نسل جدید ربات‌ها که مانند زیردریایی در بدن شنا می‌کنند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، به نقل از ستاد نانو، این ذرات که از جنس پروتئین و به شکل حباب هستند، با استفاده از سوخت‌های طبیعی بدن به پیش رانده می‌شوند و به‌طور خودکار یا با کمک میدان مغناطیسی، تومورهای سرطانی را پیدا کرده و داروهای شیمی‌درمانی را مستقیماً به آن‌ها تزریق می‌کنند. موفقیت اولیه این فناوری در درمان تومورهای مثانه موش‌ها، امیدها را برای تحولی بزرگ در عرصه مبارزه با سرطان بدون عوارض جانبی گسترده، افزایش داده است

پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا گام بلندی در راستای تحقق نسل آینده ربات‌های میکروسکوپیِ تحویل‌دهنده دارو برداشته‌اند. آن‌ها با ابداع روشی ساده و کم‌هزینه، ساختار و فرآیند تولید این ربات‌های ریز را متحول کرده‌اند. این دستاورد علمی که در قالب مقاله‌ای در شماره دوم فوریه ژورنال معتبر «نیچر نانوتکنولوژی» منتشر شده، نشان می‌دهد که این ذرات هوشمند که به‌صورت حباب طراحی شده‌اند، قابلیت هدف‌گیری و نابودی تومورهای سرطانی در مدل‌های حیوانی را دارند.

پتانسیل ربات‌های میکروسکوپی یا «میکروربات‌ها» در حوزه پزشکی بسیار گسترده ارزیابی می‌شود. این اجسام ریز می‌توانند برای انجام مأموریت‌هایی در درون بدن، از جمله حس‌کردن نشانگرهای زیستی، دستکاری اجسامی مانند لخته‌های خون یا تحویل هدفمند داروها به محل تومورها طراحی شوند. با این حال، چالش اصلی، ساخت میکروربات‌هایی کارآمد، سازگار با بافت‌های زیستی (بیوکمپتیبل) و در عین حال مقرون‌به‌صرفه بوده است. تیم تحقیقاتی به رهبری «وی گائو»، استاد مهندسی پزشکی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا و محقق مؤسسه تحقیقات پزشکی هریتیج، پیش از این با استفاده از تصویربرداری اولتراسوند و هدایت مغناطیسی، ربات‌های چاپ سه‌بعدی مینیاتوری را برای رهاسازی داروهای ضدسرطان در یک مدل حیوانی به کار گرفته بودند. تولید آن میکروربات‌ها در اتاق تمیز و با تجهیزات تخصصی انجام می‌شد و دارای پوسته‌ای هیدروژلی از جنس پلیمری ژله‌ای بودند که یک حباب میکروسکوپی را در بر می‌گرفت.

اما اکنون، این تیم بین‌رشته‌ای به رویکردی ساده‌تر و در عین حال هوشمندتر دست یافته‌اند. گائو در این باره می‌گوید: «ما فکر کردیم، چه می‌شود اگر این سیستم را حتی ساده‌تر کنیم و فقط خود حباب را به یک ربات تبدیل کنیم؟ تولید حباب‌ها آسان است و از قبل می‌دانیم که با بدن سازگاری بسیار خوبی دارند. علاوه بر این، اگر لازم باشد می‌توان آن‌ها را بلافاصله از بین برد.» بر این اساس، محققان روشی برای ایجاد چنین ربات‌های حبابی ساده‌ای ابداع کردند. آن‌ها با استفاده از یک پروب اولتراسوند، محلولی متشکل از پروتئین سرم آلبومین گاوی (BSA) – که یک پروتئین استاندارد حیوانی و پرکاربرد در آزمایش‌گاه‌هاست – را به هم زدند تا هزاران حباب میکروسکوپی با پوسته‌ای پروتئینی ایجاد کنند.

گام بعدی، بهره‌گیری از یک ویژگی کلیدی دیگر پوسته پروتئینی، یعنی گروه‌های آمین فراوان روی سطح آن بود. گروه‌های آمین، مجموعه‌ای از اتم‌ها با پیوند کربن-نیتروژن هستند که به‌راحتی می‌توانند از نظر شیمیایی اصلاح شوند. با اتصال به این گروه‌های آمین، پژوهشگران دو نوع میکروربات با روش‌های مختلف کنترل حرکت ساختند. همچنین داروهای ضدسرطانی مانند دوکسورابیسین نیز با موفقیت به سطح هر دو نسخه متصل می‌شوند. محققان آنزیم اوره‌آز را به سطح هر دو نسخه از ربات‌های حبابی متصل کردند. اوره‌آز مانند یک موتور کوچک عمل کرده و به ربات‌ها حرکت می‌دهد.

این آنزیم واکنشی با اوره – یک محصول زائد فراوان در سراسر بدن که به مثابه سوخت زیستی برای ربات‌ها عمل می‌کند – کاتالیز کرده و آمونیاک و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. از آنجا که اوره‌آز به‌طور یکنواخت روی سطح حباب‌ها توزیع نشده است، با گذشت زمان، این محصولات در یک سمت بیشتر از سمت دیگر تجمع می‌یابند. این عدم تعادل، یک محیط شیمیایی نامتقارن در اطراف حباب ایجاد می‌کند که یک «فشار» خالص به وجود آورده و میکروربات‌ها را به جلو می‌راند.

در نسخه اول، تیم تحقیقاتی نانوذرات مغناطیسی را به سطح ربات‌های حبابی متصل کرد و آن‌ها را نسبت به میدان مغناطیسی پاسخ‌گو ساخت. با کمک تصویربرداری اولتراسوند از حباب‌های میکروسکوپی درون این ربات‌ها، می‌توان آن‌ها را با آهن‌رباهای خارجی به سمت یک هدف مشخص در بدن هدایت کرد. اما دانشمندان قصد داشتند یک گام فراتر بروند. گائو می‌افزاید: «ما می‌خواستیم ربات‌ها را باهوش‌تر کنیم.»

با توجه به این نکته که تومورها و مناطق التهاب‌زده در مقایسه با سلول‌های عادی، غلظت بالایی از پراکسید هیدروژن تولید می‌کنند، این تیم تصمیم گرفت آنزیم دیگری به نام کاتالاز را به سطح نسخه دوم میکروربات‌ها متصل کند. کاتالاز واکنشی با پراکسید هیدروژن انجام داده و آب و اکسیژن تولید می‌کند. از طریق رفتاری که به «شیمی‌گرایی» معروف است، حباب‌های مجهز به کاتالاز به‌طور خودکار به سمت غلظت‌های بالاتر پراکسید هیدروژن حرکت می‌کنند و این امر آن‌ها را مستقیماً به سمت تومورها راهنمایی می‌کند.

تیم گائو کارایی این دو طرح را در مدل‌های حیوانی مبتلا به تومور مثانه آزمایش کرد. نتایج نشان داد که هر دو نوع ربات حبابی قادرند با موفقیت دارو را به محل تومور برسانند و رشد تومور را به میزان قابل توجهی مهار کنند. این ربات‌های ساده‌شده نه‌تنها در تولید انبوه مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند، بلکه به‌لطف ماهیت پروتئینی خود، زیست‌سازگاری بالایی دارند و پس از انجام مأموریت نیز به‌راحتی تجزیه می‌شوند.

این دستاورد نویدبخش، افق‌های تازه‌ای در عرصه دارورسانی هدفمند و شخصی‌سازی شده برای بیماری‌هایی مانند سرطان گشوده است. امکان هدایت خودکار یا کنترل از راه دور این نانوذرات به سمت کانون بیماری، عوارض جانبی درمان‌های سیستمیک کنونی را به حداقل می‌رساند و کارایی دارو را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. با وجود نیاز به تحقیقات بیشتر و آزمایش‌های بالینی، به نظر می‌رسد ربات‌های حبابی در آینده‌ای نه‌چندان دور، به سربازان نامرئی و فوق‌هوشمندی تبدیل شوند که در جریان خون بیماران گشت‌زنی کرده و بیماری را در نطفه هدف می‌گیرند. این فناوری گامی بلند به سوی تحقق پزشکی دقیق و کم‌تهاجمی است.