Nanoroboty, które będą roznosić leki czy prowadzić operacje wewnątrz ciała
Na pierwszy rzut oka przypomina nieco “wkrętacza” z Księgi XV Tytusa, Romka i A’tomka. Podobnie jak pojazd wymyślony przez Papcia Chmiela, jego głównym źródłem napędu jest wiertło, które pozwala mu nie tylko wkręcać się w stałe przeszkody, ale i sprawnie poruszać w cieczy. Różnicą jest jednak skala.
O ile Papciowy Wkrętacz swobodnie pomieścił wszystkich bohaterów komiksu, “bionauta" jest tak mały, że kilkadziesiąt tych urządzeń swobodnie pomieściłoby się na ćwierćdolarówce.
Bionauta to dzieło kalifornijskiej Bionaut Labs. Firma, urzędująca na przedmieściach Los Angeles, ma skromne plany - chce zaledwie zrewolucjonizować całą medycynę. Urządzenia takie, jak “bionauta" mają tropić choroby, dostarczać leki, a nawet przeprowadzać ultraprecyzyjne operacje wewnątrz naszych organizmów, nawet tam, gdzie skalpel chirurga po prostu nie ma szans dotrzeć.
“Bionauta" jest nanorobotem o długości mniejszej, niż milimetr. Kierowany magnetycznie, ma docierać do miejsca przeznaczenia - na przykład wykrytego przez lekarzy guza. Na miejscu ma precyzyjnie uwolnić swój ładunek - na przykład leki składające się na chemioterapię - tak, aby w jak najmniejszym stopniu wpłynąć na zdrowe tkanki. Mogą być też wykorzystywane do przeprowadzania mikrooperacji w miejscach, w których konwencjonalne zabiegi chirurgiczne są często zbyt ryzykowne, na przykład w rdzeniu kręgowym czy mózgu.
Chcemy opracować malutkiego robota, który na żądanie może trafić w dowolne miejsce w ciele i zapewnić leczenie tam, gdzie jest potrzebne.
W leczeniu raka i innych chorób wszystko sprowadza się do wprowadzenia leku do krwioobiegu.
Ale wydawało mi się, że to niewłaściwa droga. Po co zalewać lekami układ krwionośny, kiedy tak naprawdę chcesz celować w określone miejsce?
Spiegelmacher i spółka nie są, rzecz jasna jedynymi, którzy wpadli na ten pomysł. Nanoroboty powstają w laboratoriach na całym świecie. I już wkrótce mogą znaleźć się w strzykawce w twoim lokalnym szpitalu.
Problemem może być napęd
Najpierw jednak inżynierowie muszą znaleźć rozwiązanie kilku fundamentalnych problemów. Przede wszystkim napędu i nawigacji - nikt nie potrzebuje robota, który nie jest w stanie o własnych siłach dotrzeć do celu. Poruszanie się wewnątrz ludzkiego organizmu nie jest jednak łatwe: krew jest pompowana pod dużym ciśnieniem, które sprawia, że pływanie “pod prąd" jest bardzo trudne. Bariery między tkankami oznaczają, że trudno jest przeskakiwać z jednego organu do drugiego. A znalezienie niewielkiego często celu w wielkim organizmie wymaga bardzo precyzyjnego namierzania.
Bionauta jest napędzany i sterowany magnetycznie - elektromagnesy mają zarówno napędzać jego świder / śrubę, jak i kierować nim tak, by urządzenie trafiało precyzyjnie w cel. Ale to nie jedyny pomysł. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda już w 2009 r. opracowali miniaturowe, szklane śruby napędowe, a nawet rodzaj mikroskopijnych silników rakietowych, które mają zapewnić nanorobotom mobilność. W tym ostatnim przypadku, źródłem napędu jest reakcja chemiczna zachodząca w obecności przenoszonego przez maszynę katalizatora. Samuel Sanchez, chemik z Katalońskiego Instytutu Bioinżynierii w Barcelonie, opracował nanosilniki napędzane reakcjami chemicznymi do zastosowania w leczeniu raka pęcherza moczowego.
Wczesne wersje urządzeń wykorzystywały jako paliwo nadtlenek wodoru: jego rozkład, promowany przez platynę, generował pęcherzyki wody i tlenu, które popychały robota. Ale nawet niewielkie ilości nadtlenku wodoru są toksyczne, kolejne generacje mikrosilników wykorzystywały więc nanocząsteczki krzemionki o strukturze plastra miodu, maleńkie cząsteczki złota i enzymy. Przy ich pomocy maszyny mierzące 300-400 nanometrów są w stanie poruszać się, wykorzystując do napędu rozkład znajdującego się w pęcherzu mocznika na dwutlenek węgla i amoniak. Ich działanie przetestowano już na żywych myszach.
