العلم > تشغيل الروبوتات النانوية / لاري جرينماير

تشغيل الروبوتات النانوية / لاري جرينماير

قد يستغرق حل جميع التحديات التقنية 20 عامًا أو أكثر، ولكن الخطوات الأولى نحو طب التحكم عن بعد قد تم اتخاذها بالفعل

روبوتات النانو تجوب مجرى الدم. الصورة: شترستوك

إن المستقبل البعيد الذي يتصوره الباحثون المشاركون في طب النانو سيتضمن رسلًا طبيين صغيرين سيتنقلون في الجسم بذكاء وبشكل مستقل للوصول إلى هدف محدد في أي مكان في الجسم، وهناك فقط. عندما تصل هذه الآلات إلى هدفها بمفردها، ستكون قادرة على التصرف بعدة طرق، بدءًا من إطلاق الأدوية وحتى تقديم تحديثات حية حول التقدم المحرز في معركتها ضد المرض. وبعد ذلك، عند الانتهاء من مهمتهم، سيخضعون لتحلل بيولوجي آمن ولن يتركوا أي أثر تقريبًا. ستُصنع هذه الروبوتات النانوية من مواد مناسبة للبيئة البيولوجية، مثل المعادن المغناطيسية أو حتى خيوط الحمض النووي الرفيعة. وسيتم اختيار جميع المواد بعناية وفقاً لفائدتها على المستوى الذري وقدرتها على التسلل عبر أنظمة الدفاع في الجسم دون التدخل ودون التسبب في أي ضرر خلوي.

ورغم أن تحقيق هذه الرؤية سيستغرق حوالي عشرة أو عشرين عاما، إلا أن الباحثين في مجال الطب قد بدأوا بالفعل في النظر في بعض المشاكل التقنية التي تثيرها. أحد أكبر التحديات هو التأكد من وصول الأجهزة إلى هدفها في الجسم.

بقوة الموجة

إن معظم الأدوية الموجودة في السوق اليوم يتم امتصاصها بسهولة في مجرى الدم في الجسم، سواء تم حقنها مباشرة أو امتصاصها عن طريق الجهاز الهضمي، عن طريق الحبوب على سبيل المثال. لكنهم ينهون رحلتهم ليس فقط عند الحاجة إليهم، ولكن أيضًا حيث قد يسببون مضاعفات غير مرغوب فيها. ومن ناحية أخرى، سيتم تصميم أدوية النانو المتطورة بحيث يمكن توجيهها إلى ورم سرطاني أو إلى موقع آخر به مشاكل وتفريغ المنشط هناك، وبالتالي تقليل مخاطر الآثار الجانبية.

إن المجالات المغناطيسية والموجات الأسرع من الصوت (الموجات فوق الصوتية) هي المجالات المرشحة الرئيسية لتوجيه طب النانو على المدى القريب، كما يقول جوزيف وونج، صاحب كرسي هندسة النانو والأستاذ الأول في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو. يقوم الباحثون الذين يطبقون النهج المغناطيسي بدمج الجسيمات النانوية من أكسيد الحديد أو النيكل، على سبيل المثال، في الدواء. ثم يقومون بتنشيط مجموعة من المغناطيسات الموجودة خارج جسم الفأر أو حيوان التجارب الآخر ودفع الدواء المعدني أو سحبه داخل الجسم باتجاه الموقع المختار من خلال تشغيل مجالات مغناطيسية مختلفة. يقوم الباحثون الذين يطبقون نهج الموجات فوق الصوتية بتوجيه الموجات الصوتية إلى الأدوية التي تحتوي على فقاعات نانوية. تتسبب الموجات الصوتية في انفجار الفقاعات بقوة كبيرة وإطلاق الحمولة التي تحملها عميقًا في الأنسجة أو الورم المستهدف.

وفي عام 2014، أجرى الباحثون في جامعة كيلي وجامعة نوتنغهام، وكلاهما في إنجلترا، تغييرًا طفيفًا ومفيدًا على النهج المغناطيسي في العمل الذي يهدف إلى شفاء العظام المكسورة. لقد ربطوا جسيمات نانوية من أكسيد الحديد بالخلايا الجذعية وحقنوا المستحضر في بيئتين تجريبيتين مختلفتين: عظام الفخذ في أجنة الدجاج، وسقالة عظمية اصطناعية مصنوعة من هلام (مائي) من أنسجة الكولاجين المهندسة. عندما وصلت الخلايا الجذعية إلى موقع الكسر، طبق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا متذبذبًا لتحويل الضغط الميكانيكي للجسيمات النانوية بسرعة. أدى هذا إلى وضع ضغط ميكانيكي حيوي على الخلايا الجذعية، مما ساعد الخلايا الجذعية على التمايز بشكل أكثر كفاءة إلى العظام. وحدث نمو جديد للعظام في كلتا البيئتين، لكن الشفاء العام لم يكن موحدًا. ويأمل الباحثون أن تؤدي إضافة عوامل نمو مختلفة في نهاية المطاف إلى هذه الخلايا الجذعية المرتبطة بأكسيد الحديد إلى تبسيط عملية الإصلاح، كما يقول جيمس هانستوك، زميل ما بعد الدكتوراه في معهد العلوم والتكنولوجيا الطبية بجامعة كيلي.

طب النانو الذي يتم التحكم فيه ذاتيًا

تتمثل العيوب الرئيسية للطريقة المغناطيسية والطريقة الصوتية في الحاجة إلى توجيه خارجي ضخم وحقيقة أن المجالات المغناطيسية والموجات فوق الصوتية لا يمكنها اختراق سوى مسافة معينة في الجسم. إن تطوير محركات مجهرية مستقلة لتوصيل الأدوية قد يتغلب على هذه المشكلات.

