Пир Фишер — Как в медицине используют нанороботов

Обычные люди под словом «нано» зачастую понимают просто что-то очень маленькое, но на самом деле «нано» значит, что объект в двух или трех измерениях меньше микрона. Можно ли сконструировать робота такого размера? 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 (группа РОСНАНО).

— Что такое наноробототехника?

— Цель наноробототехники — реализовать в системах, которые по размеру намного меньше клетки или микропроцессора, ряд функций: перцепцию, обработку информации, какую-либо форму активности и, возможно, коммуникацию, то есть возможности, присущие полномасштабным роботам. Сделать это невероятно сложно. Большинство искусственных нанороботических систем — это просто частицы, в которых либо реализуется только часть этих функций, либо используется система внешнего управления.

Одна из задач наноробототехники — разработать новые решения для применения в медицине. В медицинской практике уже используются микро- и наночастицы: они движутся по организму с током крови. Сейчас же ученые пытаются создать нанороботов, которые смогут либо самостоятельно, либо под воздействием внешней силы перемещаться в конкретные точки в теле человека: это даст нам совершенно новые возможности для адресной доставки лекарств. Таким образом, от наночастиц нанороботы отличаются тем, что с ними можно каким-то образом взаимодействовать: перемещать их, включать и выключать или считывать с них данные.

— Насколько нанороботы маленькие?

— Некоторые люди под «нано» подразумевают просто что-то очень маленькое: так, «микрохирургия» иногда значит только то, что хирург использует микроскоп для работы с объектом, который может быть размером в несколько миллиметров. Ошибочно полагать, что если мы называем такую частицу нанороботом, то это значит, что все процессы происходят внутри частицы, на наноуровне. Люди еще не сумели создать микронные или субмикронные объекты, которые могут зондировать окружающую среду, обрабатывать информацию и действовать, то есть работать как автономный наноробот. Таких частиц пока еще не существует, и для управления нанороботами обычно используется громоздкое внешнее оборудование. Таким образом, правильнее было бы говорить не о нанороботах, а о нанороботических системах.

— Какими бывают нанороботы?

— Существует несколько классов нанороботических систем. Один из них — это частица в паре с внешним контроллером. Сама частица обычно очень простая, но ее можно контролировать при помощи магнитных, световых или акустических полей. Например, такая система может состоять из субмикронных частиц, обладающих магнитным моментом, и макроскопической лабораторной установки с магнитными полями — она используется для контролируемого наведения частиц.

Кроме того, в системе может быть функция визуализации, позволяющая отслеживать местоположение нанороботов. Например, 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 мониторит их и приводит в движение.

Есть и другой класс нанороботов, в котором не используются внешние поля и устройства, а «двигатель» внедрен в саму частицу. В таком случае все процессы происходят в самой наночастице, и система становится более автономной. Представьте простую микро- или субмикронную частицу сферической формы, содержащую нужные препараты и снабженную энзимами или катализатором в том месте, где происходит реакция. Реакция изменяет химическую среду вокруг частицы, так что она продвигается вперед. Цель данного направления исследований — спроектировать эти химически активные частицы так, чтобы они могли перемещаться, например, в область с нужным уровнем pH. 

Наконец, есть проекты по использованию живых микроорганизмов вроде бактерий. Бактериальная клетка может автономно зондировать окружающую среду, обрабатывать информацию и действовать, и ее можно комбинировать с синтетическими системами. 
Нужно отметить, что 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 размерами от сотен микрон до миллиметров. 

— Какие функции могут выполнять нанороботы? Каково их применение в медицине?

— Одна из наших задач — сконструировать нанороботов для применения в разных медицинских процедурах, например в диагностике, лечении, хирургии и так далее. Так, во время хирургической операции можно разогреть частицу при помощи лазера или переменного магнитного поля и далее с ее помощью разрушить ткани. Кроме того, наночастица может доставить в нужную область контрастный агент, чтобы помочь медикам с диагностической визуализацией. Что касается лечения, частицы можно снабдить препаратом и направить их в интересующую нас зону. 

