Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания » американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем - совсем другой вопрос.
Спонсор номинации - .
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу , стал предприниматель Константин Синюшин , за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас ».
Спонсоры публикации этой статьи - Надежда и Алексей Браже.
Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист
.
Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов . Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.
Наномедицина - что это?
Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.
По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств » . Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места » . Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.
«Молекулярные машины»
Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию - использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии ». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов - наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики .
Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?
До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений .
В 2016 году за разработку молекулярного двигателя Бернарду Ферринге была присуждена Нобелевская премия по химии: «Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы - названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 » . - Ред.
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями , . Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
1. Навигация нанороботов
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов - применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор . Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма . Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина - 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology , в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов . Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.
Подробнее метод ДНК-оригами рассматривается в статьях: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет » , «Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме » и «Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять » . - Ред.
Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» - в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке - скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.
2. Наноробот - морской гребешок
Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины .
Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.
3. «Цинковые наноракеты»
Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм . Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).
Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а - Механизм работы «цинкового мотора». б - Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в - Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г - Фазы движения нанороботов.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
4. «Шустрые» наниты
Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде . Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.
По образу и подобию
Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе .
Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека
Наконец, в августе этого года, российские ученые подарили научному сообществу разработку поистине мирового масштаба: первые умные нано-роботы, способные выполнять простые логические операции и самостоятельно производить лечение при обнаружении патологии!
Молодой российский ученый Максим Никитин со своими коллегами опубликовал результаты своих исследований в одном из самых престижных научных журналов – Nature Nanotechnology. Примечательно, что открытие было сделано не благодаря, а вопреки российским научным реалиям: ученый провел исследование полностью на свои средства, самостоятельно закупал необходимые реагенты за границей, работал по 70 часов в неделю, а некоторые эксперименты проводил в домашней лаборатории, так как в институте по ночам работать не разрешается.
В вопросе «умных» наночастиц давно назрел важный вопрос: как научить нано-биоробота отличать больные клетки от здоровых? Ведь зачастую клетки отличаются не столько наличием какого-либо биомаркера, сколько его концентрацией. Проще говоря, в некоторых заболеваниях, таких как рак, здоровые и больные клетки очень похожи и отличаются только степенью концентрации некоторого вещества (маркера). Еще один вопрос – как программировать биоробота на анализ сразу двух факторов? Ведь если робот сможет анализировать несколько параметров (например, наличие одного вещества и отсутствие другого), то «нацеливание» лекарства будет более точным. С большей точностью будут поражаться именно патогенные клетки, а здоровые окажутся нетронутыми.
Благодаря технологии, разработанной Максимом Никитиным, теперь любую наночастицу можно превратить в умный биоробот, который способен самостоятельно «путешествовать» по организму, анализировать встреченные на пути клетки и вещества, определяя наличие или отсутствие тех или иных условий на основе базовых логических операций Да/Нет, И/Или, как в обычных компьютерах.
Максиму Никитину и его коллегам в лабораторных условиях удалось решить сразу обе задачи: отныне, как утверждают ученые, любую наночастицу можно «научить думать» и принимать простые логические решения на основе анализа нескольких параметров. Если встреченная на пути клетка соответствует всем условиям, то биоробот «выстреливает» в нее лекарство. Если нет, то клетка остается нетронутой. Первые чудесные «умные» лекарства на основе данной технологии могут появиться на наших прилавках в течение 10 лет, так как требуются дальнейшие разработки для конкретных заболеваний и клинические испытания. Главное, что теперь для разработки таких лекарств существует работающая технология, которая, кстати, уже запатентована.
Чтобы нашим читателям было более понятно, почему данное открытие является настоящим прорывом в медицине и биологииии, приведем пару примеров возможного использования умных нано-биороботов.
Например, в случае воспалительного процесса в организме выделяются особые вещества – цитоксины. Если наноробот зафиксировал повышенную концентрацию цитоксинов в клетке, то он доставляет в нее лекарство. Если число цитоксинов в клетке находится в пределах нормы, то биоробот не трогает ее и идет обследовать другие области.
