O postępie technologicznym często mówi się, że dąży do tego, by wszystko było coraz mniejsze (poza telewizorami). Niektórzy naukowcy postulują, by pójść krok dalej i wprowadzić technologie na zupełnie nowy poziom - do wnętrza naszych ciał. Mimo że rozruszniki serca, stenty i implanty stomatologiczne są powszechnie stosowane, naukowcy od dawna marzą o stworzeniu urządzeń tak małych, że mogłyby pływać w naszym krwiobiegu, otwierając zupełnie nowe możliwości leczenia i diagnozowania. To nanorobotyka, która może całkowicie odmienić medycynę.
Nanotechnologia to ogólna nazwa zestawu technik i metod tworzenia różnorodnych struktur w skali nano (od 0,1 do 100 nm), czyli na poziomie pojedynczych atomów. Dla lepszego zobrazowania używanej nomenklatury świat nano porównuje się do rzeczywistości milion razy mniejszej niż główka szpilki lub uniwersum, w którym Ziemia byłaby wielkości piłeczki pingpongowej. Odpowiedź na pytanie: "Czym jest nanotechnologia?" nie jest zatem jednoznaczna. W zależności od tego, komu je zadamy, uzyskamy różne odpowiedzi.
Najnowsze wydanie Tygodnika co sobotę w Twojej skrzynce. Zapisz się do newslettera >>
Za ojca nanotechnologii uważa się Richarda Feynmana, który w 1959 r. wygłosił wykład: "There's Plenty Room at the Bottom". Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji rzeczywistości oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii, mogącej operować materią na poziomie pojedynczych atomów. Wtedy brzmiało to jak science fiction, jednak nieprawdopodobny rozwój technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów sprawił, że nanotechnologia przybrała realne kształty.
Nanotechnologia jest obecnie wykorzystywana w wielu dziedzinach życia, ale tą, w której może odnieść potencjalnie największy sukces, jest medycyna. Jedna z pierwszych prac w tej dziedzinie została opublikowana w 1998 roku i zawierała propozycję projektu sztucznej czerwonej krwinki wykonanej z diamentu, która według niej mogłaby dostarczać do tkanek 236 razy więcej tlenu niż ludzkie czerwone krwinki.
Od tego czasu naukowcy zaczęli stawiać czoła wyjątkowym wyzwaniom, jakie niosą ze sobą nanoboty medyczne, począwszy od sposobów ich zasilania, a skończywszy na zapobieganiu niszczenia ich przez organizm. Chociaż nie jesteśmy jeszcze w punkcie, w którym maleńkie roboty biorą udział w badaniach klinicznych, moment ten jest coraz bliżej. Naukowcy twierdzą dziś, że są w stanie wstrzykiwać, zasilać i kontrolować maleńkie roboty w symulowanych warunkach. Roboty te nie wyglądają jak maszyny, do których jesteśmy przyzwyczajeni - w rzeczywistości wiele z nich składa się prawie w całości z maleńkich metalowych kulek. Ale liczba ich zastosowań może być ogromna.
Stworzenie robota, który będzie poruszał się wewnątrz ludzkiego ciała, wymaga rozwiązania pewnych wyzwań, z którymi nie mierzyła się żadna inna maszyna. Po pierwsze, nie da się stworzyć tak małych baterii i silników, więc trzeba opracować zupełnie nowe metody zasilania i poruszania. A w tak małych skalach ciała grawitacja przestaje mieć znaczenie - zamiast tego nanoboty muszą walczyć ze strumieniem krwi i stawiać czoła siłom elektrostatycznym. W przypadku niektórych z najmniejszych robotów, ruchy Browna (chaotyczne ruchy cząstek w płynie, wywołane zderzeniami zawiesiny z cząsteczkami płynu) mogą być wystarczające do ich napędzania.
Wielu badaczy szuka inspiracji w świecie przyrody. Niektóre nanoboty wykorzystują do poruszania się struktury oparte na bakteryjnych wiciach. Inni całkowicie przejęli biologię, po prostu integrując swoje maszyny z żywymi komórkami w celu stworzenia hybryd, które poruszają się wewnątrz ciała. W jednej z prac opisano na przykład wykorzystanie bakterii jako maleńkich silników poprzez przymocowanie ich do plastikowych koralików. Niektóre projekty nanobotów czerpią energię z enzymów lub glukozy i tlenu obecnych w organizmie. Zaletą jest to, że takie roboty w zasadzie pływałyby we własnym paliwie.
