Группа китайских исследователей разработала прототип микроскопического робота-рыбы, напечатанного на 3D-принтере, который может лечить раковые клетки непосредственно в организме человека. Достижение, которое может произвести революцию в этом типе лечения, поскольку оно будет уничтожать опухоли гораздо более целенаправленно, повышая эффективность при одновременном уменьшении побочных эффектов.
Химиотерапия, широко используемая сегодня при лечении рака, представляет собой очень тяжелую нагрузку для человеческого организма, поскольку ее побочные эффекты весьма значительны. Кроме того, многие процедуры в настоящее время являются инвазивными, требующими проведения операций для достижения обрабатываемых участков. Ученые из Университета науки и технологий Китая и Института нанотехнологий Карлсруэ (Германия) взяли эту проблему за отправную точку для инновационного решения.
Они создали различные формы «роботов» микроскопического масштаба, способных воздействовать на человеческое тело изнутри. Одним из наиболее успешных экспериментов на сегодняшний день является создание «миниатюрной рыбки», которая, как было показано, способна доставлять дозы доксорубицина (лат. Doxorubicinum), препарата, обычно используемого в химиотерапии, непосредственно в раковые клетки.
Это достижение может произвести революцию в данном виде лечения, поскольку оно позволит уничтожать опухоли более целенаправленно, снижая побочные эффекты для человеческого организма. В проведенном эксперименте эта микроскопическая рыбка дистанционно управлялась через искусственную сосудистую сеть. Он перемещался по фиктивным кровеносным сосудам и «открывал рот» только в присутствии раковых клеток, доставляя транспортируемую дозу лекарства.
Роботы напечатаны в «4D»
Чтобы создать этого миниатюрного посыльного, исследователи напечатали его на 3D-принтере из компонента, способного изменять свойства при определенных условиях. Вот почему они говорят о «4D», поскольку робот обладает способностью «трансформироваться».
Ученые объясняют выбор своего материала среди других, способных реагировать подобным образом, его высокой биосовместимостью, а также низкой стоимостью, высокой нагрузочной способностью и высокой адаптивностью. Ключевым элементом их исследования является гидрогель — материал, реагирующий на pH, то есть уровень кислотности в окружающей среде. Если pH составляет 9 или выше, он расширяется. Если pH снижается (т.е. повышается уровень кислотности), то он естественным образом уменьшается.
Исследователи использовали эту характеристику для естественного «программирования» своего робота. Для этого они просто распечатали часть рыбы на уровне рта с меньшей плотностью. Поэтому, когда рыба подвергается воздействию низкого pH, усадка происходит неравномерно, и в гидрогеле образуется двухмикронное отверстие. Таким образом, лекарство может распространяться.
Если посмотреть на рН человеческого тела, то процесс приобретает смысл: исследователи объясняют, что он значительно ниже в районе раковой опухоли. Другими словами, «рыба» будет открывать рот, чтобы доставить лекарство, только когда оно окажется рядом с соответствующими клетками, что обеспечивает очень точное нацеливание.
Чтобы сделать это, рыба должна иметь возможность двигаться. Для этого ученые сначала погрузили его в раствор оксида железа. В результате трансформации микроробот становится чувствительным к магнетизму. Поэтому его можно проводить по сосудам просто с помощью намагничивания. Попутно команда поняла, что вымачивание в растворе снижает скорость реакции в зависимости от pH: в данном случае это просто находка. До сих пор гидрогель вступал в реакцию при pH ниже 9. Естественный уровень pH человеческого организма составляет 7,4. Благодаря использованию раствора оксида железа реакционная способность была снижена до этого уровня. Поскольку уровень кислотности вокруг раковых клеток составлял около 7, робот был запрограммирован на точное воздействие на них.
Роботы-рыбы, роботы-крабы, роботы-бабочки…
Команда считает, что их является прорывом, поскольку им можно дистанционно управлять и принимать конкретные меры. Действительно, множество проектов было задумано в области микророботов, но до сих пор, по словам ученых, им не удавалось сочетать эти две характеристики одновременно. Они также работали над другими моделями, хотя на данный момент их эксперимент с рыбой-роботом является наиболее используемым. Крабы, бабочки … Исследователям хватило креативности, чтобы изучить возможности изменения формы за счет расширения и сжатия гидрогеля.
Таким образом, они также сконструировали краба, клешни которого, используя тот же процесс, описанный выше, способны захватывать микроскопический элемент и перемещать его. Его практическое применение в человеческом организме создает еще несколько проблем, поскольку его работа также основана на изменении pH: колебания pH, которые ему необходимы, необязательно соответствуют областям, в которых было бы полезно работать. Команда также указывает на усовершенствования, которые необходимо внести в свои микророботы. На данный момент они прошли лабораторные испытания. Но для внедрения в человеческое тело их размер придется еще больше уменьшить. Необходимо также разработать надежный способ отслеживания их перемещений.
Видео, объясняющее принцип работы микророботов: