Крошечные нанороботы и транспортные средства, которые могут перемещаться по кровеносным сосудам, чтобы добраться до места заболевания, могут быть использованы для доставки лекарств к опухолям, которые иначе трудно лечить.

После инъекции или проглатывания большинство лекарств полагаются на движение жидкостей организма, чтобы найти свой путь по телу. Это означает, что некоторые виды заболеваний трудно эффективно лечить таким способом.

Один агрессивный тип опухоли головного мозга, известный как глиобластома, например , убивает сотни тысяч людей в год. Но из-за того, что он образует пальцевидные выступы в мозговой ткани пациента, которые повреждают кровеносные сосуды вокруг них, лекарствам трудно достичь места опухоли.

«Если вы введете частицы в тело, они последуют за кровью», — сказал профессор Даниэль Ахмед, который в настоящее время возглавляет лабораторию систем акустической робототехники в ETH Zurich в Швейцарии.

Вместо этого ученые обращаются к наноустройствам — крошечным роботам и транспортным средствам — для контролируемой доставки лекарств по телу. Но сначала им нужно понять, как ими управлять.

Наночастицы «в 10 раз меньше эритроцитов, и если вы используете пассивные частицы, их невозможно контролировать», — говорит профессор Ахмед.

Чтобы преодолеть это, он и его коллеги по проекту SONOBOTS используют ультразвук для управления наноустройствами, содержащими лекарства от рака. Ультразвуковая технология обычно используется врачами в медицинской визуализации из-за того, как высокочастотные звуковые волны отражаются от различных частей тела, что может быть использовано для создания изображения.

Однако профессор Ахмед и его коллеги-ученые показали, что они могут управлять воздушным пузырем, заключенным в полимерную оболочку, и визуализирующим химическим веществом, позволяющим его увидеть, с помощью ультразвука. Они называют эти крошечные транспортные средства нанопловцами из-за их способности двигаться вперед в жидкости. Звуковые волны толкают скопления этих нанопловцов к стенкам сосудов. Эта сила, однако, недостаточно сильна, чтобы повлиять на движение эритроцитов в крови. Профессор Ахмед говорит, что его вдохновило то, как сперматозоиды путешествуют: они прилипают к неподвижным стенкам влагалища и используют их, чтобы направлять свое движение вперед. «Мы перемещаем (нанопловцов) к стене и манипулируем ими», — сказал он. Это облегчает направление нанопловцов в правильном направлении через кровеносный сосуд, поскольку они могут следовать за стенками.

Наниты

Эта способность точно контролировать нанопловцов необходима, если ученые хотят, чтобы их нанотранспортеры, несущие лекарства , достигали глиобластом, что и является конечной целью. Негерметичные кровеносные сосуды вокруг этих опухолей означают, что нанопловцы должны будут осторожно перемещаться к раковым клеткам. Но оказавшись там, исследователи могут акустически встряхнуть пловца, чтобы он высвободил свое лекарство в опухоль.

До сих пор ученым удавалось манипулировать и отслеживать своих нанопловцов в эмбрионах рыбок данио, но профессор Ахмед сказал, что они очень хотят испытать свою технологию на мышах. «У рыбок данио крошечный мозг, но их гематоэнцефалический барьер еще не сформировался. Нам нужно перейти к мышам, чтобы понять негерметичную сосудистую систему».

По словам профессора Ахмеда, хотя существует множество движущих сил, таких как химические вещества, магнитные поля или свет, которые можно использовать для управления нанотранспортными средствами с лекарствами, ультразвук привлекателен по ряду причин. Ультразвуковые волны могут проникать глубоко в тело, но было доказано, что они безопасны. Например, он обычно используется для определения сердцебиения плода у беременных женщин. Эта технология также относительно недорога и ее можно найти в большинстве больниц и клиник.

Точная доставка лекарств в определенные места в организме может помочь в борьбе с другими распространенными, но смертельными заболеваниями.

Профессор Сальвадор Пане и профессор Хосеп Пуигмарти-Луис, исследователи проекта ANGIE , надеются, что адресная доставка лекарств позволит врачам более эффективно лечить большее число пациентов с инсультом. Ишемические инсульты, возникающие, когда тромбы перекрывают кровоток в головном мозге, являются основной причиной смерти в Европейском союзе: ежегодно от инсультов страдает более 1,1 миллиона человек.

Доставка лекарств в кровь

Ведущей формой лечения пациентов, поступающих в больницу после инсульта, являются препараты для разрушения тромбов, но они вводятся в виде инъекций и перемещаются по всему телу, прежде чем достичь головного мозга. Эти препараты также имеют много побочных эффектов , начиная от тошноты и низкого артериального давления и заканчивая кровоизлиянием в мозг, и не всем по силам их принимать.

Если бы лечение было направлено на то место в вене или артерии, где образовался тромб, его можно было бы удалить гораздо эффективнее.

«Если мы сконцентрируем необходимое количество на тромбе, мы резко уменьшим эти побочные эффекты и сможем лечить больше пациентов и уменьшить побочные эффекты», — сказал профессор Пане, содиректор Лаборатории многомасштабной робототехники в ETH. Цюрих и глава его химической лаборатории.

В ANGIE исследователи создают крошечных нанороботов, которые могут делать именно это и доставлять лекарство прямо в тромб.

В отличие от нанороботов в SONOBOT, наниты, разрабатываемые в рамках ANGIE, более сложны с точки зрения того, как ими можно управлять.

«Обычные механизмы плавания не работают в наномасштабе — если вы попытаетесь выполнить кроль (плавательный гребок) и реализовать его в наномасштабе, это не сработает», — сказал он. Чтобы преодолеть это, команда использует магнитные поля для управления наноразмерными структурами, которые содержат магнитные частицы или пленки.

Профессор Пане сравнил их с роботизированной рукой на промышленной сборочной линии. В то время как промышленные роботы используют управляемую компьютером руку для перемещения захвата на конце, в случае с нанороботами ANGIE «рука» представляет собой магнитное поле , которое перемещает магнитных нанороботов. Нанороботы сделаны из биоразлагаемых крошечных полимерных композитных структур на основе железа. Изменение формы и состава этих структур может изменить то, как они контролируются.

Когда наноробот достигает своей цели — тромба в мозгу в случае пациентов с инсультом — он взаимодействует с тромбом, чтобы доставить лекарство. По словам исследователей, в целом ANGIE можно считать роботизированной системой из-за уровня контроля, который позволяет магнитное поле.

Роботы

«Они действительно роботы — вы можете управлять ими, ускорять, останавливать, перемещать их во всех трех направлениях», — сказал профессор Пуигмарти-Луис, химик из Барселонского университета в Испании. В принципе, они могут катиться, штопором и кувыркаться.

Несмотря на то, что исследовательская группа ANGIE работает первый год, в настоящее время разрабатывает электромагнитную систему, которая включает в себя нанороботов и инфраструктуру, необходимую для управления этими устройствами. По словам профессора Пуигмарти-Луиса, чтобы подтвердить, что их технология работает, они напечатают на 3D-принтере сосудистую систему человека на основе реальных данных и составят карту оптимального пути, по которому их нанороботы будут достигать тромба.

Но в случае успеха использование таких нанороботов для доставки лекарств в сгустки крови у пациентов с инсультом, например, может быть достигнуто с помощью существующего оборудования во многих крупных больницах. «Магнитные поля уже используются в больницах для магнитно-резонансной томографии», — добавил профессор Пане.

По словам профессора Пане, хотя их текущая цель — найти сгустки крови, вызывающие инсульт, технология может быть применена и ко многим другим заболеваниям. Но им нужно показать, что их технология работает, прежде чем они смогут опробовать ее на людях.

Наноустройства предлагают многообещающий способ целенаправленного лечения заболеваний, и то, что, по мнению профессора Ахмеда из SONOBOTS, станет реальностью в недалеком будущем.

«Изначально, когда мы говорили с врачами об идеях, они думали, что это слишком научная фантастика», но по мере роста данных исследования они приходят в норму, сказал он.