Innym sposobem na poruszanie się robota wewnątrz ciała jest wykorzystanie sił zewnętrznych. Niektórzy naukowcy badają, jak wykorzystać pola magnetyczne do poruszania metalowych kulek wewnątrz ciała. Inni zintegrowali maleńkie metaliczne kulki z komórkami macierzystymi, które następnie były w stanie przemieszczać je przez wąskie kanały, które miały odwzorowywać naczynia krwionośne.
Zastosowanie nanotechnologii w farmakologii to nie melodia przyszłości, a opis teraźniejszości. Technika ta jest szczególnie zalecana w przypadku aplikacji leków w wysokich stężeniach, minimalizując ryzyko wystąpienia skutków ubocznych.
W tradycyjnym leczeniu farmakologicznym substancja lecznicza jest podawana albo przez układ pokarmowy, albo bezpośrednio do układu krwionośnego. Idealnie byłoby, gdyby wprowadzony do wnętrza naszego organizmu medykament trafił bezpośrednio do celu. Niestety, w praktyce większość leków - szczególnie tych aplikowanych w wysokich stężeniach - rozprzestrzenia się do organów niewymagających terapii.
Nanotechnologia może całkowicie wyeliminować tę niedogodność. Zamknięcie właściwego leku w minikapsułce i aktywacja go dopiero po dotarciu do dotkniętego chorobą organu ogranicza działanie substancji na zdrowe organy.
Nanotechnologia w medycynie może być również wykorzystana jako biomarker. Oznaczając obecne w naszym ciele patogeny, nanokonstrukty ułatwią tym samym działanie naszego układu immunologicznego i likwidację celu przez nasze własne komórki odpornościowe. Takie zastosowanie nanotechnologii ma jedynie sens w przypadku chorób niemających podłoża autoimmunologicznego, czyli takich, w których układ odpornościowy działa prawidłowo.
Lekarze ogromne nadzieje wiążą z wykorzystaniem nanotechnologii do walki z nowotworami złośliwymi. Prób było wiele, ale najbardziej skuteczna pochodzi od naukowców z USA. Opracowali oni nanoboty polujące na komórki rakowe, które są rozpoznawane przez przeciwciała. Gdy komórka zostanie już zidentyfikowana jako nowotworowa, do jej wnętrza jest wprowadzana promieniotwórcza bomba z atomami aktynu lub cząsteczkami chemioterapeutyku. Eksplodująca nanobomba niszczy komórkę rakową, hamując tym samym angiogenezę (tworzenie nowych naczyń krwionośnych) i wzrost nowotworu. Eksperymenty wykazały, że dawka radioterapeutyczna użyta w tej metodzie jest miliony razy mniejsza niż w przypadku tradycyjnie stosowanych terapii.
Zwalczanie nowotworów z wykorzystaniem nanotechnologii jest zaskakująco skuteczne. Przeprowadzone na myszach testy wykazały, że wyjątkowo podatny na wpływ tych nanobotów jest czerniak złośliwy. Terapia przeprowadzana może być z wykorzystaniem baloników liposomalnych lub fullerenowych. Te pierwsze są w pełni naturalnymi molekułami o średnicy 100 nm, uzyskiwanymi w procesie hydratacji fosfolipidów (składników tworzących błony komórkowe w naszym organizmie). Dzięki temu same transportery medykamentów są obojętne dla organizmu człowieka, ale ich zawartość już nie.
Spore nadzieje wiąże się z umieszczeniem wewnątrz nanotransporterów leków przeciwnowotworowych z grupy taksanów. Powodują one całkowite zatrzymanie podziałów komórek nowotworowych, doprowadzając jednocześnie do ich obumierania. Taksany są jednak wyjątkowo toksyczne dla organizmu człowieka, a kontrolowany "wybuch" nanobota znacznie ogranicza spustoszenie, jakie substancja wywołuje w organizmie.
