Do roboty, nanoboty! Czym one są i czy pomogą zabijać raka. Właściwości mają fantastyczne

Nanotechnologia łączy elementy chemii, fizyki i inżynierii materiałowej. Jej celem jest manipulowanie materiałami tak, by nadać im odpowiednią strukturę i pożądane właściwości. Nano w języku greckim oznacza „karła”, w fizyce – rząd wielkości 10-9. Jeden nanometr (nm) to miliardowa część metra. Włos ma średnicę kilkudziesięciu, kilkuset mikrometrów (µm). Nasze czerwone krwinki, których nie widzimy gołym okiem, to ok. 5 µm, a wirusy zwykle posiadają rozmiary rzędu 1 µm. A to nadal jest 1000 nm!

Za pomysłodawcę nanotechnologii uznaje się wybitnego fizyka amerykańskiego Richarda Feynmana, który w 1959 r. wygłosił wykład „There’s plenty of room at the bottom” (Na dole jest jeszcze mnóstwo miejsca). Twierdził, że fizyka i chemia nie narzucają ograniczeń rozmiarów struktury, jakie będziemy umieli tworzyć. A przynajmniej – jesteśmy od tych granic nadal bardzo daleko. Mówił o manipulowaniu pojedynczymi atomami, budowaniu dowolnych cząsteczek i kryształów i projektowaniu z nich miniaturowych układów elektronicznych o wyspecjalizowanych funkcjach, wykorzystywanych również w ludzkim organizmie.

Fantastyczne właściwości

Równolegle w fantastyce naukowej zaczęło się pojawiać coś, co dziś możemy śmiało nazywać nanobotami, ewentualnie mikrobotami. Jednym z pionierów był tu zresztą Stanisław Lem – ze swoim „Edenem” (1959) czy „Niezwyciężonym” (1964). Podstawy naukowe ich tworzenia i działania nie były jednak szerzej opisywane, bo i sama nanotechnologia była wówczas zaledwie pomysłem bez nazwy (termin „nanotechnologia” pojawił się dopiero w latach 70.).

Przełomem były lata 80. Nowo odkryte struktury węglowe, jak fulereny i nanorurki, miały fantastyczne właściwości elektryczne, mechaniczne, wysoką odporność chemiczną i termiczną. Od nich zaczął się właściwy rozwój nanotechnologii – nauczyliśmy się wytwarzać nanostruktury z przeróżnych materiałów: metalicznych i organicznych. Zaczęliśmy je stosować w przemyśle, elektronice, ale i w bardzo prozaicznych sferach – w pastach do zębów (nanosrebro) i kosmetykach (tlenek tytanu). Cały czas też rozwijane były bardziej zaawansowane zastosowania, choćby nanoroboty czy też nanoboty.

Intuicyjne rozumienie tego pojęcia, powszechne w popkulturze, jest niestety zupełnie błędne. Bardzo trudno byłoby zbudować funkcjonalnego robota wielkości kilkuset nanometrów. Konieczne jest inne podejście. Jeśli zrozumiemy właściwości nanomateriałów, możemy tworzyć roboty, które nie muszą mieć kamer, napędu ani sztucznej inteligencji. Wykonają pożądane operacje, bo tak będą im nakazywały zasady chemii i fizyki. Zamiast na siłownikach, silnikach i manipulatorach polegać więc będą na energii powierzchniowej, wiązaniach chemicznych, oddziaływaniach elektrostatycznych. Zmyślnie zaprojektowanego nanobota można też kontrolować polem magnetycznym, światłem, nawet ultradźwiękami.

Materia jest bezmyślna

W istocie większość mechanizmów w naturze działa w ten sposób – materia jest sama w sobie bezmyślna. Wiele białek jest czasem nazywanych naturalnymi nanobotami, ponieważ mogą np. przenosić substancje wewnątrz naszych tkanek i robią to właśnie dlatego, że reakcje chemiczne, którym ulegają w żywym organizmie, wymuszają na nich pewne funkcje.

