mjestima radi detaljnijeg pregleda.
"Pravi medicinski robot mora se kretati i napredovati kroz složenu mrežu tubula ispunjenih tekućinom u tkivima duboko u tijelu", objašnjava Martel.
Tijelo, nažalost, nije baš dobrodošlo vanjskim gostima. Mikroroboti moraju podnijeti korozivne želučane sokove i plutati uzvodno u krvotoku bez motora.
Laboratoriji širom svijeta pokušavaju smisliti razumne alternative za rješavanje prehrambenih problema. Jedna je ideja stvoriti kemijske rakete: cilindrični mikro-roboti s "gorivom" - metalom ili drugim katalizatorom - koji reagira sa želučanim sokovima ili drugim tekućinama, emitirajući mjehuriće sa stražnje strane cilindra.
"Ovim je motorima teško upravljati", kažu Medina-Sanchez i Schmidt. Njihov smjer možemo grubo kontrolirati pomoću kemijskih gradijenata, ali oni nisu dovoljno robusni ili učinkoviti. Dizajn netoksičnih goriva na bazi šećera, uree ili drugih tjelesnih tekućina također se suočava s izazovima.
Bolja alternativa bili bi metalni fizički motori koji bi se mogli aktivirati promjenama magnetskog polja. Martel je, kako je pokazala njegova demonstracija zrna u prasetu, jedan od prvih koji je istražio takve motore.
MRI uređaj idealan je za kontrolu i prikaz metalnih prototipova mikrorobota, objašnjava Martel. Stroj ima nekoliko setova magnetskih zavojnica: glavni set magnetizira mikrorobot nakon što je kateterom ubačen u krvotok. Zatim, manipulirajući MRI zavojnicama gradijenta, možemo generirati slaba magnetska polja da mikrorobot proguraju kroz krvne žile ili druge biološke cijevi.
U kasnijim eksperimentima Martel je izradio nanočestice željeza i kobalta obložene lijekom protiv raka i ubrizgao te malene vojnike u zečeve. Koristeći računalni program za automatsku promjenu magnetskog polja, njegov je tim botove usmjerio točno u metu. Iako u ovoj studiji nije bilo stvarnih tumora, Martel kaže da bi takvi projekti mogli biti korisni u borbi protiv raka jetre i drugih tumora s relativno velikim žilama.
Zašto ne i mala plovila? Problem je opet energija. Martel je uspio smanjiti robota na nekoliko stotina mikrometara - sve manje zahtijeva magnetske gradijente toliko velike da ometaju neurone u mozgu.
Mikroborgovi
Elegantnije rješenje je uporaba bioloških motora koji već postoje u prirodi. Bakterije i sperma su naoružani bičevima koji ih prirodno tjeraju kroz zavojite tunele i tjelesne šupljine kako bi izvršili biološke reakcije.
Kombinacijom mehaničkih i bioloških dijelova bilo bi moguće učiniti da se dvije komponente međusobno nadopunjuju kad jedna zakaže.
Primjer je bot za spermu. Schmidt je razvio malene metalne zavojnice koje se obavijaju oko lijene sperme, dajući joj pokretljivost da dođe do jajašca. Stanica sperme također se može napuniti lijekovima povezanim s magnetskom mikrostrukturom za liječenje raka u reproduktivnom traktu.
Postoje i specijalizirane skupine bakterija MC-1 koje se poklapaju sa zemljinim magnetskim poljem. Stvarajući relativno slabo polje - dovoljno da se savlada Zemljino - znanstvenici mogu usmjeriti unutarnji kompas bakterija prema novoj meti poput raka.
Nažalost, MC-1 bakterija može preživjeti u toploj krvi samo 40 minuta, a većina nije dovoljno jaka da pliva protiv krvotoka. Martel želi stvoriti hibridni sustav bakterija i masnog mjehura. Mjehurići nabijeni magnetskim česticama i bakterijama bit će usmjereni u veće posude pomoću jakih magnetskih polja dok ne uđu u uža. Tada puknu i puste roj bakterija, koje će na isti način, koristeći slaba magnetska polja, završiti svoje putovanje.
Ići naprijed
Iako su znanstvenici skicirali gomilu ideja o pogonu, praćenje mikrorobota nakon ugradnje u tijelo ostaje veliki izazov.
Kombinacije različitih tehnika snimanja mogu pomoći. Ultrazvuk, MRI i infracrveno snimanje prespori su za promatranje djelovanja mikrorobota u dubokom tijelu. Ali kombiniranjem svjetlosti, zvuka i elektromagnetskih valova mogli bismo povećati razlučivost i osjetljivost.
U idealnom slučaju, tehnika snimanja trebala bi moći pratiti mikromotore od 10 centimetara pod kožom, u 3D i u stvarnom vremenu, krećući se minimalnom brzinom od desetaka mikrometara u sekundi, kažu Medina-Sanchez i Schmidt.
Trenutno je to teško postići, ali znanstvenici se nadaju da će najsuvremenije optoakustičke tehnike, kombinirajući infracrveno i ultrazvučno slikanje, za nekoliko godina postati dovoljno dobre za praćenje mikrorobota.
A onda ostaje pitanje, što učiniti s robotima nakon što njihova misija bude dovršena. Ostaviti ih da lebde u tijelu znak je zgrušavanja ili drugih katastrofalnih nuspojava poput trovanja metalima. Vraćanje robota na početnu točku (usta, oči i drugi prirodni otvori) može biti neodoljivo. Stoga znanstvenici razmatraju bolje mogućnosti: prirodno uklanjanje robota ili stvaranje od biorazgradivih materijala.
Potonji ima zaseban plus: ako su materijali osjetljivi na toplinu, kiselost ili druge tjelesne čimbenike, mogli bi se koristiti za stvaranje autonomnih biorobota koji rade bez baterija. Primjerice, znanstvenici su već napravili male "hvatače" u obliku zvijezde koji se zatvaraju oko tkiva kada su izloženi toplini. Kad se stavi oko bolesnih organa ili tkiva, hvatač bi mogao izvršiti biopsiju in situ, nudeći manje invazivnu metodu probira za rak debelog crijeva ili praćenja kronične upalne bolesti crijeva.
"Cilj je stvoriti mikrorobote koji mogu prepoznati, dijagnosticirati i djelovati autonomno dok ljudi promatraju i ostaju pod kontrolom u slučaju kvara", rekli su Medina-Sanchez i Schmidt.
Fantastično putovanje medicinskih mikro-robota tek započinje.
Sve kombinacije materijala, mikroorganizama i mikrostruktura morat će se testirati na neodređeno vrijeme kako bi se osiguralo da su sigurne, prvo na životinjama, a zatim i na ljudima. Znanstvenici također očekuju pomoć regulatora.
Ali optimizam znanstvenika ne isušuje.
"Kroz koordinirane inicijative mikroroboti bi nas mogli uvesti u eru neinvazivnih terapija na deset godina", kažu istraživači.
ILYA KHEL
