Vyzbrojení biologických nanobotů k dodávání léků do našich těl

Nanoboti jsou malé biologické stroje, které mohou dopravit léky na cílové místo, aby byly účinnější a omezily vedlejší účinky, což jsou největší problémy při podávání léků.

Tradiční léčba léky, například chemoterapie rakoviny, může obsahovat toxické sloučeniny, které nevybíravě poškozují zdravé tkáně. Nanoboti by mohli tento problém obejít tím, že by chránili léčivo, dokud není doručeno k zamýšlenému cíli. Cílem je dostat správnou dávku do jakékoli části těla bez vedlejších škod.

Aby se toho dosáhlo, jsou nanoboti vyráběni kombinací anorganických prvků nebo materiálů s biologickými složkami, jako jsou buňky, proteiny nebo DNA. To vyžaduje spolupráci výzkumníků z několika vědních oborů. „V robotice vidíme, že vědci zabývající se materiály a biologové s námi spolupracují těsněji než kdykoli předtím, a to z dobrého důvodu,“ říká Bradley Nelson, profesor robotiky a inteligentních systémů na ETH Zürich. „Získáváme vhled do problémů, na kterých jsme se zasekli, jako jsou nová lepidla založená na tlapkách gekonů a jejich využití van der Waalsových sil nebo šroubovicoví mikroroboti vycházející z lokomoce bičíkovců.

Nanoroboti by mohli být zavedeni do lidských žil nebo pozřeni a vydat se na cestu v našem lidském těle. Mohli by se jimi pohybovat nebo procházet zdrojem nemoci s využitím bystrých biologických převleků a mechanismů a po dokončení své mise se bezpečně samovolně rozložit.


Doručování léků k cíli

Nejlepší cesta k různým částem těla vede přes dálnice oběhového systému: cévy. Pro nanoboty to však nebude snadná cesta. V krvi je mnoho volně se pohybujících buněk a dalších složek, které mohou jejich pohybu bránit.

Vědci z Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy ve Stuttgartu vytvořili takzvané „mikrorolery“, které se dokáží přichytit k vnitřním stěnám cév, a to i proti proudu krve, a pomocí magnetického pole se mohou po cévách pohybovat. Mikrorolky jsou z jedné strany potaženy magnetickými materiály, které slouží k jejich pohybu v těle, a z druhé strany protilátkami, které rozpoznávají nádorové buňky.

Každá část našeho těla představuje pro roboty jedinečnou výzvu. Výzkumný tým z Purdue University úspěšně pilotoval biorobota v tlustém střevě myši a prasete. Rotační robot byl řízen magnetickým polem a vyzbrojen polymerovým povlakem, který zabraňuje působení nákladu na jiné orgány dříve, než dosáhne cílového místa.

Magnetická síla byla nejoblíbenějším způsobem, jak nasměrovat nanoboty k jejich cílům. MagnebotiX, spin-off ETH Zurich, vyvíjí generátory magnetického pole a mikromagnetické prostředky pro výzkumníky pracující v této oblasti.

K pohybu robotů byly použity i další vnější síly, jako je zvuk, elektřina, nebo dokonce mikroorganismy, například bakterie, využívající jejich schopnost plavat biologickým prostředím a vyhledávat příznivé podmínky. K vytvoření nanobotů, kteří mohou nést náklad a otevřít se, když najdou svůj cíl, bylo použito také „DNA origami“. Dokonce i imunitní a spermatické buňky byly zkoumány jako zdroje pohonu pro biologické roboty. Posledně jmenované, hovorově nazývané spermoboty, nabízejí díky své přirozené schopnosti pohybovat se v ženském reprodukčním systému výhody při léčbě rakoviny děložního čípku a gynekologických problémů.


Nejobtížnější mise: dostat se do mozku

Mozek je nejobtížněji dosažitelné místo v našem těle. Aby se to podařilo, museli by nanoboti překonat hematoencefalickou bariéru, což je extrémně selektivní biologická ochrana, která propouští jen některé živiny a molekuly a brání průchodu patogenům.

Existují práce využívající ultrazvuk k překonání krevní mozkové bariéry, ale stále přes ni nedokážeme nasměrovat lék tak snadno, jak bychom si přáli. To by přineslo určité výhody, ale stále je třeba dostat lék na správné místo ve správný čas. A to předpokládá, že máte správné léčivo a můžete ho nějak připojit k nanobotu,“ řekl Nelson.

