Нанороботы в медицине

Робертом Фрайтасом были спроектированы наномедицинские роботы: респироцит (искусственная красная кровяная клетка, способная переносить большее количество кислорода, чем эритроцит) и микрофагоцит (наноробот, который будет отвечать за уничтожение микробиологических патогенов). Важным для медицинских нанороботов является изучение иммунной реакции организма и биосовместимости материалов. Внешние поверхности нанороботов могут изготавливаться из алмаза и алмазоподобных материалов, поэтому актуальным является изучение его биосовместимости. Результаты проведенных исследований ортопедических протезов с алмазным покрытием показали, что «объемные» цельные формации материала биосовместимы, в то время, как наночастицы того же мате материала могут вызывать образование раковых клеток. Исследования гистологической биосовместимости проведенные на культурах клеток: нейтрофилов, моноцитов и макрофагов, фибробластов (Хиггсон и Джонс, 1982) и исследования воспаления и гемолизиса от присутствия алмазных кристаллов с концентрацией 10 мг/куб. см показали совместимость частиц алмаза с тканями и клетками.

При лечении человека нанороботами может возникнуть ряд осложнений, и уже сегодня ищутся пути решения возможных проблем, конструкторы пытаются максимально обезопасить человека от будущих технических решений в области медицины. Проблему возможных сбоев, перепрограммирования и адаптации предлагается решать с помощью нескольких взаимозаменяемых бортовых компьютеров. При решении задач с высокой степенью риска предлагается вводить в действие усложненные протоколы работы, исключающие неверное функционирование совокупности наноботов. Возможной проблемой при совместной работе огромного числа наноботов в ограниченном пространстве в короткий промежуток времени могут стать их столкновения. Так же возможен конфликт двух групп наноботов лечащих один орган, если окажется, что изменения, вносимые первой группой наноботов будут идентифицироваться второй группой как требующие устранения. В таком случае, после их устранения, наноботы первой группы заново будут вносить те же изменения, что ведет к непрерывному взаимоисправлению изменений двумя группами наноботов. В подобных ситуациях чрезвычайно важным является контроль лечащего врача, который может отключить одну группу наноботов, или перепрограммировать обе, что еще раз говорит о необходимости высокой квалификации специалистов, в работе которых задействованы продукты нанотехнологий. По причине очень высокого быстродействия наноботов необходимо подключение пациента к системе диагностики, которая могла бы в случае наступления внезапных ухудшений дать наноботам команду отключения, т.к врач может не успеть среагировать своевременно в случае непредвиденных обстоятельств. Молекулярные роботы предполагается использовать для осуществления «молекулярной хирургии», т.е. внесения изменений в структуру клетки на молекулярном уровне. Эти операции могут представлять собой узнавание фрагментов молекул или клеток, соединение или разрыв частей молекул, замещение или изъятие частей молекул, сборку клеточных структур или молекул по заданной программе. Хотя все это осуществляется в организме молекулами белка, их функционал ограничен, и не позволяет обеспечить бессмертие организма человека. Таким образом, задача молекулярных роботов состоит в интеллектуальном управлении функционированием клетки с целью повышения срока ее стабильной работы.

Молекулярные роботы могут создаваться на базе белковых макромолекул посредствам молекулярного моделирования, алгоритмы которого известны, но проведение подобных расчетов осложнено необходимостью больших вычислительных мощностей, что обусловлено большими размера молекул. В настоящее время такие вычисления используются для анализа незначительных модификаций существующих молекул, но по прогнозам, уже в этом десятилетии компьютеры достигнут мощности, необходимой для приемлемой цены и скорости моделирования, и молекулярная робототехника станет доступной во второй четверти нынешнего века.

Другой путь создания молекулярных роботов состоит в изготовлении их на базе кристаллических материалов на основе углерода, кремния и металлов. Принцип их работы будет основан на механическом воздействии на клетки, или на создании локальных электромагнитных полей с целью детектирования и/или инициирования локальных химических реакций. Существующие твердотельные технологии, необходимые для создания наноразмерных структур для робототехники пока находятся в стадии разработки, однако определенные успехи есть в области создания микромеханических систем с размерами элементов до 1 мкм (1000 нм).

Медицинские нанороботы потенциально могут изготавливаться по гибридной технологии. Детекторы и манипуляторы можно изготавливать из органических молекул, а управляющую систему на базе твердотельных структур. Существенной проблемой, помимо манипулирования молекулами и их детектирования, является энергоснабжение и их связь с управляющим компьютером. Перспективным считается использование магнитного поля, для которого биологические ткани прозрачны. С помощью магнитного поля можно изменять структуру нанороботов, заряжать их энергией, сообщать им информацию. Сам же молекулярный робот может, изменяя свою структуру, передавать информацию управляющему компьютеру, который будет детектировать эти изменения с помощью магнитных датчиков.

Таким образом, комплекс молекулярных роботов может, находясь в организме, постоянно его восстанавливать, устраняя повреждения структуры клеток, разрезая молекулярные сшивки в белках и липидных мембранах (причина нарушения их функционирования), удаляя вредные продукты обмена (например, гранулы липофусцина в нервных клетках), корректируя повреждения генетического материала (т.к. даже единичное замещение в критическом участке может привести к раку), дезактивируя свободные радикалы, ускользающие от встроенных защитных систем клетки и т.д.

Молекулярные роботы могут использоваться для перестройки генетического кода, исправляя врожденные повреждения, или внося новые изменения с целью усовершенствования функций клетки. Можно представить себе совершенно фантастический сценарий, когда после такого усовершенствования молекулярные роботы будут уже не нужны для поддержания вечной молодости, или будут конструироваться самой клеткой.

В случае медицинских нанороботов вероятно не будет использоваться репликация, ввиду ее очевидной опасности. Роберт Фрайтас сказал по этому поводу следующее: "ВОЗ или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем".