Учёные создали нанороботов, способных проникнуть в глаз
Для лечения некоторых офтальмологических заболеваний часто необходимо ввести лекарственный препарат непосредственно в стекловидное тело глаза. С помощью современных методов можно беспрепятственно доставить медикаменты в переднюю часть глаза, однако задняя его часть отличается более плотной структурой ткани, что мешает лекарствам проникнуть в неё. Доставлять необходимые лекарства через кровь не позволяет гемато-ретинальный барьер.
Чтобы решить эту проблему, учёные из Германии, Китая и Дании разработали нанороботов, которые способны проникать в плотные ткани.
В исследовании принимали участие научные сотрудники Института им. Макса Планка в Штутгарте, специализирующегося на микро-, нано- и молекулярных системах, Института медицинских исследований им. Макса Планка в Гейдельберге, Харбинского политехнического университета в Китае, Университета Орхуса в Дании, а также Офтальмологической клиники университета Тюбингена. Результаты научно-исследовательской работы были опубликованы в ноябре в журнале Science Advances.
Впервые в истории современной науки исследователи приблизились к созданию микроскопических технологий, которые в будущем можно будет использовать в качестве «транспорта», доставляющего лекарственные препараты без хирургического вмешательства в необходимые области человеческого организма.
Устройства имеют форму винта или спирали, их размер составляет 2 микрона в длину и 500 нанометров в диаметре (это в 200 раз меньше чем толщина человеческого волоса). Винтообразная форма, размер (соответствующий ширине ячеек сетки гиалуроновых молекул, из которых состоит стекловидное тело) и специальное скользящее покрытие позволяют нанороботам свободно проникать через узкую молекулярную матрицу гелеобразного вещества в стекловидном теле и свободно перемещаться там, не повреждая при этом чувствительную ткань вокруг. До сих пор это было возможно только в модельных системах и биологических жидкостях.
Сложность состояла в том, что узкая молекулярная матрица ткани глазного яблока выполняет функцию барьера, предотвращая проникновение более крупных частиц и структур. Химические свойства этой матрицы придают ей вязкую консистенцию, превращая её в подобие липкой сетки.
Поэтому исследователи разработали специальное покрытие, которое позволило нанороботам преодолевать молекулярную матрицу, не застревая в ней. Особое жидкое покрытие на основе перфторуглеродов уменьшает сцепку между роботизированными устройствами и окружающей тканью. Идею учёным подсказали плотоядные растения из рода непентес. Их листья покрыты особым веществом, которое гарантирует, что насекомые соскальзывают внутрь ловушки и уже не могут выбраться наружу. По своим характеристикам такое вещество напоминает скользящее тефлоновое покрытие сковороды. Кроме того, в отличие от других натуральных веществ, например, покрывающих листья лотосов, перфторуглеродное покрытие хищных кувшиночников устойчиво к давлению и механическому воздействию.
Поэтому учёные покрыли поверхность нанороботов схожим веществом, чтобы уменьшить сцепление между сеткой молекул в стекловидном теле и механическим устройством. Без скользящего слоя роботы не могли бы преодолеть молекулярную матрицу и проникнуть внутрь глаза. Таким образом, это дополнение механизма стало решающим.
Чтобы иметь возможность управлять нанороботами, их изготавливали из диоксида кремния и никеля. Таким образом, их можно было контролировать с помощью внешнего магнитного поля.
Во время эксперимента водный раствор с десятками тысяч нанороботов с помощью шприца вводился в свиной глаз. Учёные наблюдали за движением нанороботов с помощью оптической когерентной томографии, клинически одобренной техники визуализации, широко используемой в диагностике заболеваний глаз. При воздействии магнитного поля (с индукцией около 8 миллитесла) роботизированные устройства свободно передвигались в стекловидном теле (их скорость составляла примерно 10 микрон в секунду) в заданном направлении и смогли преодолеть расстояние в 1 сантиметр, добравшись до сетчатки.
В перспективе подобная технология поможет лечить различные офтальмологические заболевания, будь то глаукома, диабетическая ретинопатия или макулярная эдема. Кроме того, по словам учёных подобных микроскопических роботов, покрытых специальным скользящим веществом и управляемых магнитным полем, в дальнейшем можно будет использовать также и для доставки лекарств в другие ткани человеческого организма и малоинвазивного лечения всех видов заболеваний, где проблемная зона труднодоступна и окружена плотной тканью.
Для учёных из Штутгарта это не первый проект с нанороботами. Уже в течение нескольких лет они создают различные типы нанороботов, используя сложный 3D-процесс производства, разработанный исследовательской группой во главе с профессором Пэром Фишером. Миллиарды нанороботов могут быть созданы всего за несколько часов путём испарения диоксида кремния и других материалов, включая железо, на кремниевую пластину, находящуюся в вакууме. Благодаря тому, что пластина вращается, создаётся спиралевидная форма роботов.