Како наноботи убрзавају терапије које циљају рак

Жива свиња у машини за магнетну резонанцу (МРИ) била је уобичајен призор за Силвена Мартела, истраживача нанороботике на Политехници Монтреал у Канади, када је једне вечери 2017. ушао у одељење за снимање. До тада су Мартел и његове колеге провели више од једне деценије у рату које су животиње могле да користе роботске машине за прераду. магнетизам. Нада је била да би такви нанороботи једног дана могли бити транспортно средство за лекове против рака. Те вечери, група је истраживала ефекат гравитације, тестирајући да ли промена позиционирања свиње у машини може помоћи наноботима да се крећу кроз многе разгранате артерије до јетре.

У центру пажње: Роботика

Док је тим посматрао екран, роботи су се постепено померали ка јетри, скупљајући се тамо као светао, треперави облак. У поређењу са претходним испитивањима, у којима су свиње лежале равно на леђима, стављање у МРИ под благим углом надоле изазвало је скоро троструко повећање броја робота који су стигли на своје одредиште. Мартел каже да иако је успешан експеримент само наговестио више посла, ипак се осећао као кулминација година покушаја и грешака.

„Свих ових година, марљиво смо показивали различите кораке процеса. Рафинирали смо технологију, показали смо да роботи могу да носе и дају дроге, а сада смо показали да можемо ефикасно да их померамо на растојања на нивоу човека“, каже он. Долазак до ове фазе „трајао је дуго, али такође се чини да би следећи кораци требали ићи много брже“.

Рад Мартела и његових колега довео је научнике ближе примени нанороботичке технологије код људи – праг који би, када би се прешао, једног дана могао да револуционише дијагностику, праћење и лечење многих карцинома. Истраживања у каснијој фази на животињским моделима су показала како нанороботи могу помоћи клиничарима у биопсијама и операцијама, служити као скрининг агенса за рак које је тешко открити, изгладњивати туморе кисеоника и испоручити лекове и вакцине за убијање рака. Рак је, посебно, поље зрело за иновације нанороботике.

Позајмљивање из природе

Нанороботи су лабаво дефинисани својом величином — обично мањом од 100 нанометара — и њиховом способношћу за усмерено или аутономно кретање. Овај покрет их разликује од технологија као што су наноносиоци, који могу да транспортују молекуларни терет, али то раде пасивно. Чак и мало већи микророботи, величине око 1 милиметра, често се ослањају на нанотехнологију, на пример у својим моторима, или искоришћавају физичке појаве које се дешавају на наноразмери. Стога, истраживачи често стављају ово двоје у комбиновани термин микро-нанороботи (МНР).

Рудиментарне верзије ових робота појавиле су се 1990-их, нудећи доказ концепта да би истраживачи заиста могли да креирају роботе у микроразмери. Отприлике две деценије касније, први МНР је ушао у истраживање рака, када је тим у Јужној Кореји развио „бактериобота“ способног да открије чврсте туморе тако што се убацује у хемијске градијенте које испуштају ћелије рака.¹. МНР се често деле у две категорије, неорганске и органске, на основу материјала који се користе за њихову израду. Неоргански роботи могу укључивати метале као што су сребро, злато или гвожђе, а органски роботи се често граде помоћу скела од ДНК или протеина. Оба типа се могу манипулисати употребом сила као што су магнетизам, светлост и акустика или хемијским и каталитичким реакцијама које их покрећу ка свом одредишту.

Бјорн Хогберг, биофизичар са Института Каролинска у Стокхолму, каже да су методе за прављење наноробота временом усавршаване, посебно производња њихових компоненти. Хогберг каже да се велики део његовог рада фокусира на технику звану ДНК оригами, у којој научници ДНК третирају „не као генетски материјал, већ као грађевински материјал“ који је способан да изгради замршене 2Д и 3Д структуре. „Сада постоји много паметних примера коришћења оригамија за прикривање ствари као што су лиганди или лекови који циљају тумор, где излаже свој терет на правом месту и у право време“, каже он.

Роботи демонстрирају принципе колективне интелигенције

Истраживачи све више стварају оно што је познато као биохибридни роботи, који уносе синтетичке елементе у биолошке ентитете као што су бактерије, алге и сперма. Научници су брзо схватили да је природа већ дизајнирала многе карактеристике које чине успешан наноробот – укључујући бичеве за покрете и сензоре за откривање нагиба. „Бактерија већ има мотор, са свим компонентама које бисмо препознали“, каже Мартин Пумера, истраживач нанороботике на Централноевропском институту за технологију у Чешкој. „Оно што сада тежимо је идеална комбинација оба света, синтетичког и биолошког.“

Такав напредак дао је истраживачима већу контролу над брзином и оријентацијом робота и чак им је омогућио да развију уређаје који могу да мењају погонске механизме. Мартел је, на пример, користио морску бактерију да створи нанобота који се може померити у близину тумора помоћу магнетизма, а затим се може пребацити на уграђени сензор који детектује градијенте кисеоника како се приближава². Будући да микроокружење тумора има мало кисеоника, „то ствара светионик за ове роботе да их траже“, каже Мартел.

Долази због рака

Са овим градивним блоковима на месту, научници сада примењују нанороботичку технологију у читавом спектру истраживања рака, користећи наноботе за истраживање најмање десетак типова рака. Џозеф Ванг, наноинжењер на Калифорнијском универзитету у Сан Дијегу, каже да би рак могао бити поље у којем се највише може добити од ових алата за прецизну медицину, делом због тога колико изазовно може бити искорењивање рака и колико инвазивни могу бити постојећи третмани. „Међу пацијентима постоји жеља за третманима који не захтевају операције или болне ињекције, и мислим да нанороботи овде имају много тога да понуде“, каже он.

Данас су највећи кораци у истраживању нанороботике засноване на раку у циљаној испоруци лекова – што нуди значајно побољшање у односу на конвенционалне третмане, као што су хемотерапија и терапије зрачењем, које су широког дејства са тешким нежељеним ефектима. А развој циљаних терапија је циљ не само истраживања рака, већ и шире прецизне медицине.

Зашто бисмо требали ограничити аутономију оружја са АИ-ом

Једна обећавајућа терапија је употреба наноробота за испоруку ензима тромбина туморима, како би ћелије рака ефикасно изгладњиле кисеоником коагулирајући крв која их храни. У Кини, истраживачи су користили ДНК оригами да креирају нанороботе који се везују за нуклеолин, протеин изражен на васкуларним ћелијама које испоручују крв до тумора.³. Везивање такође служи као окидач за промену конформације оригамија и ослобађање тромбина. Ова терапија је до сада тестирана на мишјим моделима агресивног облика рака дојке, код којих је успорио раст тумора, покренуо смрт канцерогених ћелија и спречио ширење рака (метастазе).

Маријана Медина-Санчез, истраживач нанобиосистема у Баскијском кооперативном истраживачком центру за нанонауку у Сан Себастијану, Шпанија, фокусира се на карциноме који утичу на женски репродуктивни систем. Она каже да истраживачи често развијају МНР-ове који су засновани на специфичностима система у којем раде, као што је она урадила за репродуктивни систем. Њен МНР је биохибрид изграђен од ћелије сперме и магнетне 3Д штампане структуре која се може водити магнетизмом и ослободити сперму на мети⁴. Поред свог снажног репа, ћелија сперме садржи ензиме за спајање са ћелијским мембранама. Медина-Санцхез је кооптирала ту способност, омогућавајући МНР-у да се веже за синтетичке туморе грлића материце и јајника, где затим ослобађају лекове.

„Оно што откривамо је да их можемо напунити лековима против рака – чак и комбинованим терапијама – без утицаја на њихову одрживост, што их чини идеалним,“ каже она. „У ствари, њихово лупање репом је толико робусно“ да такође наносе физичку штету тумору једноставним ометањем ћелијске средине. Биохибридни сперматозоиди такође имају природну способност да пригуше имуне одговоре приказивањем одређених протеина, што их чини мање вероватним да ће оштетити свог домаћина.