На основе запатентованной технологии возможно создать жизненно важное лекарство для диабетиков. Нанороботы, находясь в организме, смогли бы анализировать два фактора: концентрацию глюкозы и концентрацию инсулина в крови больного. Если первый фактор высокий, а второй – низкий, то биороботы генерируют необходимое количество инсулина. Еще один пример: в случае повышенного риска тромбообразования нанороботы смогли бы регулировать концентрацию веществ, которые препятствуют свертыванию крови.
Разработка российских ученых вскоре может лечь в основу нового поколения роботизированных нано-лекарств, которые буду работать в качестве так называемых тера-ностиков (этот термин означает одновременное проведение диагностики заболевания и его лечения).
Создание нано-биороботов – лишь одно из новейших научных открытий, которые были предсказаны в книгах Анастасии Новых из серии «Сэнсэй». Мы не знаем, откуда автор взяла эту информацию – но с каждым разом наблюдаем, что все описанное в книгах сбывается с точностью до дня. Такое чувство, что Анастасия Новых сама побывала в будущем, и знает какие технические прорывы нас ждут и дальше. Если вы хотите уже сейчас узнать, какие дальнейшие удивительные открытия и события ожидают человечество, поторопитесь познакомиться с этими великолепными произведениями, в которых вы найдете для себя неиссякаемый источник вдохновения и поразительно точную информацию о прошлом, настоящем и будущем нашей планеты! Эти книги можно скачать совершенно бесплатно с нашего сайта , или кликнув по цитате ниже.
Нанороботы - роботы, созданные из наноматериалов, размеры которые можно сопоставить с размерами молекулы. Данные устройства должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Их размеры не превышают нескольких нанометров. Ссылаясь на современную теорию, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне, благодаря электрическим и звуковым колебаниям. Также важной особенностью являются функции репликации - самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты.
Создано уже достаточно нанотехнологических устройств несмотря на то, что они являются экспериментальными установками, на практике их перспективы очевидны. Разработан наноэлектродвигатель, имеющий обмотку из одной длиной молекулы, способной без потерь передавать ток. При подаче напряжения ротор (состоящий из нескольких молекул) начинал вращаться. Существует также устройство линейной транспортировки, способное перемещать молекулы на заданное расстояние. Разрабатываются также молекулярные биосенсоры, антенны, манипуляторы.
Логично задать вопрос - когда же нанороботы придут в наш мир, станут для нас обыденностью, как компьютеры и интернет.
По прогнозам ученых, век нанороботов уже не за горами
Ученые уверены, что все перспективы могут осуществиться, наномашины будут в состоянии воссоздавать любые предметы из атомов, смогут омолаживать человека, станут искусственными производителями пищи, заполнят околоземное пространство и сделают пригодными для человека планеты и их луны.
Существуют, однако, и опасения по поводу наномеханики. Так книга «Машины Созидания» повествует о сбое в программе роботов, в силу чего они превращают всю землю в месиво из самих себя.
Данные взгляды не являются прерогативой фантастов, их поддерживает ряд ученых, которых в прессе иногда называют наноапокалиптиками. Профессор Евгений Абрамян в своей статье «Угрозы новых технологий» описывает ситуацию, при которой роботы, предназначенные для разборки на атомы отходов, начнут разбирать в силу сбоя и все остальное. При этом такие машины будут самореплицироваться. Кроме того, как отмечает ученый, эти микромашины могут стать основой для новых, еще более чудовищных, чем современные, средств ведения войны.
Так или иначе, шаг к созданию нанороботов уже сделан и мы в очередной раз сталкиваемся с вопросом постановки формулировки: меняют ли наши нововведения нашу же жизнь, или мы сами её меняем. Сможем ли мы создать на основе наномеханики мир, свободный от голода, нужды и при этом имеющий потенциал к развитию, или дорога из желтого нанокирпича приведет нас к хаосу новых войн будет зависеть от нас самих, но ясно одно: мир меняется и мы стремительно меняемся вместе с ним.
На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты. Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д. Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.
Наноро́боты, или нанобо́ты - роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.
Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.
Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.
Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.
Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.
Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду. Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.
После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.
Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.
