Sny o nanorobotech, kteří sami najdou a odstraní jakoukoli nemoc, zatím zůstávají sny. Do klinické praxe se však za 15 až 20 let mohou dostat i skromnější vynálezy. Jaké zatím existují kuriózní nápady na využití nanorobotů – od těch nejjednodušších až po ty nejfuturističtější?
Fyzik Richard Feynman ve své slavné přednášce »There’s Plenty of Room at the Bottom« navrhl koncept miniaturního robota, který by byl ovládán na molekulární úrovni a komunikoval by s buňkami a dokonce s atomy, čímž by »skládal« hmotu.
Koncem 20. století americký vědec Eric Drexler, inspirován Feynmanovými myšlenkami, popsal ve svých knihách budoucí »nanoasemblery« schopné sestavit cokoli přímo z atomů. Mikroskopické stroje by dokázaly »opravit« člověka přímo zevnitř – vyčistit cévy, zničit rakovinné buňky, bojovat s bakteriemi.
Drexlerova představivost ho dovedla k děsivějším vyhlídkám. V knize The Machines of Creation (Stroje stvoření) psal o scénáři konce světa známém jako »šedý sliz«. V něm lidstvo vytvoří samoreplikující se nanoroboty, kteří se okamžitě vymknou kontrole a nakonec promění veškerou hmotu vesmíru v další nanoroboty – »šedý sliz«.
Dnes nanoroboti stále existují pouze ve fázi prototypů. Na aktivní zavedení do klinické praxe – s přihlédnutím ke zkouškám – bychom si měli počkat dalších patnáct až dvacet let. Pokud však vše půjde dobře, mohou taková »miminka« skutečně způsobit revoluci v mnoha oblastech najednou – od chirurgie až po farmacii.
Živá buňka jako model
V nejzákladnějším smyslu je robot stroj naprogramovaný k provádění určitých činností. Existují však i živé stroje. Dokonce i obyčejná lidská buňka je mnohem složitější než jakékoli automaty nebo počítače vyrobené člověkem. Všechny její procesy však závisí na práci menších jednotek – proteinů nebo enzymů. Právě ty jsou obvykle přirovnávány ke strojům.
Nejběžnějším typem buněčných strojů jsou enzymy. Jsou neuvěřitelně rozmanité (vědci znají asi pět tisíc druhů), takže je snadné je studovat a přizpůsobovat různým potřebám. Každý enzym má »konstrukční část« a »aktivní centrum« – zhruba jako základna a pracovní nástroj obráběcího stroje.
Enzymy mají pevný program. Každý z nich je uzpůsoben pro specifický úkol, ale všechny tak či onak pomáhají přeměnit jednu látku na druhou. Přesněji řečeno, přeměňují jednu chemickou reakci, která by měla probíhat »přirozeně« bez většího přínosu pro buňku a organismus, na jinou – užitečnou. Enzymy také přepisují dědičnou informaci a podílejí se na tvorbě dalších bílkovin.
V ideálním případě se vědci snaží vytvořit umělou (nebo alespoň hybridní) obdobu enzymů. Zatím jsou uměle vytvořené nanostroje mnohem horší než jejich přírodní protějšky. Nicméně na úrovni experimentů se již odborníkům podařilo vyrobit nanomateriály, které poslouchají jednoduché příkazy.
Řízené částice pro mikrochirurgii
Nejjednodušší nanostroje lze využít k tomu, aby se dostaly do těžko přístupných míst. Tato schopnost se dobře hodí v chirurgii, kde je třeba spálit nebo rozpustit postiženou tkáň – nebo zničit zárodky.
Ošetření zubních kanálků je jedním z nejobtížnějších a nejnepříjemnějších zákroků v zubním lékařství. Každý kořen zubu má úzký vnitřní kanálek, z něhož odbočují tenčí kanálky: těmito kanálky se do zubu dostávají nervy a cévy. Pokud se kaz rozšíří i do nich, musí odborník před zaplombováním zubu malé kanálky důkladně vyčistit.
Kanálky jsou tvořeny mikrotubuly a bakterie v nich jsou přirozeně chráněny před imunitními buňkami hostitele – protože zde není místní krevní oběh. K ošetření zubní dřeně zubař obvykle vyplní dutinu antibiotiky nebo jinými léky. Léky však ne vždy proniknou do všech tubulů a bakterie vůči nim mohou být rezistentní.
Odborníci z indické společnosti Theranautilus plánují uvést na trh zařízení, které by se umístilo do úst pacienta a umožnilo lékařům zavést »nanoboty« do dutiny požadovaného zubu a následně je ovládat. Vytvořili drobné spirálové struktury z oxidu křemičitého potažené tenkou vrstvou železa. Kovový povrch jim umožňuje reagovat na vnější magnetické pole a spirálovitý tvar jim umožňuje pohybovat se pod touto silou a doslova se stáčet do prostředí.
Jakmile se nanoroboti dostanou na místo napadení, aktivují se na dálku pomocí generátoru magnetického pole. Změnou frekvence oscilací pole je možné zahřát železo na povrchu »robotů« na teplotu, která je pro bakterie destruktivní – nikoli však pro zdravé tkáně samotného zubu. Tímto způsobem odborníci plánují dosáhnout hlubší dezinfekce. »Jsme již velmi blízko klinickým zkouškám této technologie, ačkoli před třemi lety se zdála být naprostou fikcí,« řekl Ambarish Ghosh.
