Míkrólæknar ráðast inn í líkama þinn

Þeir synda um í þvagblöðru þinni, bora sig í gegnum augað og skríða um í þörmunum. Heill her af agnarsmáum róbótum er tilbúinn að fræsa sig í gegnum krabbameinsæxli og sundra æðatöppum inni í líkama þínum.

BIRT: 18/01/2022

LESTÍMI:

6 mínútur
Share on facebook

Róbótinn sem er einungis 0,000001 mm stór nálgast hægt og rólega endamark sitt: Krabbameinsæxli sem hefur á síðustu mánuðum vaxið í þörmum sjúklingsins.

 

Borinn fram af vökvum þarmanna nálgast róbótinn áfangastaðinn þar til hann rekst á illkynja æxlið. Teymi lækna fylgist nákvæmlega með ferðum róbótans.

 

Strax og hann snertir æxlið kveikja þeir á öflugu UV-ljósi og róbótinn tekur að snúast með þremur milljón snúningum á sekúndu.

 

Eldskjótt fræsir róbótinn banvænt gat í æxlið og hverfur síðan út í gegnum meltingarveginn.

 

Míkrómótorinn sem var þróaður af vísindamönnum við Rise University í Houston, er alls ekki eini agnarsmái róbótinn sem á síðustu árum hefur verið smíðaður á verkstæðum verkfræðinganna.

 

Róbótarnir eru allir minni en 1 cm og verða notaðir til þess að lækna allt frá æðatöppum til krabbameina. Með innblástur frá heimi dýranna eru læknar nú reiðubúnir að láta það skríða og skrúfast um í líkama þínum.

 

Róbótar hertaka líkamann á þrjá vegu

Þeir skríða, skrúfast eða snúast að áfangastað sínum til að lækna þig. Verkfræðingar hafa hannað margvíslegan nanó- og míkróróbóta sem með afar mismunandi hætti komast um torfærurnar inni í líkamanum.

Míkrómótor fræsir göt í krabbafrumur

Hann er ekki stærri en 0,000001 mm en engu að síður getur þessi litla H-lagaða sameind valdið miklum skaða. Þegar UV-geislar skella á róbótanum taka tveir helmingar hans að snúast með þremur milljón snúningum á sekúndu og geta borað krabbaæxli í tætlur.

Skrúfandi keðja sundrar æðatappa

Spíralsnúin bakterían Borrelia er innblásturinn að baki agnarsmáum róbóta sem á að skrúfa sig inn í æðatappa þannig að þeir falli í sundur og hverfi. Róbótinn samanstendur af mörgum kúlulaga nanóögnum úr járnoxíði sem sitja saman í keðju.

Lirfur mjakast í gegnum þarminn með lyf

Með hundruði 1 mm löngum segulmögnuðum fótum getur lirfulíkur róbóti farið í gegnum torfærur þarmanna. Breytilegt segulsvið veldur því að búkur þessi getur snúið sér og lyft sér til að skríða yfir hindranir.

 

Efnafræðingur ruddi brautina

Ef þú ert með útbrot á kinninni þá smyr læknirinn ekki allt andlit þitt með kremi. En þegar veikindin eru inni í líkamanum er mun erfiðara að veita markvissa meðhöndlun.

 

Þjáist sjúklingur sem dæmi af krabbameini verða allar frumur líkamans fyrir efnameðferðinni og meðferðin kemur þannig einnig niður á heilbrigðum frumum.

 

Því hafa vísindamenn um áraraðir leitast við að smíða róbóta sem geta meðhöndlað þá kvilla sem læknar og skurðlæknar ná ekki til. En þetta hefur reynst mikil áskorun því það þarf feiknarlega nákvæmni eigi róbótarnir ekki að skaða aðra hluti líkamans.

 

Bernard Feringa hlaut árið 2016 Nóbelsverðlaunin í efnafræði fyrir sameindamótor sem hann fann upp árið 1999 og myndar grunninn að míkróróbótum nútímans.

Ráðinn var bugur á þessum vanda þegar hollenskur efnafræðingur fann árið 1999 upp sameindamótor – uppfinningu sem hann hlaut Nóbelsverðlaun fyrir árið 2016. Mótorinn samanstendur af tveimur sameindum sem tengjast hvor annarri með sameiginlegum öxli sem þær snúast báðar um.

 

Þegar mótorinn er lýstur með UV-ljósi fær önnur sameindin orku til sín sem fær hana til þess að snúast hálfa vegu um öxulinn. Sameindin safnar í sig orku frá ljósinu og að lokum getur hún snúist um sjálfa sig með 3 milljón snúningum á sekúndu.

 

Mótorinn sýndi að mögulegt er að stýra agnarsmáum maskínum með því að stilla af orkuna sem berst til þeirra. Síðan hefur mikil þróun átt sér stað og framfarir innan bæði nanó- og róbótatækni fela í sér að vísindamenn búa núna yfir heilum her af míkróróbótum.

LESTU EINNIG

Hvelja skilar lyfinu

Hveljur á þroskastigi milli holsepa og fullvaxinna dýra eru ákaflega einfaldar í byggingu. Skrokkur þeirra skiptist í átta arma og þegar þær hreyfa armana upp og niður geta þeir ekki aðeins skapað skriðþunga heldur einnig stýrt straumi vatns undir örmum róbótsins.

 

Fyrir rafeindaverkfræðinginn Metin Sitti við Max Planck Institute for Intelligent Systems í Stuttgart, Þýskalandi, var hveljan á þessu þroskastigi einmitt sá innblástur sem hann þurfti til að útbúa róbóta hvers markmið er að skila lyfjum nákvæmlega þar sem þörfin er mest.

 

En í stað þess að festa farminn með króki eða einhverju svipuðu þá snertir róbótahveljan ekki lyfið. Þess í stað er farminum haldið föstum með hjálp einfaldrar vatnsaflsfræði.

 

Þegar hveljan fær orku frá rafseglum sem læknarnir stýra slær hún vængjunum til. Því meiri orku sem hún fær, þess öflugari verður vængjaslátturinn.

 

Sérhvert slag skapar straum undir hveljunni og það er einmitt þessi straumur sem nýtist í að flytja lyfið, því hvert vængjaslag myndar iðustraum sem heldur lyfinu á sínum stað undir hveljunni.

 

Vatnsaflsfræðileg hvelja skilar lyfinu handfrjálst

Innblásinn af raunverulegum hveljuungum mun lítill róbóti í framtíðinni skila lyfjum með mikilli nákvæmni í líkamann. En ólíkt svipuðum róbótum þá snertir þessi míkrólæknir aldrei lyfið.

Róbótinn flýtur á loftbólum

Vísindamenn móta hveljuna úr 0,065 mm þunnum skífulaga segli sem samanstendur af frumefnunum neódými, járni og bóri. Þegar róbótinn er á kafi er loftbóla sett í miðju hans sem eykur lyftinguna þannig að hveljan svífur í vatnssúlunni.

Róbótinn syndir milli segla

Róbótinn ferðast með aðstoð segulsviða og sjúklingurinn er því umlukinn hringlaga seglum. Læknarnir stýra róbótanum með því að lyfta og lækka segulsviðið og þannig geta þeir stýrt hveljunni í gegnum líffæri sjúklings með lyf.

Segulsvið stýrir hreyfingunum

Segulsviðið sveiflast í styrk frá t.d. 10 mT (millitesla) til -10 mT og virkar þannig á arma róbótans. Þegar segulsviðið er minnkað slást armarnir t.d. niður þannig að hveljan lyftist upp í gegnum vatnið og magnist sviðið slær róbótinn örmunum upp á við.

Iðustraumar halda farminum kyrrum

Þegar róbótinn hreyfir arma sína myndast iðustraumur í vatninu. Með því að stýra örmunum geta vísindamenn stjórnað iðustraumunum þannig að lyfið ýmist togast upp eða niður undir róbótanum. Þegar segulsviðið er kyrrt stöðvast hreyfingarnar og lyfið dettur niður.

Míkróher þrengir sér inn í auga

Flestir míkrólæknar eru hannaðir til að ferðast í líkamsvökva eða í holrúmum eins og t.d. þörmum eða þvagblöðru. En Peer Fisher við Max Planck Institute for Intelligent Systems í Stuttgart hefur valið aðra leið og hyggst senda sína míkróróbóta beint inn í auga sjúklingsins.

 

Augnalyf eru yfirleitt afar hægvirk og meðferðin ekki sérlega beinskeitt – meðferð við gláku reynir á allt augað en á í raun einungis að lækka þrýsting aftast í því.

