In una luminosa sera d'autunno del 2006, il dottor Sylvain Martel trattenne il respiro mentre un tecnico caricava un maiale anestetizzato in una macchina fMRI rotante. I suoi occhi fissavano lo schermo di un computer che mostrava una perlina magnetica sospesa in un sottile vaso sanguigno di maiale. La tensione nella stanza poteva essere avvertita fisicamente. All'improvviso il pallone si animò e scivolò sulla nave come un sottomarino microscopico diretto alla sua destinazione. La squadra è scoppiata in un applauso.
Martel e il suo team stavano testando un nuovo modo per controllare a distanza piccoli oggetti all'interno di un animale vivente manipolando le forze magnetiche della macchina. E per la prima volta ha funzionato.
Scienziati e scrittori hanno a lungo sognato minuscoli robot che si muovono attraverso il vasto sistema circolatorio del corpo come esploratori spaziali che studiano le galassie ei loro abitanti. Il potenziale è enorme: minuscoli robot medici potrebbero, ad esempio, trasferire farmaci radioattivi a gruppi di cancro, eseguire interventi chirurgici all'interno del corpo o purificare i coaguli di sangue in profondità nel cuore o nel cervello.
Un sogno, un sogno, ma con l'aiuto dei robot, afferma il dottor Bradley Nelson del Politecnico di Zurigo, le persone potrebbero immergersi direttamente nel flusso sanguigno per eseguire un intervento chirurgico al cervello.
Al momento, i micro-robot medici sono per lo più fittizi, ma questo potrebbe cambiare nel prossimo decennio. Questa settimana, la dott.ssa Mariana Medina-Sánchez e Oliver Schmidt dell'Istituto Leibniz per la ricerca sui solidi e sui materiali di Dresda, in Germania, hanno pubblicato un articolo su Nature che è passato dai grandi schermi ai laboratori di nanoingegneria, delineando priorità e test realistici per rianimare questi piccoli chirurghi.
Creazione di motori
I micro-robot medici fanno parte del viaggio della medicina verso la miniaturizzazione. Nel 2001, l'azienda israeliana ha introdotto la PillCam, una capsula di plastica delle dimensioni di una caramella dotata di fotocamera, batteria e modulo wireless. Durante il viaggio attraverso il canale alimentare, la PillCam invia periodicamente le immagini in modalità wireless, offrendo un metodo diagnostico più sensibile e meno tossico rispetto all'endoscopia o alla radiografia tradizionali.
Video promozionale:
La PillCam è gigantesca per un perfetto microrobot, rendendola adatta solo per il tubo relativamente ampio del nostro sistema digestivo. Questa pillola era anche passiva e non poteva indugiare in luoghi interessanti per un esame più approfondito.
"Un vero robot medico deve muoversi e progredire attraverso una complessa rete di tubuli pieni di liquido nei tessuti profondi del corpo", spiega Martel.
Il corpo, purtroppo, non è molto accogliente per gli ospiti esterni. I micro-robot devono resistere a succhi gastrici corrosivi e galleggiare a monte nel flusso sanguigno senza un motore.
I laboratori di tutto il mondo stanno cercando di trovare alternative ragionevoli per risolvere il problema nutrizionale. Un'idea è quella di creare razzi chimici: microrobot cilindrici con "carburante" - un metallo o un altro catalizzatore - che reagisce con i succhi dello stomaco o altri fluidi, emettendo bolle dal retro del cilindro.
"Questi motori sono difficili da controllare", affermano Medina-Sanchez e Schmidt. Possiamo controllare approssimativamente la loro direzione usando gradienti chimici, ma non sono abbastanza robusti ed efficaci. Anche la progettazione di combustibili non tossici a base di zucchero, urea o altri fluidi corporei deve affrontare delle sfide.
Un'alternativa migliore sarebbero i motori fisici metallici che potrebbero essere attivati dai cambiamenti nel campo magnetico. Martel, come ha mostrato la sua dimostrazione di perline nel maiale, è stato uno dei primi a indagare su tali motori.
La macchina per la risonanza magnetica è ideale per il controllo e l'imaging di microrobot prototipo di metallo, spiega Martel. La macchina ha diversi set di bobine magnetiche: il set principale magnetizza il microrobot dopo che è stato introdotto nel flusso sanguigno attraverso un catetere. Quindi, manipolando le bobine del gradiente MRI, possiamo generare deboli campi magnetici per spingere il microrobot attraverso i vasi sanguigni o altri tubi biologici.
Negli esperimenti successivi, Martel ha prodotto nanoparticelle di ferro e cobalto rivestite con un farmaco antitumorale e ha iniettato questi minuscoli soldati nei conigli. Usando un programma per computer per cambiare automaticamente il campo magnetico, il suo team ha puntato i robot sul bersaglio. Sebbene non ci fossero tumori reali in questo particolare studio, Martel afferma che progetti come questi potrebbero essere utili per combattere il cancro al fegato e altri tumori con vasi relativamente grandi.