Navzdory těmto překážkám byly v této oblasti učiněny slibné kroky. Vědci z Harbinského technologického institutu v Číně navrhli pro léčbu gliomu, což je druh rakoviny mozku, „neutroboty“, kteří se mohou pohybovat uvnitř mozku myší a zastavit růst nádorových buněk. Tým vložil lék proti rakovině paklitaxel do magnetických nanogelů, které mohou překonat krevní mozkovou bariéru tím, že se ukryjí uvnitř typu imunitních buněk známých jako neutrofily.

Budoucnost nanobotů pro podávání léků

V budoucnu mohou nanoboti integrovat různé hybridní struktury, typy buněk a tkání, stavební bloky řetězců DNA a proteinů a řadu mechanismů, které by jim mohly zajistit citlivost vůči různým patogenům. Mohly by také zahrnovat cévní sítě pro transport živin a neuronové sítě pro snímání a zpracování informací.

Jedno odvětví výzkumu se zaměřuje na vytváření xenobotů: živých robotů vyrobených z různých typů buněk, jako jsou svalové buňky pro pohyb a kožní buňky pro interakci s okolím. „Mohou být mnohem chytřejší než všichni tito [ostatní nanoboti], protože jsou vyrobeni z kožních buněk, které již mají spoustu senzorů, vylučovacích mechanismů, výpočetních strojů atd. Všechny tyto věci, které se jinak musí vytvářet od nuly, už tyto buňky mají,“ říká mi Michael Levin, profesor biologie a ředitel Allen Discovery Center na Tuftsově univerzitě.

Zatímco první xenoboti byli vytvořeni s použitím žabích buněk, v budoucnu by je mohlo být možné vyrobit i z lidských buněk. „Xenoboti, jakmile budou vyrobeni z lidských buněk, jsou ideální ve střevech a dalších velkých prostorách. Nepřekonají sice hematoencefalickou bariéru, ale mohou být chytří a rozpoznávat rány, specifické chemické signály, rakovinné buňky apod.“ komentuje Levin.

Protože jeden nanobot nemůže nést dostatek léků k léčbě nemoci, snaží se vědci také pochopit, jak se mohou pohybovat jako roje. Mohly by jich být stovky, tisíce nebo dokonce miliony, v závislosti na cíli. „Robotika v roji poskytuje výhody týkající se robustnosti. Ne všichni roboti musí být úspěšní, aby byl systém úspěšný, a umožňuje, aby každý robot nesl malé užitečné zatížení, které se spojí do dostatečného množství užitečného zatížení, aby bylo možné provést úkol,“ řekl Nelson.

Využití nanorobotů pro doručování léčiv je zatím v počátečních fázích výzkumu. Výroba v nanorozměrech naráží na problémy spojené s výrobou, integrací a interakcí se složitým biologickým prostředím. „Existují skupiny, které se ubírají tímto směrem, v němž budou nanoboti využíváni k dodávání léčiv, ale myslím, že k přechodu do kliniky je zapotřebí strategie, ne jen jeden výsledek výzkumu a voilá, všechny problémy vyřešeny,“ řekl Nelson.

Vědci v této oblasti musí stále řešit mnoho problémů, jako je omezená životnost biobotů, nedostatek inteligentního vnímání a nedostatek zobrazovacích technik, které by mohly sledovat nanoboty v reálném čase. Další výzvou je, že je imunitní systém může identifikovat jako hrozbu, kterou je třeba zlikvidovat dříve, než stihnou uložit svůj náklad léků – aby to vědci vyřešili, zkoumají materiály, které v našem těle nevyvolávají imunitní reakci.

Po překonání těchto překážek by lidstvo mohlo mít k dispozici armády tvořené inteligentními živými biologickými stroji s adaptivními schopnostmi bojovat proti nemocem, které nelze vyléčit současnými metodami.

Na celém světě dochází k obrovskému utrpení v důsledku četných zdravotních problémů a rozdílů ve zdravotní péči,“ tvrdí Levin. „To nelze řešit tradičními přístupy, ale vyžaduje to skutečnou regenerativní medicínu.

1 komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.