Все эти три направления сейчас активно разрабатываются. Отчасти эти задачи можно решить при помощи пассивных наночастиц, но у нанороботов есть одно преимущество: нанороботическая система потенциально может более эффективно пересекать барьеры — например, гематоэнцефалический барьер или слизистые оболочки, — которые пассивные наночастицы преодолевают с трудом. Наша цель состоит в том, чтобы добраться до тех точек в организме, куда пассивные частицы не проходят вовсе. Кроме того, использование нанороботов позволит вводить сильнодействующие препараты — такие, которые нельзя вводить в системный кровоток, — напрямую в нужную зону. 

Следует подчеркнуть, что сейчас ни одна система не дошла до этапа клинических испытаний, но пассивные частицы уже прошли все тесты, и активные частицы рассматриваются как продолжение этой работы. 

— Насколько сложно сконструировать наноробота? Как можно увидеть, где он находится? 

— Чтобы перемещать нанороботов и чтобы они выполняли какие-либо задачи, нужно приложить к ним достаточное воздействие 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. Уже есть первые демонстрации работы таких систем in vivo.

Найти способы взаимодействия с такими частицами непросто. Свет не может проникать глубоко в ткани; 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. Теоретически это реализуемо, но может потребовать громоздкой аппаратуры. 
Отдельная проблема — понять, где находятся частицы, поскольку они слишком маленькие, чтобы увидеть их невооруженным глазом, так что нам необходимо найти также и подходящий метод визуализации. Например, 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 иногда она не очень хорошо совместима с некоторыми формами магнитных способов локомоции и дает не очень высокое разрешение. Решить все эти проблемы непросто, но результат того стоит: любой прорыв в исследованиях незамедлительно принесет множество возможностей для его практического приложения. Таким образом, одного решения у этой проблемы нет, и разные исследовательские группы разрабатывают разные направления. 

— Из чего сделаны нанороботы?

— Если мы рассматриваем наноробот как частицу под управлением внешней аппаратуры, как в нанороботических системах, то материал будет зависеть от того, как именно мы контролируем движение частицы. Потенциально можно использовать разные материалы, но, конечно, если вы хотите взаимодействовать с частицей при помощи внешнего поля, она должна на него реагировать. Если вы хотите контролировать ее при помощи магнитного поля, материал должен обладать магнитными свойствами; если вы хотите контролировать ее при помощи света, она должна реагировать на свет, а если вы хотите управлять ею при помощи акустических полей, то она должна обладать достаточным акустическим контрастом. Кроме того, в нанороботической системе могут быть химически активные частицы, энзимы. Также она может работать в связке с микроорганизмами. 

— Какие подходы вы бы назвали самыми перспективными? 

— Пока еще рано говорить, но на данном этапе системы, основанные на работе с магнитными полями, проявляют себя лучше всего: именно они составляют большую часть приложений in vivo. Полагаю, в течение ближайших пяти лет мы увидим больше демонстраций in vivo, но, возможно, первыми будут введены в практику чуть более крупные частицы — микро- или миллироботические системы. На наноуровне материал зачастую ведет себя не так, как на больших размерах, и из-за этого введение нанороботов в эксплуатацию может потребовать дополнительное регулирование. Думаю, как только мы увидим, что такая система имеет очевидные преимущества перед пассивными частицами, начнутся исследования по применению нанороботов в клинике. 

— Какую пользу могут принести исследования в области наноробототехники?

— Большая часть ожиданий связана с медицинским применением 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. Мы пытаемся реализовать перцепцию, обработку информации, движение и коммуникацию на масштабах намного меньших, чем те, которые позволяет современная микроэлектроника. Для этого нужны совершенно 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 искусственных нанороботических систем. Ни одна искусственная система еще не смогла по степени автономности и сложности приблизиться к уровню биологических микроорганизмов. Однако 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.