Нанороботы: будущее в настоящем. Технические требования к нанороботам в медицине

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания » американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем - совсем другой вопрос.

Спонсор номинации - .

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу , стал предприниматель Константин Синюшин , за что ему огромный человеческий респект!

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас ».

Спонсоры публикации этой статьи - Надежда и Алексей Браже.

Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист .

Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов . Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.

Наномедицина - что это?

Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.

По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств » . Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места » . Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.

«Молекулярные машины»

Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию - использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии ». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов - наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики .

Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?

До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений .

В 2016 году за разработку молекулярного двигателя Бернарду Ферринге была присуждена Нобелевская премия по химии: «Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы - названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 » . - Ред.

Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями , . Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.

Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.

1. Навигация нанороботов

Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов - применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.

Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.

2. Питание нанороботов

В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.

Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.

3. Передвижение нанороботов

В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор . Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.

Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма . Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина - 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.

Прототипы нанороботов

С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.

1. ДНК-нанороботы

В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology , в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов . Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.

Подробнее метод ДНК-оригами рассматривается в статьях: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет » , «Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме » и «Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять » . - Ред.

Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» - в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке - скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.

2. Наноробот - морской гребешок

Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины .

Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.

3. «Цинковые наноракеты»

Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм . Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).

Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а - Механизм работы «цинкового мотора». б - Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в - Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г - Фазы движения нанороботов.

Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.

4. «Шустрые» наниты

Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде . Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.

По образу и подобию

Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе .

Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека

По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрайтаса наномедицина это: слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры". В действительности, наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, даст результат. Но научное проектирование и прогнозирование тоже очень важная и нужная вещь. Через несколько десятков лет, когда уже, наконец, будет работать первый ассемблер (наноробот-сборщик), знания, накопленные наномедициной, воплотятся в жизнь.

А тогда...

Представьте себе, что вы подхватили грипп (то есть вы даже еще НЕ знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета - десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет!

Или...

У Вас начался ранний атеросклероз и искусственные клетки начинают чистить механическим и химическими путями Ваши сосуды.

А потом у Вас...

Началась, из-за дефекта в цепочке ДНК, самая обыкновенная генетическая болезнь - Вы начали... быстро стареть! Тут действует система посложнее - компьютеры, расположенные у Вас в организме начинают анализ информации. Почему Вы стареете? И, если не могут разрешить этого вопроса с помощью своих баз данных и алгоритмов запрашивают Центральный Медицинский компьютер где-то под землей или на ближайшем спутнике. Как только найдена "поломка" в Вашей ДНК и выделен белок, ответственный за старение, начинается глобальная операция - тысячи ДНК-ремонтеров, протягивая Вашу ДНК через свои анализаторы вырезают "ген старения". И старение коснется лишь 2-3 поколений клеток. Не нужно при этом говорить, что совместно с этим происходит полное обновление всех клеток Вашего организма, а Вы всегда выглядите на 20-30 лет.

Так из оборонительной, медицина станет наступательной и даже упреждающей.

Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операций на органах мы перейдём к операциям на молекулах и станем практически бессмертными. Крионированные найдут свое воскрешение – миллионы роботов смогут восстановить разрушенные в процессе замораживания клетки (см. рис. 1).

рис. 1. Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс.

Теперь подробнее о нанороботах – основной лечащей силе наномедицины. Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из наночастей. Эти части будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м), и будут должны составлять работоспособную машину, размерами около 0.5-3 мкм (1 мкм = 10-6 м) в диаметре. Три микрона – максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы.

Очень простой наноробот, которого разработал Роберт Фрайтас несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная «респироцитом». Размер респироцита – 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18 биллионов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма (см. рис. 2, 3).

Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O2) и молекул диоксида углерода (CO2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами (E. Drexler, «Nanosystems», стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O2 выше, чем CO2, поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO2 относительно высокое, а парциальное давление O2 низкое, то роторы будут нагнетать CO2, выпуская O2.

Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки – 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см3 крови пациента (то есть ее всю)!

рис. 3. Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.

Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении.

Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

Описанное «простое» устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.

Пару слов о репликации (самовоспроизводстве) медицинских наноустройств. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации invivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.

Когда планы и мечты воплотятся в жизнь?

По-видимому тогда, когда будет создан первый наноманипулятор, полностью управляемый человеком или программируемый компьютером. Пока его создание планируется на 2050 год. Потом на базе наноманипулятора, и уже готового к тому времени нанокомпьютера, можно будет сделать первый наноробот, способный собирать любые вещи. Но первым объектом, который он произведет, будет он сам! Затем эти двое снова скопируют себя, и так далее до тех пор, пока мы не получим достаточное количество нанороботов для создания нами всего задуманного, вообще всего, что не противоречит законам природы. Итак, середина нашего века - время, до которого нам необходимо дожить! Тогда станет возможным почти всё, на что только способно человеческое воображение. Тогда главной проблемой будет понять то, чего же мы на самом деле хотим от человеческой жизни.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Задачи наномедицины

Робокровь

Классификация нанороботов

Медицинский наноробот

Принцип работы наноробота

Заключение

Существует поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до последнего времени никто не относился серьезно к исследованиям этого мира.

Р. Фейнман

Вступление

Упорядоченные одним образом, атомы составляют деревья и свежий воздух, а упорядоченные другим образом - золу и дым. Как уголь и алмаз, так и здоровая и раковая ткань состоит из одних и тех же атомов, но именно вариации в упорядочении атомов ведет к таким серьезным отличиям.

Рассматривая отдельный атом как «кирпичик», можно сконструировать любую молекулу и любой материал с заранее известными свойствами. Вся проблема состоит в том, чтобы найти практические способы конструирования того или иного объекта. Решение этой проблемы ищут ученые, которых называют нанотехнологи. Существует два подхода к решению этой задачи: биохимический и технический. Первый основан на химической обработке объектов - биомолекул или клеток - для придания им нужных свойств. Такой подход является относительно простым и дешевым поэтому получил распространение. Технический подход основан на создании объектов, размеров порядка сотен нанометров, которые, собственно, и будут проводить всю диагностику или лечение, представляя врачу только конечный результат деятельности. Такие объекты получили в литературе название нанороботы или наноботы. Такой подход намного более сложный, но и более перспективный, именно техническому подходу решения задач медицины на клеточном уровне посвящена данная работа.

Задачи наномедицины

Среди основных перспектив применения нанотехнологий в медицине выделяют следующие направления:

1) Биологические чипы, помогающие проводить диагностику соматических и инфекционных заболеваний, в том числе видовую идентификацию возбудителей особо опасных инфекций и токсинов.

2) Наночастицы, использующиеся как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры для адресной доставки медикаментов.

3) Медицинские приборы, устраняющие дефекты в организме больного путем управляемых хирургических вмешательств на клеточном уровне.

4) Протезирование искусственно созданными органами

Робокровь

Наша кровь - это уникальная система обеспечения жизнедеятельности клеток и тканей, состоящая из множества различных клеток, выполняющих строго определенные функции. От ее состояния напрямую зависит жизнеспособность человека. Именно поэтому над улучшением этой системы сейчас работают лучшие ученые ведущих стран мира. Одним из самых необычных и в тоже время вполне реализуемых предложений в этой области является т.н. «робокровь».

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Также неожиданно обычный разговор на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса (Robert A. Freitas) - автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» - на мысль о создании специальных медицинских нанороботов.

14 июня 1996 года Крис Феникa (Chris Fenik) - автор идеи конвергентной нано-фабрики, оставил на форуме сообщение: “А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился стостраничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы. “Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней.

Классификация нанороботов

Несмотря на то, что создание медицинских нанороботов находится только в проектной стадии уже существует их классификация на респирациты, клоттнциты, нанороботы-фагоциты и васкулоиды.

Респирациты - это аналоги эритроцитов, осуществляющие транспорт газов в организме, однако более функциональны и легче контролируемы. Они смогут накапливать в несколько раз больше кислорода при значительно меньших размерах и энергопотреблении. Благодаря респироцитам человек сможет часами обходиться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить больше кислорода, для респироцитов характерны также возможность перепрограммирования, долговечность и высокое быстродействие. Их внедрение может помочь людям с астматическими заболеваниями, а также позволит длительное время обходиться без кислорода и, возможно, решить проблему кессонной «болезни», что очень важно для промышленных водолазов.

Нанороботы-фагоциты - представляют собой искусственные иммунные клетки, способные частично или полностью взять на себя функцию защиты организма от вредоносных микроорганизмов и вирусов, а также для поиска раковых клеток. Также предполагается, что задачей нанороботов будет поиск радикалов и переработка их в нейтральные соединения, что может существенно уменьшить последствия радиационного поражения организма.

Клоттоциты - являются искусственными аналогами тромбоцитов. Задачей клоттоцитов является остановка внешних и внутренних кровотечений за минимальное время. Для этого клоттоциды будут доставлять к местам кровотечения нетоксичную полимерную сеть.

Васкулоид (от лат. vas- сосуд и греч. oidos - подобный) - своеобразный механический протез, частично или полностью заменяющий функции кровеносной системы. Васкулоид также будет выполнять функции информирования и «энергетической подпитки» для нанороботов, а возможно, и автоматически поддерживать их оптимальный уровень.

Медицинский наноробот

Как устроены медицинские нанороботы? Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработанные чертежи разных нанороботов. Далее будет рассмотрено описание устройства основных систем медицинского наноробота, предложенного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Для нормального функционирования и возможности диагностирования и лечения наноробот должен обладать:

1) мощной двигательной системой для того, чтобы направленно перемещаться по кровеносной системе человека.

2) несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации

3) нанороботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от контейнера к наноманипуляторам.

4) для работы с пораженными структурами устройство должно быть оборудовано набором различных телескопических наноманипуляторов.

5) приемо-передающие устройства, позволяющие нанороботам связываться друг с другом а врачу, в случае необходимости, корректировать методику лечения.

6) генератор и источников энергии.

На основании выдвинутых требований Юрий Свидененко построил модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды, производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой, уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках 1-2 представлен предполагаемый вид такого наноробота. Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, углерода. Поэтому можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биологическую активность и внешняя оболочка роботов будет химически инертна.

Рис. 1 Наноробот обрабатывает поврежденную клетку в представлении художника

На рисунке 1 изображен наноробот, ремонтирующий клетку in vivo. “Отработав”, нанороботы покинут тело обычным биологическим путем, а часть из них может остаться в организме на постоянное “дежурство”.

Предполагается, что типичный медицинский наноробот должен обладать размерами от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, что позволит беспрепятственно двигаться по капиллярам. Конструкция наноботов еще не разработана и находится на стадии проектирования. Их порядок использования, время работы и механизмы ввода и вывода из организма будут зависеть от поставленной врачом цели. Проблема совместимости с организмом хозяина может решится путем подбора нетоксичных материалов и размеров наноробота. В качестве основных источников питания робота предполагается или использовать запасы глюкозы в теле человека или его электромагнитное поле. Такой робот может быль использован для локальной или даже комплексной диагностики и проведения лечения.

Диагностика таким способом предполагает:

1) Целевую доставку наноробота к исследуемому объекту, к которому трудно подобраться другом образом (например к гипоталамусу в головном мозге)

2) Проведение исследования на предмет наличия или концентрации интересующих веществ, молекул, и т.д.

3) Вывод робота из организма исследуемого с последующей передачей им накопленных данных в компьютер врача.

Лечение будет заключаться в следующем:

1) Введение и целевая доставка робота к исследуемому органу

2) Непосредственная деятельность робота над необходимым участком (введение лекарственных препаратов или других химических веществ).

3) Выведение нанороботов из организма пациента или их распад до нейтральных молекул.

Если повреждение слишком велико, наноробот должен будет проникнуть внутрь клетки (например, с помощью телескопических манипуляторов) и выпустить из своих “запасов” ферменты, запускающие механизм клеточного апоптоза. Если же повреждение клетки может быть устранимо - нанороботы делают инъекцию других ферментов, которые должны способствовать восстановлению гомеостаза клетки и ее возвращению к нормальной работе. Такие ферменты уже известны, но нужно создать механизм точечной доставки в интересующий объект.

Принцип работы наноробота

Общеизвестно, что необработанная ссадина опасна не столько потерей крови, сколько риском получить заражение. В кровь постоянно попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, во время хирургических операций, и т.д.. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме лейкоцитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоцитозу (захвату и перевариванию чужеродных белков), продукции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной инфекции). Однако если количество болезнетворных бактерий велико то человек заболевает. В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно небольшой концентрации, был бы весьма желательным помощником для человеческой иммунной системы. Таких нанороботов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками (см. рис. 2). Как работает микрофагоцит?

Рис 2. Медицинский наноробот общего применения

Рассмотрим конструкцию отдельных подсистем наноробота (см. рис. 3). Каким образом нанороботы будут взаимодействовать между собой? Возможно так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, находящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные огни” для того, чтобы обратиться к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из межклеточного пространства некоторых молекул (например, гормонов).

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов - коммуноцитов, которые будут работать в виде ретранслирующих станций.

Рис. 3 Функциональные схемы наноробота Свидененко

А - Основные блоки медицинского наноробота, Б - Двигательная подсистема и подсистема заякоривания, В - Сенсорная и обрабатывающая подсистема, Г - Транспортная подсистема

Для анализа поступающей то сенсоров информации, а также для хранения программы работ необходимо использовать наноробота можно будет использовать высокопроизводительный нанокомпьютер.

Остается главный вопрос: как робот будет уничтожать болезнетворные бактерии? В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, благодаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее телескопические наноманипуляторы выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспортируют бактерию к специальному резервуару, находящемуся внутри робота. После интенсивного механического перемалывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest _ переваривать) резервуар, где они «перевариваются» с помощью комплекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасываются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд после чего нанобот отправляется искать новую «жертву».

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически активных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов.

Заключение

В заключение следует напомнить, что описанные наномедицинские проекты - пока что не более чем теория, нуждающаяся в детальном анализе, и для создания подобных медицинских нанороботов, по прогнозам самих ученых, потребуется еще как минимум 30-40 лет.

наноробот наномедицина

Список использованной литературы

1. Эттинджер Р. Перспективы бессмертия. - Мичиган, Оак Парк, 2002. - 152с.

2. Дрекслер Э. Машины созидания. - Калифорния. - 1996. - 183с..

3. Asirnov, I. The Chemicals of Life. - New York: New American Library, 1954.

4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат.

Ленингр. Отделение. - 1986.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы Датчики и системы. - 2001. - № 3. - С. 46-50.

6. Константинов А.В. Нанотехнологии в медицине Наука и Техника. - 2010. №3. - с. 75-79

7. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

8. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. - М.: Мир, 1992.

9. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

10. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков Датчики и системы, 2000. - № 5. - С. 2-3.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные области применения нанотехнологий. Нанороботы в медицине. Транспортные свойства наночастиц. Целевая доставка лекарства в клетку. "Золотой" полимер как потенциальный носитель лекарственных препаратов. Многоуровневая система доставки препаратов.

презентация , добавлен 20.03.2014


Понятие нанотехнологии как совокупности методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства продуктов с заданной атомной структурой. Основные области и направления применения нанотехнологий в медицине.

презентация , добавлен 12.03.2015


Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009


Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.

реферат , добавлен 12.01.2011


Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

реферат , добавлен 08.03.2011


Основные требования к содержанию медицинских документов и записей. Тонкости соблюдения врачебной тайны. Сведения, подлежащие огласке. Юридические аспекты смерти и умирания. Взаимодействие отделения неотложной помощи с медицинским персоналом стационара.

реферат , добавлен 18.06.2009


Требования к размещению стоматологических медицинских организаций, внутренней отделке помещений, оборудованию, отоплению, вентиляции, естественному и искусственному освещению. Обеспечение радиационной безопасности при размещении рентгеновских аппаратов.

реферат , добавлен 06.05.2017


История криоцервации и витрификации, физическое обоснование данных процессов, их основные этапы и значение. История формирования и развития принципов проведения криоцервации и витрификации, обоснование и условия их применения в современной медицине.

контрольная работа , добавлен 12.12.2014


Рассмотрение основ применения медицинских перчаток, защитных масок и очков медицинским персоналом. Инфицирование вирусной инфекцией через стоматологическую установку. Принцип работы пассивных и активных систем дезинфекции в стоматологической клинике.

презентация , добавлен 04.05.2015


Змеиный яд, его физические и химические свойства, особенности применения в медицине. Получение пантов из пятнистого оленя. Основные свойства мускуса и амбры, специфика и сферы его применения. Использование пиявок и бодяги в медицине и косметологии.

Нанотехнологии постепенно проникают в самые разные сферы человеческой деятельности. Еще 50 лет назад диод или триод представлял собой стеклянную колбу с металлическими катодами и анодами внутри. Теперь же тысячи транзисторов, резисторов и диодов располагаются в одной крохотной микросхеме.

Применение нанотехнологий в медицине шагнуло еще дальше: в этой отрасли создаются роботы для работы с клетками организма. Обусловлен такой прорыв тем, что данная наука постоянно имеет дело с наночастицами. Например, пептид составляет в диаметре 1 нм. А белок может быть от 10 до 100 нм. Спираль ДНК не превышает в своем сечении 100 нм и так далее. То есть использование нанотехнологий в медицине началось с измерений клеток и более мелких организмов. Теперь пришел черед создавать искусственные механизмы для диагностики и лечения самых тяжелых заболеваний. Примеры нанотехнологий в медицине будут рассмотрены далее.

Элементарная наночастица

На самом деле нанороботы в медицине начинали свою эру с элементарной наночастицы. Ее применяют в диагностике заболеваний до сих пор. Она представляет собой магнитную наночастицу с ядром из оксида железа.

Обычного железа в организме много, оно широко применяется для строительства костной ткани и производства эритроцитов. Но вот магнитных частиц в организме человека нет. Именно поэтому магнитные ферриты сразу же распознаются микрофагами, которые призваны бороться с инородными телами. Пока микрофаги держатся за магнит, они намагничиваются сами, но так как они не могут его переварить, то постепенно от него отваливаются и продолжают свою обычную работу.

Если в организме имеет место воспаление или растет опухоль, то микрофаги, помеченные магнитным полем, отправляются к месту «сражения». Там их и можно увидеть с помощью томографа. Когда врач наблюдает большое скопление микрофагов в каком-либо органе человека, то делается вывод о происходящих в нем воспалительных процессах.

Для диагностики онкологических заболеваний, а именно точного нахождения мутировавших клеток во всем организме, используется наноточка. Это объект величиной с атом, который способен прикрепляться к пораженной клетке, позволяя видеть ее на экранах томографа.

Технические требования к нанороботам в медицине

Нанотехнологии будущего в медицине напрямую зависят от того, какие требования предъявляются к ним и насколько точно они будут соблюдены при создании этих механизмов. Это своеобразное техническое задание для создателей медицинских роботов:

• Во-первых, у наноробота должна быть система навигации, так как кровеносная система человека, по которой он будет передвигаться - невероятно сложная сеть крупных и мелких сосудов.
• Во-вторых, он должен быть снабжен рядом сенсоров для определения среды, в которой окажется.
• В-третьих, у устройства должна быть возможность для перемещения атомов и клеток от их места локации. Также эта функция понадобится, чтобы вернуть клетку.
• В-четвертых, нанороботы в медицине должны работать. Для этого им необходимы манипуляторы, желательно изменяющие свою длину.
• В-пятых, наноробот должен быть изготовлен из алмаза или сапфира: самого крепкого на земле вещества. Иначе он очень быстро разрушится из-за несовместимости с биохимией человеческого организма.
• В-шестых, у роботов должны быть средства коммуникации с другими подобными устройствами.
• В-седьмых, наноробот должен уметь самостоятельно передвигаться в организме, не завися от кровотока. Для решения этого вопроса предполагается производить жгутиковый двигатель, на примере того устройства, с помощью которого передвигаются, например, лямблии.

Какие работы должен выполнять наноробот

Какие бы параметры нанотехнологии в медицине не представляли, устройства должны уметь выполнять ряд обязательных функций:

1. Осуществлять ремонт клеток на атомном уровне.
2. Оказывать лечебное действие на раковые клетки.
3. Составлять карты кровеносных сосудов.
4. Анализировать ДНК и уметь производить анализ измерений.
5. Бороться с вирусами и бактериями.

Это далеко не полный список требований к нанороботам в медицине, но эти задачи устройство должно выполнять обязательно.

Как решаются технические задания

Для того чтобы лейкоциты и антитела не принимали нанороботов за агрессивный и опасный организм, он должен быть не более 1 микрона в поперечнике. Для этой же цели корпус наноробота должен быть покрыть алмазной пылью толщиной в 1 атом. От этого он станет не только крепким, но и гладким. Более того, такой корпус полностью защищен от химического воздействия любого вещества.

Для работы внутри клетки роботу совсем необязательно в нее проникать целиком, более того, он может в этом случае ее просто разрушить. Именно поэтому у устройства должны быть телескопические манипуляторы, достаточной длины для проникновения во внутриклеточное пространство.

Осуществлять связь и управление нанороботами можно с помощью других механизмов: коммунноцитов, работающих в паре с основным устройством.

Отдельно решаются задачи по изготовлению двигателя для наноробота. Например, предлагается использовать энергию АТФ. Уникальность данного вещества заключается в переходе из энергии химичкой связи в механическую, минуя этап перехода энергии в тепло. То есть такой двигатель будет работать с коэффициентом полезного действия более 90%. Создать такое устройство в обычном мире механизмов пока не удалось никому.

А проблема доставки лекарств с помощью нанороботов решается на основе актиновых нитей внутри клеток. Например, миозин, способный передвигаться по этим нитям, может прикрепляться к нанороботу и представлять собой некий контейнер для перевозки необходимых веществ.

Где собираются нанороботы

Сегодня фото нанотехнологий в медицине можно увидеть только на экспериментальных стендах. Причем не реально построенные механизмы, а прототипы, созданные в виртуальной реальности.

То есть реально существующих механизмов пока нет, а если и есть, то они только проходят испытания и находятся на стадии разработки. Результаты таких испытаний, а тем более технологии их производства, являются секретной информацией производителей.

Именно поэтому медицинских нанороботов можно встретить только на выставках и презентациях.

Меры предосторожности

Как и в создании любого медицинского препарата, соблюдается основной врачебный принцип - не навреди. Ведь все врачи дают клятву Гиппократа, где это подчеркивается особенно. Именно поэтому применения нанороботов, начнется не только после испытания самих устройств, но и после расчета безопасного количества вводимых механизмов. Ведь известно, что микрочастицы способны влиять на распад белков, а это, в свою очередь, вызывает различные патологии.

Другими словами, нанороботы, проходят те же испытания, что и обычные медицинские препараты.

Современной наукой учитываются все плюсы и минусы нанотехнологий в медицине.

Кто занимается построением нанороботов

Невозможно построение новейшей концепции в медицине без привлечения специалистов из других сфер науки. Поэтому разработкой нанороботов занимаются не только медики, знающие устройство каждой молекулы в организме человека, но и физики, химики, математики и другие специалисты.

Ведь для создания наноробота, нужно учитывать законы неорганической химии и физики, а чтобы интегрировать его в тело человека нужно быть биологом. Таких широкопрофильных специалистов просто не существует, вот и занимаются построением данных устройств самые разные институты.

Заключение

В целом наноробот не представляет для медицинской науки совсем уж концептуально новый механизм. Он строится на основе поведения клеток, атомов и других микрообъектов в организме человека. Именно это и позволит легко его использовать и управлять им. Это просто механическая клетка, сделанная в помощь человеку. Такое отношение к нанороботам позволит начать их создание и широко применять уже в ближайшее десятилетие. И тогда человечество, наконец-то, справится с неизлечимыми до сих пор заболеваниями.