På en lys efterårsaften i 2006 holdt Dr. Sylvain Martel vejret, da en tekniker lastede en bedøvelsesvin i en roterende fMRI-maskine. Hans øjne stirrede på en computerskærm, der viste en magnetisk perle, der hænger i et tyndt griseblodkar. Spændingen i rummet kunne mærkes fysisk. Pludselig blev ballonen levende og gled over fartøjet som en mikroskopisk ubåd på vej mod dets destination. Holdet brød ud under bifald.
Martel og hans team testede en ny måde at fjernstyre små objekter inde i et levende dyr ved at manipulere maskinens magnetiske kræfter. Og for første gang fungerede det.
Forskere og forfattere har længe drømt om små robotter, der bevæger sig gennem kroppens store kredsløbssystem, som rumfarere, der studerer galakser og deres indbyggere. Potentialet er enormt: små medicinske robotter kan for eksempel overføre radioaktive lægemidler til kræftklynger, udføre operationer inde i kroppen eller rense blodpropper dybt inde i hjertet eller hjernen.
En drøm, en drøm, men med hjælp fra robotter, siger Dr. Bradley Nelson fra Polytechnic University of Zurich, kunne folk springe direkte ind i blodbanen for at udføre hjernekirurgi.
I øjeblikket er medicinske mikro-robotter for det meste fiktive, men dette kan ændre sig i det næste årti. Denne uge offentliggjorde Dr. Mariana Medina-Sánchez og Oliver Schmidt fra Leibniz Institute for Solids and Materials Research i Dresden, Tyskland, et papir i Nature, der vendte fra storskærm til nanoteknologilaboratorier, der skitserede prioriteter og realistiske tests for at genoplive disse små kirurger.
Oprettelse af movers
Medicinske mikro-robotter er en del af medicinens rejse til miniaturisering. I 2001 introducerede det israelske firma PillCam, en slik kapsel af slik i plastik udstyret med et kamera, batteri og trådløst modul. Mens du rejser gennem fordøjelseskanalen, sendte PillCam periodisk billeder trådløst tilbage og tilbyder en mere følsom og mindre toksisk diagnostisk metode end traditionel endoskopi eller radiografi.
Salgsfremmende video:
PillCam er gigantisk i størrelse til en perfekt mikrorobot, hvilket gør den kun egnet til det relativt brede rør i vores fordøjelsessystem. Denne pille var også passiv og kunne ikke dvæle på interessante steder til en mere detaljeret undersøgelse.
”En ægte medicinsk robot skal bevæge sig og udvikle sig gennem et komplekst netværk af væskefyldte rør i væv dybt inde i kroppen,” forklarer Martel.
Kroppen er desværre ikke særlig imødekommende for eksterne gæster. Mikro-robotter skal modstå ætsende gastrisk juice og flyde opstrøms i blodbanen uden motor.
Laboratorier overalt i verden forsøger at finde frem til fornuftige alternativer til at løse ernæringsproblemet. En idé er at skabe kemiske raketter: cylindriske mikro-robotter med "brændstof" - et metal eller en anden katalysator - der reagerer med mavesaft eller andre væsker, der udsender bobler fra bagsiden af cylinderen.
"Disse motorer er svære at kontrollere," siger Medina-Sanchez og Schmidt. Vi kan groft styre deres retning ved hjælp af kemiske gradienter, men de er ikke robuste eller effektive nok. Design af ikke-giftige brændstoffer baseret på sukker, urinstof eller andre kropsvæsker står også over for udfordringer.
Et bedre alternativ ville være metalliske fysiske motorer, der kunne aktiveres ved ændringer i magnetfeltet. Martel, som vist i hans demonstration med perler i svin, var en af de første til at undersøge sådanne motorer.
MR-maskinen er ideel til styring og billeddannelse af metalprototyper af mikrorobotter, forklarer Martel. Maskinen har flere sæt magnetiske spoler: hovedsættet magnetiserer mikroroboten, efter at den er introduceret i blodbanen gennem et kateter. Derefter kan vi ved at manipulere MR-gradientspolerne generere svage magnetfelter til at skubbe mikroroboten gennem blodkar eller andre biologiske rør.
I efterfølgende eksperimenter lavede Martel jern- og cobalt-nanopartikler overtrukket med et lægemiddel mod kræft og injicerede disse små soldater i kaniner. Ved hjælp af et computerprogram til automatisk at ændre magnetfeltet rettet hans team botsene lige mod målet. Mens der ikke var nogen egentlige tumorer i denne særlige undersøgelse, siger Martel, at projekter som disse kunne være nyttige til bekæmpelse af leverkræft og andre tumorer med relativt store kar.
Hvorfor ikke små skibe? Problemet er igen energi. Martel var i stand til at krympe robotten til et par hundrede mikrometer - alt mindre kræver magnetiske gradienter så store, at de forstyrrer neuroner i hjernen.
Microcyborgs
En mere elegant løsning er at bruge biologiske motorer, der allerede findes i naturen. Bakterier og sædceller er bevæbnet med whiplashhaler, der naturligt driver dem gennem snoede tunneler og kropshulrum for at udføre biologiske reaktioner.
Ved at kombinere mekaniske og biologiske dele ville det være muligt at få de to komponenter til at supplere hinanden, når en fejler.
Et eksempel er en sædbot. Schmidt udviklede små metalspoler, der vikles rundt om den dovne sæd, hvilket giver den mobilitet til at nå ægget. Sædcellerne kan også fyldes med lægemidler forbundet med den magnetiske mikrostruktur til behandling af kræft i reproduktionskanalen.
Der er også specialiserede grupper af MC-1-bakterier, der passer med Jordens magnetfelt. Ved at generere et relativt svagt felt - nok til at overvinde Jordens - kan forskere orientere bakteriens indre kompas mod et nyt mål som kræft.
Desværre kan MC-1-bakterier kun overleve i varmt blod i 40 minutter, og de fleste er ikke stærke nok til at svømme mod blodbanen. Martel ønsker at skabe et hybrid system af bakterier og fedtblærer. Bobler, fyldt med magnetiske partikler og bakterier, vil blive ført ind i større beholdere ved hjælp af stærke magnetfelter, indtil de kommer ind i de smallere. Derefter sprænger de og frigiver en sværm af bakterier, som på samme måde ved hjælp af svage magnetfelter vil fuldføre deres rejse.
Bevæger sig fremad
Mens forskere har tegnet en masse ideer om fremdrift, er det stadig en enorm udfordring at spore mikrorobotterne, når de først er blevet implanteret i kroppen.
Kombinationer af forskellige billedbehandlingsteknikker kan hjælpe. Ultralyd, MR og infrarød billedbehandling er for langsomme til at observere operationerne af mikrorobotter dybt i kroppen. Men ved at kombinere lys, lyd og elektromagnetiske bølger kunne vi øge opløsning og følsomhed.
Ideelt set skulle en billedteknik være i stand til at spore mikromotorer i en dybde på 10 centimeter under huden, i 3D og i realtid og bevæge sig med en minimumshastighed på snesevis af mikrometer i sekundet, siger Medina-Sanchez og Schmidt.
I øjeblikket er dette vanskeligt at opnå, men forskere håber, at avancerede optoakustiske teknikker, der kombinerer infrarød og ultralydsbilleddannelse, kan blive gode nok til at spore mikrorobotter om få år.
Og så er spørgsmålet stadig, hvad man skal gøre med robotterne i slutningen af deres mission. At lade dem glide inde i kroppen er et tegn på koagulation eller andre katastrofale bivirkninger såsom metalforgiftning. At få robotter tilbage til deres udgangspunkt (mund, øjne og andre naturlige åbninger) kan være overvældende. Derfor overvejer forskere bedre muligheder: Fjern robotter naturligt eller skab dem fra biologisk nedbrydelige materialer.
Sidstnævnte har et separat plus: Hvis materialerne er følsomme over for varme, surhed eller andre kropsfaktorer, kan de bruges til at skabe autonome bio-robotter, der fungerer uden batterier. For eksempel har forskere allerede lavet små stjerneformede "gribere", der lukker rundt om væv, når de udsættes for varme. Når den anbringes omkring syge organer eller væv, kunne griben biopsi in situ og tilbyde en mindre invasiv metode til screening for tyktarmskræft eller sporing af kronisk inflammatorisk tarmsygdom.
”Målet er at skabe mikrorobotter, der kan fornemme, diagnosticere og handle autonomt, mens mennesker ser og forbliver under kontrol i tilfælde af en funktionsfejl,” sagde Medina-Sanchez og Schmidt.
Den fantastiske rejse med medicinske mikro-robotter er lige begyndt.
Alle kombinationer af materialer, mikroorganismer og mikrostrukturer skal testes på ubestemt tid for at sikre, at de er sikre, først på dyr og derefter på mennesker. Forskere afventer også hjælp fra tilsynsmyndigheder.
Men forskernes optimisme tørrer ikke ud.
"Gennem koordinerede initiativer kunne mikrorobotter føre os ind i en periode med ikke-invasive behandlinger i ti år," siger forskerne.
ILYA KHEL