Do dyspozycji mamy już wiele rodzajów nanocząstek i technik ich otrzymywania. W przypadku dużych struktur (mikrocząstek, mikrobotów) można naparowywać metal na specjalne formy/szablony lub użyć metody litografii laserowej, która pozwala wycinać trójwymiarowe struktury z bardzo dużą dokładnością. Można też zsyntezować nanocząstki od zera – na drodze reakcji chemicznych na bardzo podstawowym poziomie. Nanocząstki dają się dalej modyfikować, łączyć ze sobą, wytrawiać, pokrywać powłokami, a każda taka zmiana będzie wpływała na ich zachowanie w określonych warunkach. Tak uzyskany system możemy nazwać nanobotem.

Nanoboty są badane przede wszystkim w zastosowaniach medycznych do terapii celowanej. Chodzi o dostarczanie leku lub antybiotyku w konkretne miejsce, bez podrażniania zdrowych tkanek i narządów. Elementy nanobotów pokrywa się ligandami, czyli cząsteczkami, które mogą służyć jak klucze naprowadzające do konkretnych komórek. Celowane nanocząstki mogą też się bardzo przysłużyć w diagnostyce, np. przenosić materiał promieniotwórczy, dzięki któremu diagnostycy mogliby z dużą dokładnością zlokalizować komórki nowotworowe. Nanocząstki mogą długo krążyć w organizmie niezauważone. Przechodzą z łatwością przez naczynia krwionośne i nie są podatne na filtrację nerkową (chyba że są mniejsze niż 5 nm). Może je wprawdzie wychwycić wątroba, ale tego da się uniknąć, np. pokrywając je otoczką z nietoksycznych, bioobojętnych materiałów.

Napęd odrzutowy

Dodanie nanobotom napędu zwiększa prawdopodobieństwo sukcesu. Wystarczy, żeby nasze nanocząstki były z ferromagnetycznego materiału. Stosując rotujące pola magnetyczne, możemy je wprawić w ruch obrotowy i nadać im prędkość do kilkuset mikrometrów na sekundę (jak udowodniła grupa badaczy pod kierunkiem Satoshiego Fujity i Bradleya Nelsona w „Advanced Functional Materials” już w 2015 r.). Z kolei statyczne pole magnetyczne może służyć do orientacji i nadawania kierunku samonapędzających się nanocząstek, np. system MANiAC (Magnetically Aligned Nanorods in Alginate Capsules) grupy Davida Cappelleriego zaprezentowany w 2021 r. Ich wynalazki były w stanie nawet płynąć pod prąd w symulatorze naczyń krwionośnych.

Nanocząstki, reagując z płynem, w którym są zanurzone, mogą wydzielać gaz, który zapewni im napęd odrzutowy. Zespół Martina Pumery w 2021 r. zaprezentował mikroboty (o długości ok. 10 µm) do rozbijania płytki nazębnej. Były wykonane z tlenku tytanu i platyny. Po zanurzeniu w rozcieńczonym roztworze wody utlenionej katalizowały jej rozkład do wody i tlenu. Odrzut cząsteczek tlenu nadawał im pęd. W kilka minut zabijały nawet do 95 proc. bakterii.

Dysponując symetrycznymi nanocząstkami w kształcie sfery lub sześcianu, możemy użyć innej ciekawej strategii – nanocząstek Janusa. To staroitalskie bóstwo początków, przejść i bram miało dwa oblicza – z przodu i z tyłu głowy. W nazwanych jego imieniem strukturach jedną półkulę nanocząstek pokrywa się np. warstwą katalityczną, która rozkłada wodę czy inny płyn, generując siłę odpychającą działającą w jednym kierunku. Tego rodzaju system przenoszący antybiotyki zaprojektował np. zespół z University of California San Diego. Mikrocząstki magnezu zostały „załadowane” lekiem i podane dopyszczkowo myszom z infekcją błony śluzowej żołądka. Magnez reagował z kwasami, wydzielając wodór, co zapewniło nanocząstkom bardzo dużą ruchliwość, dzięki czemu szybciej zwalczyły infekcję.