Perché non piccoli vasi? Il problema è di nuovo l'energia. Martel è stato in grado di ridurre il robot a poche centinaia di micrometri: qualsiasi cosa di meno richiede gradienti magnetici così grandi da disturbare i neuroni nel cervello.
Microborg
Una soluzione più elegante è utilizzare motori biologici già esistenti in natura. I batteri e lo sperma sono armati di code da colpo di frusta che li spingono naturalmente attraverso i tunnel tortuosi e le cavità del corpo per svolgere reazioni biologiche.
Combinando parti meccaniche e biologiche, sarebbe possibile far sì che i due componenti si completino a vicenda quando uno si guasta.
Un esempio è un bot di sperma. Schmidt ha sviluppato minuscole bobine di metallo che avvolgono lo sperma pigro, dandogli la mobilità per raggiungere l'uovo. Lo sperma può anche essere caricato con farmaci associati alla microstruttura magnetica per il trattamento dei tumori del tratto riproduttivo.
Esistono anche gruppi specializzati di batteri MC-1 che si allineano con il campo magnetico terrestre. Generando un campo relativamente debole, sufficiente a superare quello terrestre, gli scienziati possono orientare la bussola interna dei batteri verso un nuovo bersaglio come il cancro.
Sfortunatamente, i batteri MC-1 possono sopravvivere nel sangue caldo solo per 40 minuti e la maggior parte non è abbastanza forte da nuotare contro il flusso sanguigno. Martel vuole creare un sistema ibrido di batteri e vesciche di grasso. Le bolle, cariche di particelle magnetiche e batteri, saranno dirette in vasi più grandi utilizzando forti campi magnetici fino a quando non entreranno in quelli più stretti. Quindi esplodono e rilasciano uno sciame di batteri, che allo stesso modo, utilizzando deboli campi magnetici, completeranno il loro viaggio.
Andando avanti
Mentre gli scienziati hanno abbozzato un sacco di idee sulla propulsione, tracciare i microrobot una volta che sono stati impiantati nel corpo rimane un'enorme sfida.
Combinazioni di diverse tecniche di imaging possono aiutare. L'ecografia, la risonanza magnetica e l'imaging a infrarossi sono troppo lenti per osservare le operazioni dei microrobot in profondità nel corpo. Ma combinando luce, suono ed onde elettromagnetiche, potremmo aumentare la risoluzione e la sensibilità.
Idealmente, una tecnica di imaging dovrebbe essere in grado di tracciare micromotori a 10 centimetri sotto la pelle, in 3D e in tempo reale, muovendosi a una velocità minima di decine di micrometri al secondo, affermano Medina-Sanchez e Schmidt.
Al momento, questo è difficile da ottenere, ma gli scienziati sperano che le tecniche optoacustiche all'avanguardia, che combinano imaging a infrarossi e ultrasuoni, possano diventare abbastanza buone da tracciare i microrobot in pochi anni.
E poi rimane la domanda, cosa fare con i robot alla fine della loro missione. Lasciarli vagare all'interno del corpo è un segno di coagulazione o altri effetti collaterali catastrofici come l'avvelenamento da metalli. Riportare i robot al punto di partenza (bocca, occhi e altre aperture naturali) può essere opprimente. Pertanto, gli scienziati stanno valutando opzioni migliori: rimuovere i robot in modo naturale o crearli da materiali biodegradabili.
Quest'ultimo ha un vantaggio separato: se i materiali sono sensibili al calore, all'acidità o ad altri fattori corporei, potrebbero essere utilizzati per creare biorobot autonomi che funzionano senza batterie. Ad esempio, gli scienziati hanno già realizzato piccole "pinze" a forma di stella che si chiudono attorno al tessuto quando vengono esposte al calore. Se posizionato intorno a organi o tessuti interessati, il rampino potrebbe eseguire una biopsia in situ, offrendo un metodo meno invasivo per lo screening del cancro del colon o per il monitoraggio della malattia infiammatoria intestinale cronica.
"L'obiettivo è creare microrobot in grado di rilevare, diagnosticare e agire in modo autonomo mentre gli esseri umani osservano e rimangono sotto controllo in caso di malfunzionamento", dicono Medina-Sanchez e Schmidt.
Il fantastico viaggio dei micro-robot medici è solo all'inizio.
Tutte le combinazioni di materiali, microrganismi e microstrutture dovranno essere testate indefinitamente per assicurarsi che siano sicure, prima sugli animali, poi sugli esseri umani. Gli scienziati stanno anche aspettando l'assistenza delle autorità di regolamentazione.
Ma l'ottimismo degli scienziati non si esaurisce.
"Attraverso iniziative coordinate, i microrobot potrebbero portarci per dieci anni nell'era delle terapie non invasive", affermano i ricercatori.
ILYA KHEL