Хотя многие технологии могут быть в будущем использованы для оживления криопациентов, возможно, начинать ознакомление с технологиями будущего оживления криопациентов надо с чтения FAQ (часто задаваемых вопросов) по наномедицине. Ведь нанотехнологии кажутся наиболее совершенным инструментом для клеточного ремонта и понимание их развития дает наиболее полную картину будущего восстановления криопациентов к жизни. Об этом еще в 1986 году писал отец современных нанотехнологий Эрик Дрекслер в своей научно-популярной книге "Машины созидания". К тому же, это направление интенсивно развивается по всему миру.
FAQ по наномедицине:
1. Из каких химических элементов будут состоять медицинские нанороботы?
Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм, 1 мкм = 10 -6 м) размера, собранного из наночастей. Эти части по размеру будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10 -9 м) и должны будут совокупно составлять работоспособную машину размером около 0.5-3 мкм в диаметре. При этом, три микрона - максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.
Углерод будет основным элементом, составляющим основу медицинских нанороботов, возможно в форме алмаза или алмазоидных нанокомпозитов - из-за огромной прочности алмазоида и его химической инертности. Многие другие элементы, такие как водород, сера, кислород, азот, фтор, кремний и др., будут использоваться для специального применения в нанометрических редукторах и других компонентах нанороботов (наноботов).
2. Могут ли жидкости, находящиеся в человеческом теле, проникать в нанороботов?
С медицинской точки зрения имело бы смысл определить наноробота как устройство, имеющее два пространства - внутреннее и внешнее. И это правда, что внешнее пространство наноробота будет соприкасаться с внешним окружением - биохимической машиной человека. Но внутреннее пространство наноробота полностью искусственно организовано (вероятнее всего, внутри нанороботов будет вакуум), и при нормальной работе устройства в него не попадают посторонние жидкости, кроме тех, с которыми работает наноробот. Конечно, в процессе работы наноробот может пропускать внутрь себя жидкости для химического анализа или для других целей. Но важно, что это устройство будет водо- и воздухонепроницаемым. Жидкости, находящиеся в теле человека не смогут проникнуть внутрь наноробота, кроме жидкостей, специально нагнетаемых механизмом.
3. Каким будет физическое самочувствие человека, которому ввели внутрь медицинских нанороботов?
В большинстве случаев пациент, проходящий наномедицинскую обработку, выглядит точно так же, как и другой такой же больной человек. Типичная наномедицинская обработка (например, очистка от бактериальной или вирусной инфекции) будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров нанороботов микронного размера, растворенных в жидкости (возможно в воде или в солевом растворе). Типичная терапевтическая доза может включать от 1 до 10 триллионов (1 триллион = 10 12) отдельных нанороботов. Естественно, что в зависимости от заболевания можно ограничиться несколькими миллионами или несколькими миллиардами механизмов. Каждый наноробот будет размерами от 0.5 мкм до 3 мкм в диаметре. Размеры зависят от вида и назначения наноробота.
Тело взрослого человека имеет объем около 100 000 см 3 и объем крови ~5400 см 3 , поэтому добавление дозы нанороботов объема ~3 см 3 практически несущественно. Нанороботы будут делать только то, что скажет врач, ничего более (таким образом исключена возможность неисправностей). Таким образом, изменится только физическое состояние пациента - он будет очень быстро поправляться. Большинство болезней типа простуды или лихорадки имеют симптомы, обусловленные биохимически. Их можно будет устранить, вводя дозу соответствующих нанороботов. Восстановление нормального состояния кожи при высыпаниях на ней или ее повреждение (как это случается при кори), будет происходить медленнее, так как в этом случае необходимо будет полностью восстановить кожный покров.
4. Как будет выглядеть типичный наноробот?
Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы. Ни один наноробот еще не сконструирован, наконец. Многие, теоретически правильные на бумаге разработки нанороботов, в будущем будут уточняться после соответствующих исследований.
5. Можете ли вы дать пример простого медицинского наноробота?
Очень простой наноробот, которого я (Роберт Фрайтас, прим. перев.) разработал несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная "респироцитом". Размер респироцита - 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18миллиардов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма.
Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O 2) и молекул диоксида углерода (CO 2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).
Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами ("Nanosystems", стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O 2 выше, чем CO 2 , поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO 2 . Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO 2 относительно высокое, а парциальное давление O 2 низкое, то роторы будут нагнетать CO 2 , выпуская O 2 .
Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки - 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см 3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см 3 крови пациента (то есть ее всю)!
Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении. Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!
Описанное "простое" устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.
6. Могут ли "устаревшие нанороботы", содержащиеся в человеческом теле, создавать проблемы, если они в конечном счете откажут?
После наномедицинской обработки, нанодоктора 21 столетия захотят удалить терапевтических нанороботов из тела пациента тогда, когда механизмы завершат свою работу. Поэтому опасность того, что "устаревшие нанороботы", оставшиеся в теле пациента, будут работать неверно, очень мала.
Также нанороботы будут спроектированы с высоким уровнем статической неопределимости для того, чтобы избежать сбоев в работе устройства, и устранить тем самым медицинский риск.
7. Как нанороботы будут удалены из тела?
Некоторые наноустройства способны к самоудалению из организма путем естественных человеческих экскреторных каналов. Другие будут спроектированы таким образом, чтобы позволить их удаление медицинским персоналом, используя выводяще-подобные процессы (обычно называемые нановыводом или наноаперезисом) или активные фагоцитозные системы. Это зависит от устройства данного наноробота. Для респироцитов, ранее рассмотренных, процедура выведения их из тела пациента проста:
"Как только терапевтическое применение закончено, было бы желательно вывести искусственные устройства из кровотока. Бортовой резервуар с балластом (водой) полезен при отделении искусственных клеток от крови. Кровь, нуждающаяся в очистке поступает в специально сконструированную центрифугу, где респироцитам дают команду ультразвуком очистить их балластные резервуары от воды и, таким образом, установить нулевую плавучесть. Ни один твердый компонент крови не обладает нулевой плавучестью, поэтому остальные компоненты будут отделены от респироцитов с помощью аккуратного центрифугирования. После этого, плазма, содержащая респироциты, пропускается через фильтр с зернистостью 1 мкм, отделяя респироциты от плазмы. Отфильтрованная плазма смешивается с твердыми телами, полученными в течении центрифугирования и кровь неповрежденной возвращается к пациенту. Скорость отделения респироцитов может варьироваться с помощью команд, изменяя плотность респироцита заполнением балластного резервуара. Так можно добиться у респироцитов 66% плотности плазмы крови, или, командой от врача, выпустить 5 микронный пузырек кислорода, присоединяясь к нему благодаря силе поверхностного натяжения, всплывать с постоянным ускорением наверх." (Роберт А. Фрайтас, "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell.")
8. Будут ли нанороботы, находящиеся внутри человеческого тела, атакованы иммунной системой?
Иммунная система, в основном, реагирует на "чужеродные" поверхности. Размер наноробота также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Вообще же, проблема биосовместимости, в принципе, не сложнее проблемы совместимости биоимплантантов. В некоторых случаях эта проблема оказывается проще, чем ее привыкли представлять, так как многие типы медицинских нанороботов будут временно находиться в человеческом теле. Даже на сегодняшний день, применение иммунноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения, помогут иммунно незащищенным роботам находиться в теле человека и выполнять там свою работу без проблем.
Конечно, идеальный выход из данной проблемы - конструирование роботов из алмазоидных материалов. Ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие ("организованное", т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.
Однако, даже организованные поверхности не будут обеспечивать достаточной биоинактивности, и только активное управление поверхностью робота может обеспечить полную биосовместимость всего устройства.
9. Как быстро нанороботы смогут реплицироваться внутри человеческого тела?
Это очень распространенная ошибка. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.
Репликация - основная возможность претворения в жизнь молекулярного производства (молекулярной нанотехнологии). Но, несмотря на наиболее необходимые применения самореплицирующихся систем, просто нет смысла рисковать, изготавливая "жизнеспособные" нанороботы внутри организма, в то время как "нежизнеспособные" нанороботы могут изготовляться очень быстро и дешево вне человеческого тела, не причиняя ему опасности. Репликаторы будут всегда под строжайшим контролем со стороны правительств всего мира.
10. Могут ли медицинские нанороботы обладать искусственным интеллектом, похожим на человеческий?
Это другая широко распространенная ошибка. Многие медицинские нанороботы будут иметь очень простые бортовые компьютеры. Респироциты, например, будут иметь нанокомпьютер, выполняющий всего 1000 операций в секунду, что намного меньше вычислительной мощности компьютера Apple II.
Большинство нанороботов, исправляющих клетки, не нуждаются в компьютерах с производительностью более ~10 6 -10 9 операций в секунду для исполнения своей работы. Это на 4-7 порядков меньше вычислительной мощности человеческого мозга, составляющей ~10 13 операций в секунду. Большей скорости вычислений для нанороботов не требуется.
11. От каких источников энергии будут работать нанороботы?
Одним из ранних предположений Эрика Дрекслера в "Двигателях создания" было использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека (in vivo). Таким образом, наноустройство сможет при помощи механохимических реакций получать энергию из метаболиза О 2 и глюкозы. Другая возможность - получение акустической энергии извне, что наиболее удобно при клиническом применении. В главе 6 "Nanomedicine: Basic Capabilities" описана дюжина других источников энергии, потенциально доступных в человеческом теле.
12. Как можно будет связаться с этими машинами, когда они завершат свою работу?
Для этого существует много способов. Простейший путь состоит в распространении тестовых акустических сигналов внутри тела, которые нанороботы in vivo будут принимать. Устройство, похожее на ультразвуковой датчик будет раскодировать акустические сигналы с частотой порядка 1-10 МГц. Таким образом, врач, проводящий лечение, может легко посылать новые команды нанороботу, находящемуся в теле человека. Каждый наноробот имеет автономный источник энергии, компьютер, набор сенсоров, и, поэтому может принимать акустические сигналы, декодировать их и посылать соответствующий ответ.
Существует еще вторая половина процесса передачи данных - от нанороботов врачу. Эти данные также можно передавать акустически. Однако, возможности бортовой силовой установки робота ограничивают радиус передачи акустических сигналов до нескольких сот микрон для каждого наноробота. Поэтому необходимо будет создать внутреннюю сеть, собирающую локальные данные, и, затем, пересылающую их к центральному "пункту связи", где лечащий врач сможет их принять с помощью высокочувствительных ультразвуковых сенсоров. Подобная сеть, состоящая примерно из 100 биллионов мобильных узлов (рассеивающих 60 Вт тепла, в то время как нормальное рассеивание энергии человеческого тела - 100 Вт) внутри тела пациента может быть установлена в течение часа.
Кроме вышеназванного способа, существует ряд других, более сложных методов обмена сообщениями.
13. Если медицинские нанороботы будут введены в тело внутривенно, как можно будет проследить их расположение?
Как только навигационная сеть внедряется в тело пациента, она образует навигационную систему со многими станциями позиционного управления нанороботами.
Месторасположение нанороботов in vivo будет передаваться через коммуникационную сеть. Так как обычная терапевтическая доза нанороботов составляет биллионы или триллионы устройств, то неважно получать данные о месторасположении каждого робота. Передача данных о индивидуальном расположении нанороботов возможно лишь при их дозе менее миллиона.
14. Какими видами детектирующих систем нанороботы будут отличать различные типы клеток?
Каждый тип клеточной поверхности имеет уникальный набор антигенов. Некоторые поверхностные антигены отображают статус клетки (здорова/больна и т.д.), тип органа, и даже индивидуальность организма (что-то наподобие биохимического номера "социальной защиты", присущей каждому организму).
Поэтому короткий ответ на этот вопрос таков: необходимо использовать хемотактические сенсоры (схожие с сенсорами в химической силовой микроскопии), имеющие конфигурацию связывающей поверхности тех антигенов, которыми обладает искомая клетка. Знание о структуре этих антигенов будет получено при обработке результатов Проекта Человеческого Генома в начале 21 веке.
15. Как будут химические агенты (например лекарства против рака) транспортироваться и доставляться к определенной клетке?