Til þess að leysa þetta hefur Fisher skapað míkróróbóta sem eru 200 sinnum þynnri en mannshár. Með því að gufa segulmögnuð nikkel-atóm og láta gufuna þéttast á litlum kúlum úr kíseldíoxíði hefur hann skapað her af agnarsmáum róbótum.

 

Þegar nikkelgufan þéttist myndar hún litla spírala sem setjast á kísilkúlurnar. Litlu róbótarnir eru þaktir með lagi af teflonlíku efni svo þeir verða sérlega sleipir.

 

Það eru þessir litlu róbótar sem Fisher hyggst senda inn í augu sjúklinga til að skila lyfi á réttan stað.

Nanóskrúfa skilar lyfjum beint í augað

Vísindamenn við Max Planck-stofnunina hafa þróað nanóróbóta sem getur þrengt sér inn í augað langtum hraðar og með meiri nákvæmni en venjuleg lyf. Kísildíoxíðkúlur innihalda lyf sem eru leidd inn í augað  og nikkelspírall snýr sér í gegnum augað með farminn

Hann hefur þegar reynt aðferðina á augum grísa, þar sem hann sprautaði heilum her með 10.000 míkróskrúfum inn í hvert auga og notaði segla til að stýra hernum að nethimnunni.

 

Litlu róbótarnir afrekuðu þetta á einungis 30 mínútum sem er 10 sinnum hraðar en lyf sem eru látin drjúpa í augað og þurfa að ná sjálf til nethimnunnar.

 

Viðurkenndur róbót sundrar æxlum

Langflestir míkrólæknar eru ennþá einungis prófaðir á dauðum vefjum og líkum en nokkur árangur hefur fengist við prófanir á lifandi músum. Róbóti einn var þróaður af rafmagnsverkfræðingnum Wei Gao við Caltech og á hann að þrengja sér inn í krabbameinsæxli í líkamanum og drepa þau.

 

Róbótinn samanstendur af míkróhylki sem er einungis um 0,1 mm í þvermál og inniheldur allt að tíu nanómótora sem eru þaktir viðeigandi lyfjum.

 

Gao stýrir hylkinu með úthljóði og þegar það nær á áfangastað kveikir hann á innrauðum leysigeisla sem skellur á míkróhylkinu þannig að það brotnar og losar nanómótorana.

 

Leysiljósið virkjar jafnframt nanómótorana sem byrja að snúast og það heldur þeim föstum nærri æxlinu. Á sama tíma sér snúningurinn til þess að lyfið – sem umlykur mótorana – leysist hraðar upp og getur ráðist að krabbameinsfrumunum.

 

Fjölhæfir róbotar

Það finnst aragrúi af öðrum míkróróbótum sem vísindamenn um heim allan vinna að – sumir skríða eins og lirfur eftir þarmaveggjunum meðan aðrir brjóta sig saman eins og origamifígúrur meðan þeir flytja lyfin.

 

Læknavísindin eru farin að sjá kostina við að míkró- og nanóróbótar geti orðið mikilvægur þáttur meðferða.

 

En eins og sjá má eru róbótarnir ennþá takmarkaðir í hreyfingum og verkefni. Þeir geta ýmist skriðið, synt eða borað sig í gegnum líkamann. Því eru vísindamenn farnir að huga að róbótum sem komast yfir margs konar torfærur.

Þrjár milljónir snúningum á sekúndu gæti fyrsta sameindavélin náð.

M.a. hafa vísindamenn við Max Planck Institute komið fram með míkróróbóta sem getur bæði synt, skriðið, klifrað, rúllað og stokkið um í líkamanum.

 

Fyrsta skrefið er samt að nota míkrólæknana fyrir utan rannsóknarstofurnar og þar er ennþá nokkuð í land áður en róbótar verða sendir inn í líffæri sjúklinga. Því það þarf að vera fullkomleg vissa um að þeir geri engan skaða – og sú vissa er ekki enn til staðar.

 

Þess vegna á eftir að framkvæma margvísleg próf áður en læknarnir geta sent míkróróbóta inn í líkamann.

 

BIRT: 18/01/2022

HÖFUNDUR: GORM PALMGREN OG HENRIK VINTHER NIELSEN

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Ken Ikeda Madsen/Shutterstock, © Jeroen Van Kooten/University of Groningen/AFP/Ritzau Scanpix, Liz Do/Uni. of Toronto Engineering

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is