Nanobot uwalnia ładunek

Propozycji na system napędowy jest więcej. Eksperymentuje się z aktywowaniem światłem podczerwonym, które może penetrować nasze tkanki, prowadzi też badania nad systemem ultradźwiękowym (nad tą możliwością zastanawiano się już w 2012 r. w prestiżowym „ACS Nano”).

Kiedy nanobot dotrze do celu, musi uwolnić ładunek. Natura znów podsuwa wygodne narzędzia. Jednym z najczęściej badanych zastosowań nanobotów jest zwalczanie komórek nowotworowych. Wykazują one zwiększony metabolizm glukozy, zmieniają więc odczyn środowiska na bardziej kwasowy, w którym można np. rozpuszczać „pojemnik” i uwalniać środek leczniczy. Rozwiązanie skuteczne, ale niestety ryzykowne, bo miejsc o silnie kwasowym odczynie jest w naszym organizmie wiele.

Większą precyzję osiągniemy zmiennym polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz. Wywołana w ten sposób zmiana polaryzacji elektrycznej nanocząstek może uwolnić lek z ich powierzchni. Jeszcze bardziej wyszukane techniki to nanocząstki polimerowe, wrażliwe na ciepło, związane z nanocząstkami złota silnie absorbującymi światło podczerwone. Metal będzie się nagrzewać i oddawać ciepło polimerom, które ulegną rozpadowi lub restrukturyzacji i uwolnią lek. Nanocząstki mogą dostarczać leki nawet w trudno dostępne obszary – choćby do siatkówki oka (co opisano w 2018 r. w „Science Advances”).

Maszyny w medycynie

Nanoboty pomogą też, być może, w walce z zakrzepami krwi. Podane doustnie leki są mało efektywne, bo szybko się rozpuszczają i często wymagane są bardzo duże ich dawki. W „Science Advances” z 2020 r. opisano nanocząstki krzemu i platyny, na których osadzono leki przeciwzakrzepowe i antykoagulacyjne. Pokryto je trombocytami, naturalnymi strukturami inicjującymi procesy krzepnięcia, dzięki czemu nanoboty akumulowały się na zakrzepie. System przebadano na myszach. Nanoboty osiągały cel i utrzymywały się w nim przez dłuższy czas.

Możemy też wyobrazić sobie maszyny, które wnikają w nasz organizm i bardziej bezpośrednio zabijają komórki nowotworowe. W 2019 r. zaprezentowano spiralne mikroboty z magnetycznego materiału, które atakowały komórki nowotworowe, a dzięki przyłożeniu zmiennego pola magnetycznego intensywnie się nagrzewały. Komórki raka są nieco bardziej wrażliwe na ciepło niż komórki zdrowe i umierają już przy 42–45 st. C. W 2023 r. zbliżony eksperyment – z nanocząstkami sterowanymi magnetycznie i aktywowanymi podczerwienią – opisano w „ACS Nano”.

Mamy już więc szeroki wachlarz napędów i mnóstwo pomysłów na wykorzystanie nanobotów w medycynie. Znamy też sposoby radzenia sobie z nanobotami, które spełniły swoje zadanie. Jeżeli są sterowane magnetycznie, to można je w ten sposób również usunąć z organizmu. Inne, wytworzone z odpowiednich materiałów, same się rozpuszczą i zostaną wydalone lub też wchłonięte (jak nanocząstki magnezu). Często stosuje się też polimerowe powłoki, które zniwelują szkodliwość innych materiałów.

Nadal jednak potrzebujemy czasu. Większość opisanych eksperymentów to testy in vitro, na hodowanych w laboratorium komórkach. Konieczne są badania na zwierzętach i to wieloletnie, ponieważ musimy mieć absolutną pewność, że nanoboty nie są toksyczne. Sterowanie nanobotami w kolonii komórkowej na szalce Petriego jest niełatwe. Kontrolowanie ich w organizmie małego zwierzęcia w warunkach laboratoryjnych stanowi nieporównanie większe wyzwanie. W organizmie człowieka – to już wyprawa księżycowa. Jednak prace nad nią są intensywne, no a przecież – już kiedyś dotarliśmy na Księżyc.