Создана 3D-система для проектирования медицинских нанороботов

Прогресс идет все быстрее, в том числе - в сфере медицины. Как и все остальные устройства, медицинская техника миниатюризируется: помимо теоретических исследований появляется все больше практических разработок нанороботов, способных функционировать в качестве автономных и управляемых на расстоянии сенсоров, источников энергии, сборщиков и передатчиков собранной информации об организме человека.

Этот процесс рано или поздно завершится созданием наноразмерных (размером до 100 нанометров) роботов, которые смогут свободно перемещаться внутри наших артерий, производя при этом диагностику и даже "ремонт" организма изнутри. Но перед этим ученым предстоит решить множество практических проблем, причем собственно миниатюризация часто оказывается далеко не главной. Среди наиболее серьёзных можно выделить проблемы перемещения нанороботов по организму; вопросы идентификации нанороботами областей организма, за которыми требуется наблюдать или на которые требуется воздействие; наконец, набор действий наноробота в отношении организма, например, локальный впрыск лекарства, механическое воздействие и т.п.

В настоящее время разработка и производство медицинских "роботов-микроорганизмов" находится в зачаточном состоянии. Уже разработаны отдельные компоненты наноботов, первые прототипы, но до массового производства еще далеко. Тем временем некоторые учёные идут в ином направлении - разрабатвают модели поведения нанороботов внутри огранизма человека. Так, не так давно в авторитетном журнале Nanotechnology появилась интересная статья Nanorobot architecture for medical target identification, по сути, послужившая предлогом для нашей сегодняшней публикации.

В этой 15-страничной статье, насыщенной формулами и снабженной аннотацией на 129 смежных работ, группа учёных – Адриано Кавальканти (Adriano Cavalcanti), Биджан Ширинзаде (Bijan Shirinzadeh), Роберт Фрейтас (Robert Freitas, Jr.) и Тэг Хогг (Tad Hogg), из исследовательских групп Center for Automation in Nanobiotech и Robotics and Mechatronics Research Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Monash University (Мельбурн, Австралия), а также Institute for Molecular Manufacturing и Hewlett-Packard Laboratories (Калифорния, США), представили 3D систему для моделирования и проектирования медицинских нанороботов.

Фактически, учёными впервые была разработана виртуальная реальность, получившая название NCD (Nanorobot Control Design), которая может применяться для изучения поведения виртуальных нанороботов, их взаимодействия с виртуальными биомолекулами, в виртуальных же артериях. Подобные системы 3D моделирования уже с успехом применялись, например, при разработке полупроводниковых наноструктур, то есть при проектировании микропроцессоров.

На практике платформа NCD позволяет визуально представить те процессы, которые происходят с нанороботом внутри человеческого тела. Правильная постановка задачи – как известно, половина дела. Благодаря использованию платформы NCD учёные надеются выявить все узкие места технологии заранее и тем самым значительно ускорить процесс разработки и практического внедрения медицинских нанороботов. И на этом этапе как раз обнаруживаются все выше перечисленные сложности. К примеру, для медицинского наноробота одной из наиболее сложных задач является маневрирование в непосредственной близости от биомолекулы для идентификации типа этой биомолекулы – всё это в кровяной среде, где перемещается множество самых различных частиц, в самых непредсказуемых направлениях и с различной скоростью.

С помощью пакета NCD уже сейчас учёные имеют возможность задать несколько стратегий "поведения" наноробота, изучить каждую из них и выбрать наиболее эффективную. Так, для выполнения задачи нанороботы могут использовать совершенно разные комплекты химических и температурных датчиков, а также разные траектории движения. Благодаря этому удастся сэкономить время, не растрачивая его на заведомо неэффективные направления исследований.

Для демонстрации возможностей системы учёные моделировали несколько различных начальных условий тестирования, где нанороботы задействовали несколько различных способов идентификации белков в кровяных сосудах с изменяющимся по ходу эксперимента диаметром. Виртуальные эксперименты уже подтвердили такие прогнозы, как, например, лучшие результаты работы нанороботов при поиске цели в более узких сосудах; высокую степень эффективности поисков при использовании химических и термических биосенсоров в сочетании с хаотической (блуждающей) моделью передвижения.

По словам учёных, наряду с процессами поиска и идентификации, система виртуального моделирования позволяет успешно использовать ряд интерактивных инструментов для разработки нанороботов – таких как методики контроля и управления нанороботом, общая концепция производства, дизайн силового привода (двигателя) и многое другое. Поскольку для разных элементов человеческого организма требуется разработка соответствующих специфических нанороботов, учёным приходится эмулировать самые разные процессы. На данный момент с помощью системы NCD проведены виртуальные исследования нанороботов для лапароскопической хирургии (предоперационные исследования брюшинной полости оптическими приборами), сахарной болезни (диабета), раковых заболеваний, аневризма мозга, кардиологии, биозащиты от боевых отравляющих веществ и систем доставки лекарственных форм непосредственно к участку их активного действия. Также изучаются побочные эффекты, возникающие при применении химиотерапии для лечения болезни Альцгеймера.

По словам участников проекта, успеха в разработке столь сложной виртуальной системы для моделирования поведения биологических нанороботов удалось добиться лишь благодаря взаимодействию специалистов в самых разных областях наук и технологий. Наряду с химиками, электронщиками, программистами, физиками, механиками, специалистами по фотонике и разработке новых материалов, к работе были привлечены лучшие фармацевты и медики. На следующих этапах также предполагается привлечение к работам специалистов по геномике (genomics) – отрасли молекулярной генетики, изучающей геномы.

Теперь давайте поговорим о сроках. Создания прототипов первых медицинских наноботов можно ожидать уже в ближайшие годы. Но, к сожалению, в мире нанотехнологий между прототипом и внедрением в производство могут пройти десятилетия. Дело не только в необходимости совершенствования прототипа, но и в том, что для практических целей требуются миллиарды медицинских наноботов на одного человека. Организация производства такого количества сложнейших миниатюрных электронных систем требует много времени и ресурсов. Поэтому нам придется подождать некоторое время - как минимум, пару десятков лет.

Так давайте жить до той поры! А о тех, у кого не получится, позаботится КриоРус!