מיקרו רובוט נוטל תאים לביופסיה בתוך הגוף

ההמצאה עשויה להיות הצעד הראשון בדרך לרובוטים ניידים זעירים, המסוגלים לבצע מיקרו-ניתוחים בתוך הגוף

חוקרים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס המציאו מתקנים בגודל של גרגר אבק, המסוגלים לתפוס ולהסיר תאים חיים מאיזורים הקשים להגעה, מבלי צורך בחוטי חשמל, מבחנות או בטריות. ההמצאה עשויה להיות הצעד הראשון בדרך לרובוטים ניידים זעירים, המסוגלים לבצע מיקרו-ניתוחים בתוך הגוף.

כפי שדווח השבוע בכתב העת המדעי היוקרתי, PNAS, קוטרם של הרובוטים אינו עולה על עשרית המילימטר, אך למרות גודלם המזערי הם ניתנים לייצור בכמויות גדולות ובמחיר נמוך יחסית. החוקרים בחנו את יכולותיהם של הרובוטים במעבדה והראו כי הם מסוגלים לבצע ביופסיה – הסרת מספר תאים מרקמה חיה – על רקמת חיה שמוקמה בתוך צינור צר.
בשלב הנוכחי הרובוטים מהווים רק דור ראשון ואב-טיפוס, ואינם מיועדים לטיפולים בבני-אדם.

דיוויד ה. גרציאס, שפיקח על הפרויקט, אומר כי מיקרו-כלים אלו, המגיבים לחום ולכימיקלים, מייצגים שינוי פרדיגמה בהנדסה. “הראינו כלים זעירים וזולים, שיכולים לעבור הפעלה רבתי באמצעות ביו-כימיקלים לא רעילים,” אמר גרציאס, פרופסור עוזר להנדסה כימית וביומולקולרית בבית-הספר להנדסה על שם ווייטינג באוניברסיטת ג'ונס הופקינס. “זהו צעד ראשון חשוב בדרך ליצירת סט חדש של מיקרו- ואפילו ננו-כלים עצמאיים לניתוחים, המגיבים ביו-כימית, ויכולים לסייע לרופאים לאבחן מחלות ולספק טיפול בדרך יעילה יותר ופולשנית פחות.”

כיום, רופאים המעוניינים במקבץ תאים מגוף החולה, או בטיפול ברקמה פגועה, משתמשים לעיתים קרובות במיקרו-צבתות המחוברות לחוטים דקים או לצינורות, אך חוטים אלו מקשים על ניווט הכלי באיזורים מסוימים בגוף. כדי לפתור את הבעיה, הצבתות החפשיות שהינדסה קבוצתו של גרציאס מכילות ניקל מצופה בזהב, המאפשר להם להימשך למגנטים הממוקמים מחוץ לגוף.

“בדרך זו, הצלחנו להניע את המיקרו-צבתות מרחוק, למרחק גדול יחסית ברקמה מבלי להיתקע,” הוא אומר. “בנוסף, המיקרו-צבתות מכווננות להיסגר ולשלוף את התאים מהרקמה, כאשר הן נחשפות לביו-כימיקלים מסוימים או לטמפרטורות רלוונטיות מבחינה ביולוגית.”

המיקרו-צבתות מעוצבות בדומה לסרטן זעיר – שש גפיים בעלות שלושה פרקים, המגיחות מגוף מרכזי (למעשה, ההשראה לעיצוב הגפיים הגיעה מהחרקים, פרוקי-הרגליים). החוקרים השתמשו בפוטו-ליתוגרפיה – שיטה בה משתמשים גם לייצור שבבי מחשב – כדי לעצב את המיקרו-צבתות בפוזיציה שטוחה התחלתית, כאשר כל רגליהן ישרות לגמרי. אם וכאשר יגיע היום, והמתקנים הזעירים יוחדרו לגוף ויונעו באמצעות מגנט, ניתן יהיה לאתר ולהנחות אותם באמצעות יחידות הדמאה רפואיות כגון MRI או CT.

כיצד תופסות המיקרו-צבתות את התאים ברקמה? יכולתן זו מושתתת על ההרכב הכימי של פרקי הגפיים. הפרקים מכילים שכבות דקות של כרומיום ונחושת, אשר מפעילים כוחות שאמורים לגרום לגפיים להתקפל על עצמן, בדומה לאצבעות כף היד. כדי למנוע סגירה ספונטנית של הצבת, החוקרים הוסיפו שרף פולימרי, המעניק לפרקי הגפיים קשיחות מספקת ומונע מהגפיים להיסגר.

כאשר המיקרו-צבתות מגיעות ליעדן, החוקרים יכולים להעלות את הטמפרטורה לארבעים מעלות צלזיוס (שווה ערך להתקף חום בינוני-גבוה בבני-אדם), כדי לרכך את הפולימר שבפרקי-הגפיים ולאפשר לגפיים להיסגר. דרך אחרת להפעיל את הגפיים היא באמצעות הזרקת תמיסות ביולוגיות שאינן רעילות, המסוגלות לרכך את הפולימר ולגרום לצבתות להיסגר על מטרתן.
בניסויים במעבדה, הצליחו החוקרים לגרום למיקרו-צבת המונחה באמצעות מגנט, לתפוס ולשנע כדורון בעל צבע, מתוך צבר של כדורונים חסרי-צבע בתמיסה מימית. חברי הקבוצה תפסו גם עשרות תאים חיים מתוך מסת תאים שמוקמה בקצה צינור דק. התאים היו עדיין בחיים כ- 72 שעות לאחר הניסוי, והוכיחו בכך שפרוצדורת התפיסה לא הזיקה להם. המיקרו-צבתות הצליחו אפילו לתפוס דגימות מרקמת שלפוחית שתן של בקר, הנחשבת לרקמה חזקה במיוחד.

הניסויים הוכיחו כי רעיון המיקרו-רובוט נטול החוטים אכן אפשרי לביצוע, ובעל פוטנציאל ליישומים רפואיים, אך לא הכל ורוד. הרובוטים יצטרכו לעבור עוד שינויים רבים עד לאב-טיפוס ראשוני המיועד לביצוע פעולות כירורגיות בבני-אדם. כדי להפעיל את הרובוט כיום יש להעלות את חום הגוף, או להזריק ביו-תמיסות לזרם הדם. רעיון זה עשוי להיות קביל הנדסית, אך סביר להניח שיידרש זמן עד לקבלתו מצד הרופאים והחולים. בנוסף, קרוב לוודאי שהבעיה הגדולה ביותר שתעמוד מול החוקרים תהיה מציאת הדרך לסלק את הרובוטים – ביחד עם התאים שהם נושאים – מגוף החולה לאחר ביצוע ההליך הרפואי.

למרות הקשיים הרבים שעדיין מצפים למיקרו-רובוטים, הם עשויים להביא ליישומים מרחיקי לכת. לא מן הנמנע הוא שמיקרו-רובוטים יוכלו בעתיד לבצע ביופסיות לתאים בודדים, לאבחן האם הם לוקים בסרטן ולשחרר חומרים רעילים שיוכלו לקטול את הגידול בתוך הגוף באופן ממוקד. מיקרו-רובוטים, או אפילו ננו-רובוטים, אחרים יוכלו לבצע פעולות של הנדסה גנטית ואפילו תחזוקה יומיומית של הגוף. אך במדע אין זינוקים גדולים – יש רק סדרה של צעדים קטנים, המתכנסת לבסוף לתוצר מוגמר. המיקרו-רובוט של גרציאס מהווה צעד קטן נוסף בדרך לעתיד המבטיח של הרפואה.

לידיעה באתר אוניברסיטת ג'ונס הופקינס

סרט (מאד מומלץ!)