Блог Олега Сарычева

В фильме «Фантастическое путешествие», снятого в 1966 году ученые из американской лаборатории уменьшают подводную лодку «Протей» до микроскопических размеров и вводят её в вену больного ученого. Увлекаемая кровотоком, подводная лодка достигает мозга учёного, где выполняется тончайшая операция при помощи лазерной пушки. С нашей точки зрения (в 21-м веке), сюжет уже не кажется фантастическим. Благодаря развитию микромеханических систем, разработчики минимизируют размеры и совершенствуют возможности медицинских микросистем, позволяя им перемещаться внутри человеческого тела, практически не травмируя окружающие ткани.

Порядка 10-ти лет назад появилось множество причудливых проектов микророботов. Например, микророботы, использующие в качестве двигателя и движителя сперматозоиды или подвижные бактерии. Или похожие на морскую звезду микрозахваты, которые закрывают свои «щупальца», если их подогреть электрическим током, управляемые внешним магнитным полем магнитные микросферы, заполненные лекарствами, микродвигатели, приводимые в действие желудочным соком, «микроракушки», которые передвигаются, хлопая своими микростворками.

Многие из этих устройств все еще находятся на стадии лабораторных исследований. Другие уже тестируются на животных. И некоторые инженеры уверены, что крошечные медицинские микророботы будут скоро в массовом количестве использоваться в медицине. Исследователи считают, что микроробот (или их «рой») смогут доставить точно назначенную дозу лекарств или радиоактивных частиц в клетки-мишени, удалить из сосуда тромб, сделать биопсию ткани, или даже построить «каркас», на которых будут расти новые клетки. Эти полезные функции смогли бы расширить две современных тенденции в медицине: более раннее диагностировать болезни и более точное планирования методов лечения.

При реализации многих проектов медицинских микророботов придётся преодолеть ряд сложных технических проблем. В микроскопических масштабах, почти каждый аспект действий микророботов должен будет заново обдумываться. Самое сложное – обеспечить микроробота энергией. Миниатюризация «не одобряет» традиционную химическую батарейку. При размере устройства менее 1 мм, мощность традиционной батареи резко падает.

Альтернатива – беспроводная передача энергии радиоволнами при помощи передатчика, расположенного снаружи тела. Но этот подход также становится трудным в микромасштабах. Чтобы получить энергию, микророботу нужна антенна. И антенна не может быть слишком маленькой, если нужно собрать «приличное» (в микромасштабах) количество энергии. Учитывая эти ограничения, разработчики смотрят на новые способы получения энергии, и, в особенности, на способы создания микротяги. Один вариант – это мельчайшие химические ракеты: объекты, которые могут реагировать с веществами в теле (например, с кислотой желудочного сока), чтобы перемещаться. Другой вариант – это «биогибриды», в которых «запрягаются» бактерии, чтобы двигаться в нужном направлении и, возможно, даже преследовать цель, чувствуя градиент концентрации конкретных молекул.

А в некоторых случаях можно даже обойтись без источника энергии, используя «умные вещества». Разработаны микрозахваты, похожие на морскую звезду, размером менее 500 микрометров. Они могут быть сделаны из материалов, которые отвечают на факторы окружающей среды, такие как температура, кислотность, и даже на определённые ферменты. Например, «щупальца» захвата чувствительного к температуре закроются, выполняя миниатюрную биопсию, когда будут нагреты до более высокой температуры. Что можно сделать извне, например, при помощи СВЧ электрического поля.

Подобные захваты могли бы обеспечить менее травматичный способ диагностики рака толстой кишки у пациентов с хроническими воспалительными заболеваниями кишечника. Чтобы получить достоверные данные, сейчас приходится брать десятки образцов слизистой толстой кишки обычными биопсионными щипцами. Вместо этого, можно ввести в толстую кишку при помощи зонда сотни или тысячи микрозахватов. И затем извлекать их, например, при помощи магнита.  

Условия работы в человеческом теле также накладывают на конструкцию микроробота дополнительные ограничения: Необходимо отслеживать, где находится микроробот, удостовериться, что это не опасно. И, в идеале, робот, выполнив свою миссию должен безопасно самоуничтожиться или самостоятельно покинуть организм. В этом плане, желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) – довольно удобное место, чтобы работать внутри человеческого тела. Он относительно широкий и легко доступный извне. ЖКТ автоматически направляет объекты через тело в нужном направлении и обеспечивает удаление небольших объектов естественным образом. Поэтому, практическое использование микророботов началось с проведения исследования желудочно-кишечного тракта. Уже используются автономные микроминиатюрные устройства, которые выполняют свои функции внутри человеческого тела без механической связи с внешней средой. Например, существуют работающие от аккумулятора устройства размером с большую таблетку (которую, правда, не очень легко проглотить). Когда такая таблетка проходят сквозь желудочно-кишечный тракт, она делают видео или цифровые фотографии пищевода, желудка кишечника. А В 2012 г. американское Управление по контролю за продуктами и лекарствами дало «зеленый свет» на использование намного меньшей по размеру легко проглатываемой капсулы, включающей в себя микрочип, размерами порядка 1 мм х1 мм. Эта капсула называется Протей (Proteus).

Разработчики капсулы хвастаются: «Это, наверное, самый маленький компьютер в мире, хотя его возможности как компьютера ограничены. Чип не имеет ни антенны, ни источника питания. Вместо этого, он содержит два электрогальванических материала. Когда капсула, окружающих чип растворяется в желудочном соке, эти материалы вырабатывают электроэнергию (использование бесплатных ресурсов из надсистемы). В течение 5 или 10 минут, чип имеет достаточно энергии, чтобы передать наружу свой уникальный идентификационный код, который может быть принят при помощи внешнего кожного пластыря.

Конечно, этот чип можно назвать микророботом условно. Однако он помогает пациентам следить за потреблением лекарств. И помогает фармацевтическим компаниям при клинических испытаниях контролировать: насколько точно добровольцы следуют режиму, приёма препарата.

Олег Сарычев