Innym sposobem na dostarczenie maszynom napędu z zewnątrz ciała jest użycie ultradźwięków. Jedna z grup badaczy umieściła rdzenie magnetyczne wewnątrz błon czerwonych krwinek. Charakterystyczny dwuwklęsły kształt komórek i większa gęstość niż w przypadku innych składników krwi pozwoliły na ich napędzanie za pomocą energii ultradźwiękowej, przy czym takie hybrydowe, żywe nanoroboty były sterowane za pomocą pola magnetycznego wpływającego na metaliczny rdzeń. Gdy roboty znajdą się na swoim miejscu, światło lasera może wzbudzić światłoczuły związek, który generuje reaktywne formy tlenu uszkadzające komórki rakowe.
To zresztą jeden z najbardziej obiecujących kierunków badań nad nanorobotami. Po co wymyślać od nowa coś, co natura opracowała miliardy lat temu? Hybrydowe nanoroboty, składające się ze zmodyfikowanych żywych komórek wzbogaconych o technologiczne elementy mogłyby poruszać się w naszych ciałach o wiele sprawniej, nie wywołując nerwowych reakcji układu odpornościowego.
Niektóre z najbardziej obiecujących strategii leczenia guzów nowotworowych obejmują komórki ludzkie i organizmy jednokomórkowe wzbogacone o części syntetyczne. W Niemczech grupa kierowana przez Olivera Schmidta, naukowca z Politechniki w Chemnitz, zaprojektowała robota hybrydowego opartego na plemnikach. Są to jedne z najszybszych komórek, poruszające się z prędkością sięgającą 5 milimetrów na minutę. Istnieje nadzieja, że uda się je zaprzęgnąć do dostarczania leków do nowotworów w żeńskim układzie rozrodczym, przy sterowaniu za pomocą pola magnetycznego.
Możemy skutecznie wprowadzać leki przeciwnowotworowe do główki plemnika, do DNA.
Z kolei na uniwersytecie w Hongkongu nanorobotyk Li Zhang stworzył mikropływaków z alg ukrytych w mineralnym magnetycie. Mogą one selektywnie uderzać w komórki rakowe, a następnie ulegają biodegradacji.
O ile jednak stosowanie nanorobotyki w leczeniu wzbudza coraz większy entuzjazm inżynierów i lekarzy, o tyle inne potencjalne zastosowania podobnych maszyn budzą poważne obawy etyków - i nie tylko.
Nanoroboty to także niebezpieczna broń
Według admirała Davida E. Jeremiaha, byłego wiceprzewodniczącego Komitetu Połączonych Szefów Sztabów Stanów Zjednoczonych, wojskowe zastosowania nanorobotów “mają nawet większy potencjał niż broń jądrowa, by radykalnie zmienić globalną równowagę sił". Tworzenie i rozmieszczanie nanobroni stanowi jego zdaniem potencjalne "egzystencjalne" zagrożenie, które może okazać się znacznie bardziej destabilizujące dla systemu międzynarodowego niż nawet broń nuklearna, a nawet może umożliwić podmiotom niepaństwowym sianie spustoszenia i zniszczenia na bezprecedensową skalę.
Jak miałaby wyglądać taka nanobroń? Naukowcy mają szereg pomysłów. Każdy brzmi bardzo niepokojąco. Od samoreplikujących się robotów o wielkości bakterii, które mogłyby dosłownie pożerać ludzi czy całe ekosystemy (i, szczęśliwie, pozostają domeną fantastyki), przez miniaturowe “łodzie podwodne", które mogłyby niepostrzeżenie dostarczać do ludzkich organizmów toksyny czy związki rakotwórcze. Śmiertelna dawka jadu kiełbasianego to w końcu zaledwie 100 nanogramów. Nanoroboty moglyby też niszczyć uprawy czy zabijać zwierzęta hodowlane, a według niektórych nawet modyfikować pamięć ofiary, symulując efekty zbliżone do choroby Alzheimera.
Wszystko to dzięki maszynom wielkości cząstek kurzu - bądź nawet mniejszymi. Przyszłość robotów w skali nano jest, paradoksalnie, ogromna.
