סיקור מקיף

שגרו את הננו-רובוטים / לארי גרינמאייר

פתרון כל האתגרים הטכניים עשוי להימשך 20 שנה ויותר, אבל הצעדים הראשונים לקראת רפואה בשלט רחוק כבר נעשו

ננו רובוטים משייטים בזרם הדם. צילום: shutterstock
ננו רובוטים משייטים בזרם הדם. צילום: shutterstock

העתיד הרחוק שהחוקרים העוסקים ברפואת-ננו רואים בעיני רוחם יכלול שליחים רפואיים זעירים שינווטו בגוף באופן מושכל ועצמאי כדי להגיע למטרה מוגדרת בכל מקום בגוף, ורק אליה. כשהמכונות האלה יגיעו בכוחות עצמן אל המטרה, הן יוכלו לפעול בכמה דרכים, משחרור תרופות ועד עדכונים בשידור חי על התקדמות הלוחמה שלהן במחלה. ואז, עם סיום משימתן, הן יעברו פירוק ביולוגי בטיחותי וכמעט לא ישאירו עקבות. הננו-רובוטים האלה יהיו עשויים מחומרים המתאימים לסביבה הביולוגית – מתכות מגנטיות או אפילו חוטי דנ"א דקיקים. כל החומרים ייבחרו בזהירות על פי שימושיות תכונותיהם בקנה מידה אטומי ויכולותיהם לחמוק דרך מערכות ההגנה של הגוף בלי להפריע ובלי לגרום נזק תאי כלשהו.

אף שהגשמת החזון הזה תימשך כעשר או עשרים שנה, חוקרים בתחום הרפואה כבר החלו לתת את הדעת על כמה מן הבעיות הטכניות שהוא מעלה. אחד האתגרים הגדולים ביותר הוא לדאוג שההֶתקנים יגיעו למטרתם בגוף.

בכוח הגל

רוב התרופות המצויות היום בשוק שטות בקלות בזרם הדם בגוף, בין שהוזרקו אליו במישרין ובין שנספגו בו דרך צינור העיכול, באמצעות גלולות, למשל. אבל הן מסיימות את מסען לא רק במקום שבו הן נדרשות, אלא גם במקומות שבהם הן עלולות לגרום סיבוכים לא רצויים. תרופות-ננו מתוחכמות, לעומת זאת, יתוכננו כך שיהיה אפשר להנחות אותן אל גידול סרטני או אל אתר בעייתי אחר ולפרוק שם את מטענן, וכך להפחית את הסיכון בתופעות הלוואי.

שדות מגנטיים וגלי על-שֵמע (אולטרה-סאונד) הם המועמדים המובילים להנחיית תרופות-ננו בטווח הקרוב, אומר ג'וזף וונג, מחזיק הקתדרה בהנדסת-ננו ופרופסור בכיר באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. חוקרים המיישמים את הגישה המגנטית משלבים בתרופה חלקיקי-ננו של ברזל חמצני או ניקל, לדוגמה. אחר כך הם מפעילים מערך של מגנטים הממוקמים מחוץ לגוף של עכבר או חיית ניסוי אחרת ודוחפים את התרופה המתכתית או מושכים אותה בתוך הגוף אל עבר האתר הנבחר באמצעות תפעול של שדות מגנטיים שונים. חוקרים המיישמים את גישת האולטרה-סאונד מכוונים את גלי הקול אל תרופות המכילות בועות-ננו. גלי הקול גורמים לבועות להתפקע בעוצמה רבה ולשגר את המשא שהן נושאות עמוק לתוך רקמת המטרה או הגידול.

ב-2014 ערכו חוקרים באוניברסיטת קיל ובאוניברסיטה של נוטינגהם, שתיהן באנגליה, שינוי קל ומועיל בגישה המגנטית בעבודה שמטרתה ריפוי של עצמות שבורות. הם חיברו חלקיקי-ננו של ברזל חמצני לתאי גזע והזריקו את התכשיר לשתי סביבות ניסיוניות שונות: עצמות הירך של עוברי תרנגולת ופיגום סינתטי של עצם שעשוי מג'ל (על בסיס מים) של רקמת קולגן מהונדסת. כשתאי הגזע הגיעו למקום השבר, הפעילו החוקרים שדה מגנטי חיצוני מתנודד כדי להסיט במהירות את המאמץ המכני של חלקיקי הננו. הדבר הפעיל לחץ ביו-מכני על תאי הגזע, שעזר לתאי הגזע להתמיין ביעילות רבה יותר לעצם. גידול חדש של העצם התרחש בשתי הסביבות, אבל הריפוי הכולל לא היה אחיד. החוקרים מקווים שבסופו של דבר הוספת גורמי גידול שונים לתאי הגזע האלה, המחוברים לברזל חמצני, תייעל את תהליך התיקון, אומר ג'יימס הנסטוק, פוסט-דוקטורנט במכון למדע וטכנולוגיה ברפואה באוניברסיטת קיל.

רפואת-ננו בשליטה עצמית

החסרונות העיקריים של הגישה המגנטית ושל הגישה האקוסטית הם הצורך בהכוונה החיצונית המגושמת והעובדה ששדות מגנטיים וגלי אולטרה-סאונד יכולים לחדור רק למרחק מסוים בגוף. פיתוח מנועים מיקרוסקופיים עצמאיים שיובילו את התרופות עשוי להתגבר על הבעיות האלה.

מנועים מיקרוסקופיים כאלה ינועו באמצעות תגובות כימיות, ולכן רעילות עלולה להציב בעיה. לדוגמה, אפשר לחמצן גלוקוז, מולקולת סוכר המצויה בדם, כדי לייצר מימן על-חמצני (מי חמצן) שיכול לשמש דלק. אבל חוקרים יודעים כבר עתה שהשיטה המסוימת הזאת לא תפעל לטווח ארוך. מי חמצן הם חומר המאכּל רקמות חיות, והתגובה עם גלוקוז בדם לא תייצר די מימן על-חמצני להנעת המנועים. המאמצים להשתמש בחומרים המצויים בגוף באופן טבעי, למשל חומצות בקיבה (ליישומים בקיבה) או מים (המצויים בשפע בדם וברקמות), כמקורות כוח נראים מבטיחים יותר.

ואולם, ניווט מדויק של התקנים המונעים בכוחות עצמם עלול להיות משוכה גבוהה עוד יותר. לא די ביכולתם של חלקיקי-ננו לנוע לכל מקום כדי להבטיח שיתקדמו בדיוק למקום שהחוקרים מעוניינים בו. ניווט עצמאי עדיין איננו בגדר אפשרות, אבל אפשר לעקוף את הבעיה באמצעות יצירת מצב שיבטיח שתרופות הננו ייעשו פעילות רק כשימצאו את עצמן בסביבה הנכונה.

לביצוע התחבולה הזאת החלו חוקרים ליצור מכונות-ננו ממבנים סינתטיים של דנ"א. באמצעות סידור תת-היחידות של המולקולה כך שהמטענים החשמליים שלהן יכריחו אותן להתקפל למבנה מסוים, מדענים יכולים לתכנן מראש את המבנים לביצוע מטלות מסוימות. לדוגמה, כמה מקטעים של דנ"א יכולים לקפל את עצמם למכלים שייפתחו וישחררו את תכולתם רק כשהאריזה תתקרב לחלבון חיוני בתהליך של מחלה, או תיתקל בתנאים החומציים האופייניים לגידול, אומרת פרופסור יאמונה קרישנאן, כימאית באוניברסיטת שיקגו.

קרישנאן ועמיתיה חוזים התקדמות נוספת: ישויות מודולריות עשויות מדנ"א שיהיה אפשר לתכנתן למטלות שונות, כמו דימות של ננו-רובוטים אחרים או אפילו הרכבתם. ואולם, דנ"א סינתטי הוא חומר יקר. מחירו גבוה פי 100 ממחירם של חומרים מסורתיים שמשתמשים בהם לשיגור תרופות. ולכן, נכון לעכשיו, המחיר מרפה את ידיהן של חברות התרופות, והן נמנעות מלהשקיע בדרך זו לטיפולים.

כל זה רחוק כמרחק מזרח ממערב מבניית צי הצוללות הזעירות והחכמות בסרט המדע הבדיוני "המסע המופלא" מ-1966, שהיו אמורות לחלץ קריש דם ממוחו של מדען. ואף על פי כן הננו-רובוטים מתקדמים סוף-סוף באותו הכיוון.

על המחבר

לארי גרינמאייר הוא עורך עמית בסיינטיפיק אמריקן.

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל

בקיצור

  • יבוא יום שבו יצא צי של תרופות והתקני-ננו בכוחות עצמו למסע אל כל מקום בגוף שבו יידרש בסיוע מנועים ביולוגיים ודלק המתאים להגעה לשם.
  • לפני שיגיע היום החוקרים חייבים ללמוד כיצד לתכנן תרכובות כאלה שיוכלו לנוע בלי לגרום נזק או להפריע לפעילות ביולוגית.
  • בטווח הזמן הקרוב מדענים ישתמשו בשדות מגנטיים ובגלי אולטרה-סאונד כדי להניע חלקיקי-ננו אל אזורי המטרה שלהם. אבל כך אי-אפשר לחדור עמוק לתוך הגוף.
  • ננו-רובוטים עשויים מדנ"א הם אפשרות אחרת. כמה מתרכובות אלה תוכננו לפעול כקופסאות שייפתחו וישחררו את מטענן רק בתנאים מסוימים.

עוד בנושא

Motion Control at the Nanoscale. Joseph Wang and Kalayil Manian Manesh in Small, Vol. 6, No. 3, pages 338-345; February 5, 2010.

Designer Nucleic Acids to Probe and Program the Cell. Yamuna Krishnan and Mark Bathe in Trends in Cell Biology, Vol. 22, No. 12, pages 624–633; December 2012.

Remotely Activated Mechanotransduction via Magnetic Nanoparticles Promotes Mineralization Synergistically with Bone Morphogenetic Protein 2: Applications for Injectable Cell Therapy. James R. Henstock et al. in S tem Cells Translational Medicine, Vol. 3, No. 11, pages 1363–1374; November 2014.

 

עוד בנושא באתר הידען:

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל

 

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן