Gaišā 2006. gada rudens vakarā doktors Silvens Martels aizturēja elpu, kad tehniķis ielādēja anestēzijas cūku rotējošā fMRI aparātā. Viņa acis skatījās uz datora ekrānu, kurā bija redzama magnētiskā lodīte, kas karājās plānā cūkas asinsvadā. Spriedzi telpā varēja just fiziski. Pēkšņi balons atdzīvojās un slīdēja pāri kuģim kā mikroskopiska zemūdene, kas devās uz savu galamērķi. Komanda plosījās aplausos.
Martels un viņa komanda izmēģināja jaunu veidu, kā attālināti vadīt sīkus priekšmetus dzīvā dzīvnieka iekšienē, manipulējot ar mašīnas magnētiskajiem spēkiem. Un pirmo reizi tas darbojās.
Zinātnieki un rakstnieki jau sen ir sapņojuši par sīkiem robotiem, kas pārvietojas pa ķermeņa milzīgo asinsrites sistēmu, piemēram, kosmosa pētnieki, kas pēta galaktikas un to iedzīvotājus. Potenciāls ir milzīgs: mazi medicīniski roboti varētu, piemēram, radioaktīvās zāles pārnest uz vēža kopām, veikt operācijas ķermeņa iekšienē vai attīrīt asins recekļus dziļi sirds vai smadzeņu iekšienē.
Sapnis, sapnis, bet ar robotu palīdzību, saka doktors Bredlijs Nelsons no Cīrihes Politehniskās universitātes, cilvēki varētu ienirt tieši asinīs, lai veiktu smadzeņu operācijas.
Pašlaik medicīniskie mikroroboti lielākoties ir izdomāti, taču nākamajā desmitgadē tas var mainīties. Šonedēļ Dr Mariana Medina-Sánchez un Olivers Šmits no Leibnica Cietvielu un materiālu izpētes institūta Drēzdenē, Vācijā publicēja rakstu Nature, kas no lielajiem ekrāniem pārgāja uz nanoinženierijas laboratorijām, izklāstot prioritātes un reālistiskus testus, lai atdzīvinātu šos sīko ķirurgus.
Pārvietotāju radīšana
Medicīniskie mikroroboti ir daļa no medicīnas ceļojuma uz miniaturizāciju. 2001. gadā Izraēlas uzņēmums iepazīstināja ar PillCam - konfekšu izmēra plastmasas kapsulu, kas aprīkota ar kameru, akumulatoru un bezvadu moduli. Ceļojot pa gremošanas kanālu, PillCam periodiski bezvadu režīmā nosūtīja atpakaļ attēlus, piedāvājot jutīgāku un mazāk toksisku diagnostikas metodi nekā tradicionālā endoskopija vai radiogrāfija.
Reklāmas video:
PillCam ir gigantiska izmēra ideālam mikrorobotam, padarot to piemērotu tikai salīdzinoši plašajai mūsu gremošanas sistēmas caurulei. Arī šī tablete bija pasīva un nevarēja kavēties interesantās vietās, lai veiktu sīkāku pārbaudi.
"Īstam medicīniskam robotam jāpārvietojas un jāattīstās, izmantojot sarežģītu ar šķidrumu pildītu kanāliņu tīklu audos dziļi ķermenī," skaidro Martels.
Ķermenis, diemžēl, nav īpaši laipni gaidīts ārējiem viesiem. Mikrorobotiem ir jāiztur kodīgas kuņģa sulas, un tie bez motora peld asinīs augšpus.
Laboratorijas visā pasaulē cenšas piedāvāt saprātīgas alternatīvas uztura problēmas risināšanai. Viena no idejām ir izveidot ķīmiskas raķetes: cilindriskus mikrorobotus ar "degvielu" - metālu vai citu katalizatoru -, kas reaģē ar kuņģa sulām vai citiem šķidrumiem, izdalot burbuļus no cilindra aizmugures.
"Šos motorus ir grūti kontrolēt," saka Medina-Sančesa un Šmits. Mēs varam aptuveni kontrolēt to virzienu, izmantojot ķīmiskos gradientus, taču tie nav pietiekami izturīgi vai efektīvi. Arī netoksisku degvielu izstrāde, pamatojoties uz cukuru, urīnvielu vai citiem ķermeņa šķidrumiem, saskaras ar problēmām.
Labāka alternatīva būtu metāla fizikālie motori, kurus varētu aktivizēt ar izmaiņām magnētiskajā laukā. Kā parādīja viņa demonstrācija cūciņā ar cūciņu, Martels bija viens no pirmajiem, kas pētīja šādus motorus.
MRI iekārta ir ideāli piemērota, lai kontrolētu un attēlotu metāla prototipa mikrorobotus, skaidro Martels. Iekārtai ir vairāki magnētisko ruļļu komplekti: galvenais komplekts magnetizē mikrorobotu pēc tam, kad tas tiek ievadīts asinsritē caur katetru. Tad, manipulējot ar MRI gradienta spolēm, mēs varam radīt vājus magnētiskos laukus, lai mikrorobotu virzītu caur asinsvadiem vai citām bioloģiskām caurulēm.
Turpmākajos eksperimentos Martels izgatavoja dzelzs un kobalta nanodaļiņas, kas pārklātas ar pretvēža zālēm, un injicēja šos sīkos karavīrus trušos. Izmantojot datoru programmu, lai automātiski mainītu magnētisko lauku, viņa komanda vadīja robotus tieši mērķī. Kaut arī šajā konkrētajā pētījumā nebija faktisku audzēju, Martels saka, ka šādi projekti varētu būt noderīgi cīņā pret aknu vēzi un citiem audzējiem ar salīdzinoši lieliem traukiem.
Kāpēc ne mazie kuģi? Problēma atkal ir enerģija. Martels spēja samazināt robotu līdz dažiem simtiem mikrometru - visam mazāk nepieciešami tik lieli magnētiskie gradienti, ka tie izjauc smadzeņu neironus.
Mikroborgi
Elegantāks risinājums ir dabā jau esošo bioloģisko motoru izmantošana. Baktērijas un spermatozoīdi ir bruņoti ar pātagas astēm, kas tos dabiski dzen caur tinuma tuneļiem un ķermeņa dobumiem, lai veiktu bioloģiskas reakcijas.
Apvienojot mehāniskās un bioloģiskās daļas, būtu iespējams panākt, ka abi komponenti papildina viens otru, kad viens neizdodas.
Piemērs ir spermas bots. Šmits izstrādāja sīkas metāla spoles, kas aptin slinko spermu, dodot tai mobilitāti, lai sasniegtu olu. Spermas šūnu var ielādēt arī ar zālēm, kas saistītas ar magnētisko mikrostruktūru vēža ārstēšanai reproduktīvajā traktā.
Ir arī specializētas MC-1 baktēriju grupas, kas sakrīt ar Zemes magnētisko lauku. Radot samērā vāju lauku - pietiekami, lai pārvarētu Zemes - zinātnieki var orientēt baktēriju iekšējo kompasu uz jaunu mērķi, piemēram, vēzi.
Diemžēl MC-1 baktērijas siltās asinīs var izdzīvot tikai 40 minūtes, un lielākā daļa no tām nav pietiekami spēcīgas, lai peldētu pret asinsriti. Martels vēlas izveidot hibrīdu baktēriju un tauku pūšļu sistēmu. Burbuļi, kas piekrauti ar magnētiskām daļiņām un baktērijām, tiks novirzīti lielākos traukos, izmantojot spēcīgus magnētiskos laukus, līdz tie nonāk šaurākajos. Tad viņi pārsprāgst un atbrīvo baktēriju baru, kas tādā pašā veidā, izmantojot vājus magnētiskos laukus, pabeidz viņu ceļojumu.
Virzīties uz priekšu
Kaut arī zinātnieki ir ieskicējuši virkni ideju par piedziņu, mikrorobotu izsekošana, tiklīdz tie ir implantēti ķermenī, joprojām ir milzīgs izaicinājums.
Palīdzēt var dažādu attēlveidošanas metožu kombinācijas. Ultraskaņa, MRI un infrasarkanā attēlveidošana ir pārāk lēna, lai novērotu mikrorobotu darbību dziļi ķermenī. Bet, apvienojot gaismas, skaņas un elektromagnētiskos viļņus, mēs varētu palielināt izšķirtspēju un jutīgumu.
Ideālā gadījumā attēlveidošanas tehnikai jāspēj izsekot 10 centimetrus zem ādas esošie mikromotori 3D formātā un reāllaikā, pārvietojoties ar minimālo ātrumu desmitiem mikrometru sekundē, saka Medina-Sančesa un Šmits.
Pašlaik to ir grūti panākt, taču zinātnieki cer, ka vismodernākās optoakustiskās metodes, apvienojot infrasarkano un ultraskaņas attēlveidošanu, dažu gadu laikā var kļūt pietiekami labas, lai izsekotu mikrorobotus.
Un tad paliek jautājums, ko darīt ar robotiem viņu misijas beigās. Atstājot tos novirzīties ķermeņa iekšienē, tiek pieļautas recekļu veidošanās vai citas katastrofālas blakusparādības, piemēram, saindēšanās ar metālu. Robotu atgriešana sākuma stāvoklī (mute, acis un citas dabiskas atveres) var būt milzīga. Tādēļ zinātnieki apsver labākas iespējas: dabiski noņemt robotus vai izveidot tos no bioloģiski noārdāmiem materiāliem.
Pēdējam ir atsevišķs plus: ja materiāli ir jutīgi pret karstumu, skābumu vai citiem ķermeņa faktoriem, tos var izmantot, lai izveidotu autonomus biorobotus, kas darbojas bez baterijām. Piemēram, zinātnieki jau ir izgatavojuši mazus zvaigžņu formas "grasperus", kas siltuma ietekmē tiek aizvērti ap audiem. Novietojot ap slimajiem orgāniem vai audiem, satvērējs varētu biopsiju veikt in situ, piedāvājot mazāk invazīvu metodi resnās zarnas vēža skrīningam vai hroniskas iekaisīgas zarnu slimības izsekošanai.
"Mērķis ir izveidot mikrorobotus, kas spēj uztvert, diagnosticēt un darboties autonomi, kamēr cilvēki nepareizas darbības gadījumā vēro un paliek kontrolēti," sacīja Medina-Sančesa un Šmits.
Medicīnisko mikrorobotu fantastiskais ceļojums tikai sākas.
Visas materiālu, mikroorganismu un mikrostruktūru kombinācijas būs jāpārbauda bezgalīgi ilgi, lai pārliecinātos, ka tās vispirms ir drošas pret dzīvniekiem un pēc tam ar cilvēkiem. Zinātnieki gaida arī regulatoru palīdzību.
Bet zinātnieku optimisms neizžūst.
"Izmantojot koordinētas iniciatīvas, mikroroboti desmit gadus var mūs novest neinvazīvu terapiju laikmetā," saka pētnieki.
ILYA KHEL