Как только определена группа клеток, нуждающихся в доставке лекарства, наноустройства просто доставляет лечащий агент в клетку из бортовых хранилищ. Инъекция 1 см 3 1-микронных наноустройств содержит в себе как минимум 0.5 см 3 лечащего агента. Практически все эти биллионы нанороботов достаточно "умны" для того, чтобы доставить 100% своего багажа внутрь клетки, поэтому эффективность их применения составит 100%. Сенсоры на борту устройств обеспечат надежный контроль за передозировкой клеток лекарством.
Однако, этот вопрос - яркий пример "анахронизма" в наномедицине. Развитая нанотехнология сможет в будущем обеспечить другой путь, менее деструктивный для достижения той же цели. Например, доставка цитотоксина в тканевые клетки необязательно при удалении карциноматоза на клеточном и генетическом уровне.
16. Возможно ли увидеть in vivo наноробота, используя радиоизотопный метод, или необходимо рассматривать их непосредственно в тканях?
Да, наноустройства могут наблюдаться внутри тела при помощи MRI, особенно если их алмазоидные компоненты будут изготовлены из атомов 13C, а не обычных 12C. Изотоп углерода, 13C имеет ненулевой магнитный момент. Но в эре наномедицины изотопный подход будет, опять-таки, анахронизмом. Объясним, почему.
Применяя классический медицинский метод к нанолечению, медицинские нанороботы должны быть сперва инъектированы в тело пациента (или орган) для начала работы. Врачи хотели бы наблюдать прогресс лечения, и быть уверенными, что наноустройства действительно взаимодействуют с искомыми клетками и попадают в район заболевания. Поэтому первым инстинктивным желанием врачей будет желание видеть нанороботы в теле за работой. Говоря по-другому, врачи хотели бы сканировать участки тела, и увидеть наноустройства, находящиеся возле цели их применения (в органах, тканях и т.п.).
Однако, технологии, изготовляющие наноустройства с молекулярной точностью, могут позволить разработать и встроить внутрь нанороботов механизмы для коммуникации и навигации. Также будут разработаны коммуникационные сети внутри тела пациента. Терапевтические наноустройства, запрограммированы на специальные поверхностные антигены клеток искомой ткани. Это дополнительный инструмент, помогающий нанороботу работать внутри заданной области с необходимой точностью (около миллиметра или точнее).
Поэтому корректная модель медицинского вмешательства в наноэпоху будет выглядеть следующим образом: нанороботы, введенные в человеческое тело будут абсолютно инактивны за пределами области медицинского вмешательства. Даже внутри искомой области нанороботы пребывают неактивными до тех пор, пока их сенсоры не будут хемотактически активированы индивидуальной последовательностью белков, характерной для клеток, подлежащих лечению. Нанороботы будут также разработаны таким образом, чтобы активироваться только по акустическому сигналу извне (например, от врача, который, наметив пораженную область выделяет область активирования на пространственной координатной сетке, совмещенной с телом пациента), и только затем производить сенсоринг клеточных белков. Врач целиком контролирует местопребывание и статус нанороботов в течение всего лечения. Сигналы на остановку нанороботов могут быть поданы в любое время.
Также важно, что при этом нанороботы смогут обмениваться данными о своем местоположении, количественном характере заболевания и о процессе лечения. Диапазон передачи сигналов отдельного наноробота ограничен, но и эти технические трудности преодолимы. В этой модели лечения врач получает данные от активных нанороботов. Они сообщают врачу, сколько раковых клеток в их окружении; где находятся механизмы, и т.д. У бортовых компьютеров наномашин будут системы предотвращения сбоев (подобно пяти независимым бортовым компьютерам в космическом шаттле), устройства блокировки робота при сбоях и системы полной остановки при выводе роботов из тела.
Поэтому, при лечении таким способом, совершенно неважно полностью представлять наноустройства непосредственно, так как обратная связь от нанороботов облегчит их контроль и визуализацию.
17. Можно ли использовать тканевую биопсию и последующую электронную микроскопию для отображения процесса работы роботов при лечении заболевания?
Да, можно использовать методы биопсии для обнаружения нанороботов в тканях пациента, используя электронную микроскопию. Однако, в нормальных условиях, медицинские нанороботы будут работать без сбоев, так что биопсия станет ненужной. Наноустройства, разработанные с использованием протоколов, исключающих некорректную работу и имеющие ряд механических устройств, повышающих надежность работы устройства, практически не будут работать некорректно.