سيتم تشغيل مثل هذه المحركات المجهرية عن طريق التفاعلات الكيميائية، لذلك يمكن أن تشكل السمية مشكلة. على سبيل المثال، من الممكن أكسدة الجلوكوز، وهو جزيء سكر موجود في الدم، لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين (بيروكسيد الهيدروجين) الذي يمكن استخدامه كوقود. لكن الباحثين يعرفون بالفعل أن هذه الطريقة بالذات لن تنجح على المدى الطويل. بيروكسيد الهيدروجين هو مادة تأكل الأنسجة الحية، والتفاعل مع الجلوكوز في الدم لن ينتج ما يكفي من بيروكسيد الهيدروجين لتشغيل المحركات. تبدو الجهود المبذولة لاستخدام المواد الموجودة بشكل طبيعي في الجسم، على سبيل المثال أحماض المعدة (للاستخدامات في المعدة) أو الماء (المتوفر بكثرة في الدم والأنسجة)، كمصادر للطاقة واعدة أكثر.

ومع ذلك، فإن التنقل الدقيق للأجهزة ذاتية الدفع قد يمثل عقبة أكبر. إن قدرة الجسيمات النانوية على التحرك في أي مكان ليست كافية لضمان تقدمها بالضبط إلى المكان الذي يهتم به الباحثون. لا يزال التنقل المستقل ليس خيارًا، ولكن يمكن التحايل على المشكلة من خلال خلق موقف يضمن أن الأدوية النانوية لن تصبح نشطة إلا عندما تجد نفسها في البيئة المناسبة.

ولتنفيذ هذه الخدعة، بدأ الباحثون في إنشاء آلات نانوية من الهياكل الاصطناعية للحمض النووي. ومن خلال ترتيب الوحدات الفرعية للجزيء بحيث تجبرها شحناتها الكهربائية على الانثناء في بنية معينة، يمكن للعلماء تصميم الهياكل مسبقًا لأداء مهام معينة. على سبيل المثال، يمكن لبعض أجزاء الحمض النووي أن تطوي نفسها في حاويات تفتح وتطلق محتوياتها فقط عندما تقترب الحزمة من بروتين أساسي في عملية المرض، أو تواجه الظروف الحمضية النموذجية للورم، كما يقول البروفيسور يامونا كريشنان. ، كيميائي في جامعة شيكاغو.

وتتصور كريشنان وزملاؤها تقدمًا آخر: كيانات معيارية مصنوعة من الحمض النووي يمكن برمجتها للقيام بمهام مختلفة، مثل محاكاة روبوتات نانوية أخرى، أو حتى تجميعها. ومع ذلك، فإن الحمض النووي الاصطناعي مادة باهظة الثمن. سعره أعلى 100 مرة من سعر المواد التقليدية التي تستخدم في إطلاق الأدوية. لذلك، حالياً، يرتاح السعر لشركات الأدوية، ويتجنبون الاستثمار بهذه الطريقة في العلاجات.

كل هذا يقع في الشرق والغرب من بناء أسطول الغواصات الصغيرة والذكية في فيلم الخيال العلمي "الرحلة المذهلة" عام 1966، والتي كان من المفترض أن تستخرج جلطة دموية من دماغ أحد العلماء. ومع ذلك، فإن الروبوتات النانوية تتحرك أخيرًا في الاتجاه نفسه.

عن المؤلف

لاري جرينماير هو محرر مشارك في مجلة ساينتفيك أمريكان.

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل

باختصار

سيأتي يوم ينطلق فيه أسطول من الأدوية وأجهزة النانو بمفرده في رحلة إلى أي مكان في الجسم يحتاج إليه بمساعدة المحركات البيولوجية والوقود المناسب للوصول إلى هناك.
وقبل أن يأتي ذلك اليوم، يجب على الباحثين أن يتعلموا كيفية تصميم مثل هذه المركبات التي يمكن أن تتحرك دون التسبب في ضرر أو التدخل في النشاط البيولوجي.
وفي المستقبل القريب، سيستخدم العلماء المجالات المغناطيسية والموجات فوق الصوتية لدفع الجسيمات النانوية إلى المناطق المستهدفة. لكن بهذه الطريقة يكون من المستحيل اختراق الجسم بعمق.
هناك احتمال آخر يتمثل في الروبوتات النانوية المصنوعة من الحمض النووي. تم تصميم بعض هذه المركبات لتكون بمثابة صناديق تفتح وتطلق سائل التبريد فقط في ظل ظروف معينة.

المزيد عن هذا الموضوع

التحكم في الحركة على مقياس النانو. جوزيف وانغ وكلايل مانيان مانيش في المجلد الصغير. 6، لا. 3، الصفحات 338-345؛ 5 فبراير 2010.

تصميم الأحماض النووية لفحص الخلية وبرمجتها. يامونا كريشنان ومارك باث في اتجاهات في بيولوجيا الخلية، المجلد. 22، لا. 12، الصفحات 624-633؛ ديسمبر 2012.

النقل الميكانيكي المنشط عن بعد عبر الجسيمات النانوية المغناطيسية يعزز التمعدن بالتآزر مع البروتين التكويني للعظام 2: تطبيقات العلاج بالخلايا القابلة للحقن. جيمس ر. هينستوك وآخرون. في الطب الترجمي للخلايا الجذعية، المجلد. 3، لا. 11، الصفحات 1363-1374؛ نوفمبر 2014.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم: