Ühel eredal sügisõhtul 2006. aastal pidas dr Sylvain Martel hinge kinni, kui tehnik laadis anesteetilise sea pöörlevasse fMRI-aparaati. Ta silmad vaatasid arvutiekraani, millel oli näha magnethelmet, mis rippus õhukeses seaveresoones. Ruumis oli pinget tunda füüsiliselt. Äkki õhupall elustus ja libises üle laeva nagu mikroskoopiline allveelaev sihtkohta suundudes. Meeskond puhkes aplausiks.
Martel ja tema meeskond katsetasid uut viisi väikeste esemete kaugjuhtimiseks eluslooma sees, manipuleerides masina magnetjõududega. Ja esimest korda see toimis.
Teadlased ja kirjanikud on juba ammu unistanud pisikestest robotitest, mis liiguvad läbi keha tohutu vereringesüsteemi nagu galaktikaid ja nende asukaid uurivad kosmoseuurijad. Potentsiaal on tohutu: pisikesed meditsiinirobotid võiksid näiteks radioaktiivseid ravimeid vähiklastritesse edastada, keha sees operatsioone teha või südame või aju sügavates osades verehüübed puhastada.
Unistus, unistus, kuid robotite abiga, ütles dr Bradley Nelson Zürichi polütehnilisest ülikoolist, võiksid inimesed ajuoperatsioonide tegemiseks sukelduda otse vereringesse.
Praegu on meditsiinilised mikrorobotid enamasti väljamõeldud, kuid see võib järgmise kümnendi jooksul muutuda. Sel nädalal avaldasid dr Mariana Medina-Sánchez ja Oliver Schmidt Saksamaal Dresdenis asuva Leibnizi tahkete ainete ja materjalide uurimise instituudist ajakirjas Nature, mis muutus suurtelt ekraanidelt nanoinsenertehnika laboritesse, tuues välja prioriteedid ja realistlikud testid nende pisikeste kirurgide elustamiseks.
Liigutajate loomine
Meditsiinilised mikrorobotid on osa meditsiini teekonnast miniatuurimisse. Aastal 2001 tutvustas Iisraeli ettevõte kaamera, aku ja traadita mooduliga varustatud PillCami - kristalliseerunud plastkapslit. Söödakanalit läbides saatis PillCam perioodiliselt juhtmevabalt pilte tagasi, pakkudes tundlikumat ja vähem toksilist diagnostilist meetodit kui traditsiooniline endoskoopia või radiograafia.
Reklaamvideo:
PillCam on täiusliku mikroroboti jaoks hiiglasliku suurusega, mistõttu sobib see ainult meie seedesüsteemi suhteliselt laia toru jaoks. See pill oli ka passiivne ega saanud üksikasjalikuma uurimise huvides pikutada.
"Tõeline meditsiiniline robot peab liikuma ja edasi liikuma keerukate vedelikuga täidetud tuubulite kaudu keha sügavates kudedes," selgitab Martel.
Keha pole kahjuks väliskülalistele eriti vastutulelik. Mikrorobotid peavad vastu pidama söövitavatele maomahladele ja hõljuma ilma mootorita vereringes ülesvoolu.
Laborid kogu maailmas püüavad toitumisprobleemi lahendamiseks välja mõelda mõistlikke alternatiive. Üks idee on luua keemilised raketid: silindrilised mikrorobotid "kütusega" - metallist või muust katalüsaatorist -, mis reageerivad maomahlade või muude vedelikega, lastes silindri tagant välja mullid.
"Neid mootoreid on raske juhtida," ütlevad Medina-Sanchez ja Schmidt. Keemiliste gradientide abil saame nende suunda laias laastus kontrollida, kuid need pole piisavalt tugevad ega tõhusad. Mittetoksiliste kütuste kujundamine suhkru, karbamiidi või muude kehavedelike baasil seisab samuti väljakutsete ees.
Parem alternatiiv oleks metallilised füüsikalised mootorid, mida saaks aktiveerida magnetvälja muutustega. Martel, nagu näitas tema helmestikus seas toimunud demonstratsioon, oli üks esimesi, kes selliseid mootoreid uuris.
MRI-aparaat sobib ideaalselt mikrorobotite metallprototüüpide juhtimiseks ja pildistamiseks, selgitab Martel. Masinal on mitu magnetpooli komplekti: põhikomplekt magnetiseerib mikroroboti pärast selle sisestamist kateetri kaudu vereringesse. Seejärel saame MRI gradiendi poolidega manipuleerides tekitada nõrgad magnetväljad, et mikrorobot suruda läbi veresoonte või muude bioloogiliste torude.
Järgmistes katsetes valmistas Martel vähivastase ravimiga kaetud raua ja koobalti nanoosakesed ning süstis neid pisikesi sõdureid küülikutesse. Magnetvälja automaatseks muutmiseks arvutiprogrammi abil juhatas tema meeskond robotid otse sihtmärgile. Kuigi selles konkreetses uuringus ei olnud tegelikke kasvajaid, võib Martel öelda, et sellised projektid võivad olla kasulikud maksavähi ja teiste suhteliselt suurte anumatega kasvajate vastu võitlemisel.