Badania przeprowadzone przez amerykański National Institute of Health (NIH) wykazały, że skuteczne w walce z nowotworami mogą być również miniaturowe roboty pokryte złotem koloidalnym. Złoto jest jednym z najbardziej niereaktywnych metali w przyrodzie i dobrze znosi duże wahania temperatur. Wprowadzone do organizmu nanokapsułki ze złota mogą namierzyć cel i doprowadzić do jego zniszczenia, bez wchodzenia w jakąkolwiek interakcję ze zdrowymi komórkami.
Najnowsze wydanie Tygodnika co sobotę w Twojej skrzynce. Zapisz się do newslettera >>
Uczeni z Chin stworzyli mikroroboty zdolne do przejścia przez barierę krew-mózg. Użyli oni magnetyczny nanożel zawierający lek i pokryli go błoną pochodzącą z bakterii Escherichia coli. Kiedy wstrzyknęli go myszom, komórki ich układu odpornościowego zwane neutrofilami połknęły nanoboty, myląc je z inwazyjnymi bakteriami. Następnie badacze byli w stanie wykorzystać pola magnetyczne do przemieszczania neutrofili zawierających nanoboty wewnątrz krwiobiegu myszy, by w końcu przedostać się do ich mózgów. Technika ta może być pewnego dnia wykorzystana do leczenia guzów mózgu.
Nanotechnologia może być również wykorzystana do naprawy uszkodzonych tkanek. Amerykańscy naukowcy opracowali samoorganizujące się nanorurki, które idealnie nadają się do pokrywania implantów. Wszczepy tradycyjnie stosowane w medycynie, nie przylegają dobrze do powierzchni tkanek lub stawów. Dzięki swoim niewielkim rozmiarom, nanorurki perfekcyjnie wyrównują nierówności białkowe, a na dodatek są obojętne wobec organizmu, zatem nie występuje ryzyko odrzutu.
W nieco inny sposób nanotechnologię postanowili wykorzystać uczeni z Northwestern University. Zastosowali oni nanowłókna jako rusztowanie do odbudowy kości. Iniekcja takiego "zestawu naprawczego" w miejsce ubytku kostnego ułatwia osiedlanie się osteocytów, a przez to szybszą regenerację tkanki. Metoda ta może być w przyszłości powszechnie wykorzystywana w przypadku złamań kości, ale i konieczności odbudowy organów miękkich.
Nanowłókna zaaplikowane w odpowiednie miejsce organizmu mogą stać się rusztowaniem do odbudowy takich narządów jak trzustka, wątroba, a nawet serce. Przedstawiona metoda łączy wykorzystanie nanotechnologii z inną wielką nadzieją medycyny, którą są komórki macierzyste. Za pomocą liposomowych nanokapsułek, komórki macierzyste mogą zostać wprowadzone praktycznie w każdy zakamarek ludzkiego organizmu.
Manipulowanie światem w skali nano może być pomocne nie tylko na etapie planowania czy przeprowadzania terapii, ale i przed rozpoczęciem choroby. Diagnostyka z wykorzystaniem nanobotów ma sens, bowiem sprawia, że lekarz może mieć dostęp do informacji o stanie pacjenta przez cały czas. Wyobraźmy sobie sytuację, w której do organizmu pacjenta jest wprowadzany diagnostyczny nanobot. Taki obiekt, napędzany glukozą i tlenem, których w układzie krwionośnym jest pod dostatkiem, za pomocą akustycznego transmitera mógłby być sterowany przez lekarza specjalistę. Wydawanie miniaturowemu robotowi prostych poleceń czy odbieranie szczegółowych informacji o stanie zdrowia pacjenta, może znacznie usprawnić diagnostykę.
Badania nad nanotechnologią trwają i będą prowadzone. Największych postępów dokonuje się w japońskich i amerykańskich ośrodkach naukowych, chociaż Europa także ma się czym pochwalić. Wydaje się, że słowa Richarda Feynmana, który napisał kiedyś, że "zasady fizyki nie przeciwstawiają się możliwości zmieniania rzeczy atom po atomie", okazały się prorocze. Następnym krokiem ewolucji nanonauk będzie manipulacja naszym organizmem, komórka po komórce.