Cílené podávání léků
Jeden z problémů moderní medicíny: molekuly obsažené v lécích se v těle nevstřebávají dostatečně účinně. To platí zejména pro léky na chemoterapii. »Pouze asi 0,1 % molekul léku se dostane přímo do nádoru,« vysvětluje Haifa Shen z oddělení nanomedicíny na Houstonském výzkumném institutu. Přitom většina léku zasáhne zdravou tkáň.
Nanoroboti mohou sloužit jako dopravní prostředek, který doručí látku na požadované místo a uvolní ji. V tomto případě stojí vědci před několika výzvami: jak samostatně proniknout na správné místo (například do nádoru) a překonat odpor krevního oběhu; jak »naučit« robota identifikovat cíl a vstříknout léčivo; jak odstranit robota z těla, aby se sám nestal problémem (například neucpal důležité cévy).
Jednou z možností jsou speciální materiály, které se mohou -»rozhodovat« na základě biochemických reakcí. V tomto případě robot vypadá jako balónek s molekulami protilátek, které rozpoznají buňku, kterou je třeba zabít nebo vyléčit. Když je cílová buňka nalezena, úkol je splněn: zbývá jen vyložit náklad.
»Jak můžeme zařídit, aby nanočástice analyzovala mnoho informací najednou: nejen jeden marker na povrchu buňky, ale několik různých faktorů?« uvedl Maxim Nikitin, vedoucí Laboratoře nanobiotechnologií na MIPT. »Lze je analyzovat podle pravidel Booleovy algebry, jako to dělá počítač. Procesor provádí logické operace s nulami a jedničkami pomocí elektřiny a my operujeme s koncentrací molekul.«
K tomu je třeba obklopit nanočástici několika molekulárními vrstvami speciální struktury. Působením vstupních faktorů se budou různě transformovat a provádět logické procedury: »a«, »nebo«, »ne«, »měl by«. Po dokončení výpočtu je čas vyložit lék. »Lze to nazvat nanorobotem, nebo to můžete nazvat biopočítačem, podle toho, jakou terminologii preferujete,« vysvětluje Maxim.
Podle vědce se jeho týmu zatím podařilo vytvořit pouze nanoindikátory. Jakmile se přiblíží k podezřelé buňce, mohou vyhodnotit její chemické stopy a pochopit, zda neindikují přítomnost nemoci. To již nyní otevírá nové perspektivy v oblasti genomických technologií – například pro rychlou diagnostiku mimo laboratoř.
Pokud jde o plnohodnotné donáškové roboty, je to otázka několika dalších desetiletí. »Nyní jsme na úrovni tranzistoru,« domnívá se Nikitin. »Už jsme se naučili tyto tranzistory pájet dohromady, ale k iPhonu máme ještě hodně daleko.«
Dalším problémem, který by nanoroboti mohli vyřešit, je pronikání tenkými membránami, které oddělují cévy od nervové tkáně. Mezi ně patří například hematoencefalická bariéra (mezi krví a neurony v mozku) a hematoretinální bariéra (mezi krví a sítnicí).
K překonání tohoto problému vědci využívají techniky bioniky, vědy, která si vypůjčuje vlastnosti živých organismů k vytváření umělých materiálů. Například tekutý povlak, díky němuž je přilnavost robota k buněčné membráně měkčí. Stejnou vlastnost využívají masožravé lilie: když se hmyz dostane na vnitřní stěnu, sklouzne po ní do žíravé šťávy jako po teflonové pánvi.
Jeho umělá obdoba (např. na bázi perfluorouhlíku) zase může podobně pomoci kapsli s léčivem proklouznout mezi póry membrány.
Neurohacking k léčbě schizofrenie
Jedna z nejexotičtějších technologií spočívá ve vypouštění nanokapslí přímo do mozku, aby se léčivo uvolnilo ve správný okamžik. Hlavní rozdíl v tomto vývoji spočívá v tom, že kapsle je vybavena »zámkem«, který lze otevřít na dálku, na povel. V tomto případě se lék uvolní pouze tehdy, když je to potřeba.
Izraelští vědci z Mezioborového centra v Herzliji navrhli takové miniaturní kontejnery na léky s molekulárním »zámkem«. Zámek tvořený nanočásticemi oxidu železa se po zahřátí elektromagnetickou energií otevře – a uvolní lék ven. Nejzajímavější však je, že o uvolnění léku rozhoduje sám lidský mozek.
Nositelný skener mozku snímá elektroencefalogram v reálném čase. Když je zjištěna určitá mozková aktivita, skener vyšle signál vysílači záření, který má osoba rovněž u sebe. »Zámek« nanorobota se otevře – a do těla se dostane požadovaná droga.
»Algoritmus lze vycvičit tak, aby sledoval stav mozku, který je spojen s poruchou pozornosti s hyperaktivitou nebo schizofrenií, nebo se obecně přizpůsobil potřebám pacienta,« říká autor studie Sachar Arnon. Pokud by například EEG odhalilo známky narůstající epizody deprese, roboti by během krátké doby uvolnili antidepresiva a záchvat zvládli.
Zatím je však tato myšlenka daleko od klinické praxe, říkají autoři. I dešifrování mozkové aktivity je složitý proces. »V současné době můžeme u pacientů s psychiatrickými poruchami v laboratoři najít určité rozdíly v EEG,« říká spoluautor Doron Friedman. »Ale vytvořit spolehlivý neuromarker, který funguje v reálném čase, je něco úplně jiného.«
(cik, TASS)