Miks mitte väikelaevad? Probleem on jällegi energias. Martel suutis roboti kahandada mõnesaja mikromeetrini - kõige vähem vaja on nii suuri magnetilisi gradiente, et need häirivad aju neuroneid.
Mikroborgid
Elegantsem lahendus on kasutada looduses juba olemasolevaid bioloogilisi mootoreid. Bakterid ja seemnerakud on relvastatud piitsasabadega, mis neid loomulikult liigutavad läbi keerduvate tunnelite ja kehaõõnsuste, et viia läbi bioloogilisi reaktsioone.
Kombineerides mehaanilisi osi bioloogiliste osadega, võiks need kaks komponenti panna rikke korral üksteist täiendama.
Näide on sperma bot. Schmidt töötas välja pisikesed metallmähised, mis mähivad laisa spermatosoidi, andes sellele liikumisvõime munarakuni jõudmiseks. Seemnerakku saab laadida ka magnetilise mikrostruktuuriga seotud ravimitega vähi raviks reproduktiivtraktis.
Samuti on olemas spetsiaalsed MC-1 bakterite rühmad, mis joonduvad Maa magnetväljaga. Luues suhteliselt nõrga välja - piisavalt Maa ületamiseks - saavad teadlased suunata bakterite sisekompassi uue sihtmärgi, nagu vähk, suunas.
Kahjuks suudavad MC-1 bakterid püsida soojas veres vaid 40 minutit ja enamik neist pole piisavalt tugevad, et vereringesse ujuda. Martel soovib luua hübriidsüsteemi bakteritest ja rasvapõitest. Magnetosakeste ja bakteritega koormatud mullid suunatakse tugevate magnetväljade abil suurematesse anumatesse, kuni need sisenevad kitsamatesse. Siis nad lõhkevad ja vabastavad bakteriparve, mis samal viisil, kasutades nõrka magnetvälja, lõpetab nende teekonna.
Edasi liikuma
Kuigi teadlased on visandanud hulga ideid tõukejõu kohta, on mikrorobotite jälgimine pärast nende kehasse implanteerimist endiselt suur väljakutse.
Aidata võivad erinevate pildistamistehnikate kombinatsioonid. Ultraheli, MRI ja infrapuna pildistamine on liiga aeglane, et jälgida mikrorobotite toiminguid kehas. Kuid valguse, heli ja elektromagnetlainete kombineerimisega võiksime suurendada eraldusvõimet ja tundlikkust.
Ideaaljuhul peaks pilditehnika suutma jälgida naha all olevaid mikromootoreid 3D-vormingus ja reaalajas, liikudes minimaalse kiirusega kümneid mikromeetreid sekundis, ütlevad Medina-Sanchez ja Schmidt.
Praegu on seda raske saavutada, kuid teadlased loodavad, et tipptasemel optoakustilised tehnikad, mis ühendavad infrapuna- ja ultrahelipildistamist, võivad mõne aasta pärast mikrorobotite jälgimiseks piisavalt heaks saada.
Ja siis jääb küsimus, mida teha robotitega nende missiooni lõpus. Jättes need keha sisse triivima, on lubatud hüübimised või muud katastroofilised kõrvaltoimed, näiteks metallimürgitus. Robotite tagasitoomine alguspunkti (suu, silmad ja muud looduslikud avad) võib olla tohutu. Seetõttu kaaluvad teadlased paremaid võimalusi: robotite eemaldamine looduslikul viisil või loomine biolagunevatest materjalidest.
Viimasel on eraldi pluss: kui materjalid on tundlikud kuumuse, happesuse või muude kehaliste tegurite suhtes, võiks neid kasutada autonoomsete biorobotite loomiseks, mis töötaksid ilma patareideta. Näiteks on teadlased juba valmistanud väikesi tähekujulisi "haarajaid", mis kuumuse mõjul kudede ümber sulguvad. Haigete elundite või kudede ümber asetatuna võib haarats biopsia teha kohapeal, pakkudes vähem invasiivset meetodit käärsoolevähi skriinimiseks või kroonilise põletikulise soolehaiguse jälgimiseks.
"Eesmärk on luua mikrorobotid, mis suudaksid tajuda, diagnoosida ja tegutseda autonoomselt, kui inimesed rikke korral jälgivad ja kontrolli all püsivad," ütles Medina-Sanchez ja Schmidt.
Meditsiiniliste mikrorobotite fantastiline teekond on alles algamas.
Kõiki materjalide, mikroorganismide ja mikrostruktuuride kombinatsioone tuleb lõputult testida, et veenduda, et need on ohutud kõigepealt loomadel ja seejärel inimestel. Teadlased ootavad ka reguleerivate asutuste abi.
Kuid teadlaste optimism ei kuiva.
"Kooskõlastatud algatuste kaudu võivad mikrorobotid viia meid kümme aastat mitteinvasiivsete ravimeetodite ajastusse," ütlevad teadlased.
ILYA KHEL
