Главная   |  Новости   |  Ученые создали биоробот-имплант, дозирующий в организме химиотерапию

Ученые создали биоробот-имплант, дозирующий в организме химиотерапию

03 апреля 2017

 

micri.jpg

Необычный новый биоробот был создан в лаборатории Сэмюэля Сиа, профессора биомедицинской инженерии Колумбийского университета в Нью-Йорке. В его конструкции не используются ни батарейки, ни провода. Его можно контролировать извне, чтобы по команде дозировать препараты. Это устройство хорошо подходит для новой эпохи персонализированной медицины. «Врачи хотят видеть, как чувствует себя пациент, чтобы в соответствии с этим корректировать терапию», – говорит он.

Стремительное развитие нанобиоинженерии позволило разработать биомолекулярные устройства, действующие как датчики, механизмы дистанционного управления и даже логические схемы. Создание микророботов является одной из целей биоинженерной робототехники.

Когда швейцарские часовые мастера изобрели мальтийский механизм с двумя зубчатыми колесами, они не могли предположить, что однажды биоинженеры создадут 15-миллиметровую версию этого механизма из мягкого гидрогеля. Но тогда они не пытались создать биосовместимый робот, который можно имплантировать в организм, чтобы научить его дозировать лекарства.

Ученый уже тестировал робот на лабораторных мышах с раком костей. Журнал Science Robotics опубликовал поразительные результаты исследования. Ниже мы расскажем подробнее об этом эксперименте.

 

Процесс создания мальтийского механизма занимает 30 минут.

Прежде всего, команда инженеров должна была изобрести способ трехмерной печати, чтобы создать свой крошечный механизм, а также несколько других микромеханизмов из мягких материалов. Они изобрели конструктор, который кладет гидрогель уровень за уровнем, чтобы создать твердую резиновую форму. Пока еще для сборки нужны человеческие руки, но Сиа говорит, что этот процесс может быть автоматизирован. Это происходит довольно быстро, так как печать и сборка одного мальтийского механизма занимает менее 30 минут. У обычных 3D-принтеров создание похожего механизма займет несколько часов. Большинство моделей 3D-принтеров не может работать с такими мягкими материалами, как гидрогель.   

Эта часть механизма работает как часы! Мальтийский механизм из гидрогеля начинает работать тогда, когда внешний магнит приводит в движение простую шестеренку, представляющую из себя кусок пластика с железными наночастицами (на видео это черная изогнутая деталь). С каждым кликом одна из шести камер рабочего нагнетателя движется к одной линии с отверстием, из которого поступает доза лекарства. На видео можно посмотреть, как благодаря магниту происходит постоянная работа механизма (серебряный диск). Но в случае клинического применения врач может использовать магнит только тогда, когда потребуется доза лекарства.

Вы можете задаваться вопросом: может ли имплантированный микромеханизм прийти в действие под воздействием внешнего магнита? Может ли его привести в действие злоумышленник, обладающий дьявольским магнетизмом? Другими словами, может ли Магнето – персонаж комикса «Люди Икс» – стать фактором риска? Сиа объясняет: «Кто-то проходящий с магнитом не сможет привести его в действие, однако есть случаи, когда этот механизм работает неидеально». Его лаборатория разрабатывает другие способы управления механизмом, в том числе с использованием технологии УЗИ.

Как говорит Сиа, сложнее всего в процессе разработки было достать нужные материалы. Сверхгибкие и мягкие материалы, в отличие от жесткого силикона или металлических приспособлений, совместимы с мягкими тканями организма. «Но если материалы распадаются наподобие желе, из этого сложно сделать робот», – говорит он. Он должен быть достаточно жестким, чтобы работать как крошечный имплантируемый механизм».

 

Элементы мальтийского механизма были распечатаны из мягкого гидрогеля.

Следующим шагом было испытание in vivo. Команда Сиа хотела посмотреть, работают ли их устройства внутри организма, учитывая все сложности химии и анатомии. Нескольким мышам с раком кости были имплантированы устройства с химиотерапевтическим препаратом. Другие мыши получали обычную химиотерапию, при которой токсический препарат поступает во все системы организма. Когда команда сравнивала воздействие локального применения препарата через определенные промежутки времени с результатами мышей, получавших традиционную терапию, результаты были впечатляющими: опухоли бионических мышей росли медленнее, погибало больше опухолевых клеток, меньше клеток организма страдало от периферических повреждений.

Клинические возможности кажутся очевидными: онкологи могут осуществлять более таргетированное и концентрированное дозирование мощных химиопрепаратов. Сиа представляет себе другое использование механизма, например, регулирование высвобождения гормонов. Но устройство, осуществляющее доставку препарата, пока просто является прототипом, доказывающим концепцию. Он не спешит развивать стартап: «Нам предстоит провести анализ затрат и прибыли, чтобы понять, действительно ли это устройство может выйти на рынок».

 

 

Тем не менее, в целом он настроен оптимистично по отношению к медицинскому потенциалу микророботов из мягкого гидрогеля. Мягкие и мобильные крошечные микророботы могут однажды выступить в качестве внутренних «ремонтных бригад», выполняя работу врача внутри организма (подробнее об этом можно узнать в статье издания IEEE Spectrumо о медицинских микророботах). Сиа говорит, что его производственная платформа способна создавать самые разнообразные устройства. «Я уверен, что мы найдем что-то полезное», – продолжает он.

Сиа не рассказывает нам подробно, над какими устройствами сейчас работает его лаборатория. Известно только, что это имплантированные устройства, которые могут перемещаться. Возможно, это крошечный микромеханизм из гидрогеля, напоминающий часы с кукушкой.

Фото: Dan Saelinger; Prop: Swell