В обычной биопсии первичный интерес представляет исследуемая ткань (не наноустройства, а именно состояние самой ткани). Но наноустройства могут быть использованы для быстрого тестирования ткани, исследования ее биохимии, биомеханики и гистометрических характеристик ("гисто" - ткань) с большой точностью и подробностями. Вообще, в эру профессиональной наномедицины, будет важно производить ряд тестов in situ (по месту, на отдельном препарате, без организма), прежде чем начинать лечение. Это облегчит последующую наномедицинскую процедуру и сделает ее более комфортабельной для пациента.
18. Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?
Некомпетентность или халатность лечащего персонала - вот первостепенная опасность для пациента. Однако, как и сейчас, так и в эре нанотехнологий, такие случаи должны быть нечасты.
Ошибка может происходить в неожиданных случаях. Биосовместимость человека с нанороботами хорошо изучена и не представит проблемы. Несколько взаимозаменяемых бортовых компьютеров робота разрешат проблему перепрограммирования, адаптации, сбоев даже после того, как он начнет свою работу внутри ткани. В заданиях с высокой степенью риска будут введены в действие усложненные протоколы работы роботов, исключающие неправильную работу совокупности наномеханизмов.
Поэтому наиболее серьезные проблемы могут появляться при совместной работе триллиона механизмов в ограниченном пространстве и за очень короткий промежуток времени. Одним из непредвиденных сбоев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно определить в настоящее время, и, по всей видимости, они будут проверены при тестировании уже готовых роботов.
Простым примером подобной неисправности будет взаимная работа двух типов нанороботов в одной ткани. Если наноробот типа А запрограммирован восстанавливать последствия работы наноробота В, то, ткань, содержащая их обоих, подвергнется сначала воздействию наноробота В, а, затем, наноробот А удалит все результаты вмешательства наноробота В, что в свою очередь приведет к повторной работе наноробота В и так далее до бесконечности. То есть нанороботы будут "исправлять" работу друг друга.
Но даже в подобной ситуации контроль над роботами сохраняется. Лечащий врач, наблюдая процесс лечения, либо отключит один тип наноробота, либо перепрограммирует оба (пока они все еще внутри тела), чтобы их работа не вызывала деформацию тканей. Врач должен все время держать "руку на пульсе", чтобы избежать подобных ситуаций. Вмешательство лечащего врача - основной регуляционный элемент в неожиданных неисправностях и проблемах, поэтому квалификация лечащего персонала играет первостепенную роль.
19. Какая была бы наибольшая выгода для человечества, в использовании наномедицины?
Наномедицина исключит почти все широко распространенные заболевания двадцатого столетия, боль; увеличит срок жизни человека и расширит наши умственные возможности.
Устройство для хранения данных нанометрических размеров, способное хранить информацию, эквивалентную информации Библиотеки Конгресса, займет всего ~8 000 микрон 3 , что составляет объем клетки печени и меньше объема, занимаемого нейроном - нервной клеткой. Если имплантировать подобные устройства в человеческий мозг вместе с устройствами, обеспечивающими к ним доступ, то объем информации, способной храниться в человеческой памяти, неизмеримо вырастет.
Простой нанокомпьютер, выполняющий 10 терафлоп операций в секунду (10 терафлоп - 10 13 операций с числами с плавающей запятой) детально описанный Дрекслером, также занимает объем средней человеческой клетки. Этот компьютер эквивалентен (со многими упрощениями) счетной способности человеческого мозга. Он рассеивает в окружающую среду около 0.001 ватт тепла. Человеческий мозг при таком же количестве операций в секунду, рассеивает 25 ватт тепла. Если имплантировать в человеческий мозг несколько таких устройств, можно в несколько раз ускорить процессы человеческого мышления.
Но, возможно, основной пользой для человечества будет эра мира, наступившая благодаря развитию нанотехнологий. Мы надеемся, что умные, образованные, здоровые, ни в чем не нуждающиеся люди, имеющие хорошие дома, не захотят воевать друг с другом. Люди, могущие прожить жизнь гораздо полнее и дольше, чем сейчас, не захотят подвергать свое существование угрозе.
Загрузка...