Nahradí lékaře mikroroboti z gelu a zlata řízení světlem? Objevy VŠCHT posouvají medicínu poblíž sci-fi

Představte si robota o velikosti lidské buňky, který je na dálku napájen i navigován světlem.

Představte si, že tenhle robot dokáže donekonečna (při zachování zdroje světla) vykonávat na úrovni mikrosvěta mechanicky zcela přesné úkony. Bez nutnosti jakéhokoli invazivního zákroku „zvenčí“. I tomu se věnují na pražské Vysoké škole chemicko-technologické (VŠCHT).

Možnosti využití při tvorbě nových materiálů či manipulaci s jednotlivými buňkami v oblasti biomedicíny jsou bezbřehé. Výzkumná skupina Ivana Řehoře z VŠCHT podobné mikroroboty vyrábět dokáže, a nejen je.

Nedávno také oznámila, že vymyslela způsob, jak efektivně vytvářet částice libovolného tvaru o velikosti lidské buňky, které neobsahují žádný umělý (syntetický) materiál.

Farmacii a biomedicínu čeká změna

„Schopnost robotické manipulace v minulosti naprosto změnila řadu odvětví lidské aktivity, například automobilový průmysl a průmyslovou výrobu obecně. My podnikáme první kroky k tomu, abychom byli schopni podobných úkonů v mikroměřítku, tedy v úrovni jednotek či desítek mikronů,“ říká doktor Ivan Řehoř.

To může do budoucna radikálním způsobem změnit výrobu materiálů, biomedicínské aplikace a další oblasti, kde bude možné jednoduše, levně, přesně a bezpečně manipulovat jednotlivými buňkami a například je skládat do větších funkčních celků.

Řehořovi mikroroboti jsou tvořeni na světlo reagujícími hydrogelovými mikročásticemi. Vyrábějí se v procesu nazvaném stop flow litografie a jejich součástí jsou také částice zlata.

„Pokud vyrábíte malého robota, není možné, aby si nesl svůj zdroj energie s sebou. Proto jsou naši roboti napájeni na dálku svazkem světla. Zlaté částice toto světlo účinně zachycují a přeměňují jej na teplo, které vyvolává vlastní pohyb robota pomocí opakovaných stahů jeho těla,“ popisuje Řehoř.

Ten strávil část své vědecké kariéry v nizozemském Utrechtu, právě tamní univerzita spolu s VŠCHT a Ústavem organické chemie a biochemie AV ČR stojí za výzkumem. Svůj objev „světelného mikrorobota“ publikovala Řehořova skupina v oborově prestižním časopise Soft Robotics.

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT:

Devastace přírody zvyšuje riziko pandemií, varují odborníci. Že budou přicházet, je jisté

Vědec pracuje na hybridu prasete a člověka. Sloužil by jako dárce orgánů

Robot jako „žížala“

Světlo jako zdroj pohybu není nový nápad. Co ale dělá výzkum na VŠCHT výjimečným, je samotná kontrola pohybu robota, který se plazí po povrchu nejjednodušším možným způsobem – tělo robota se pouze smršťuje a opět rozpíná.

Klíčovou roli hraje nerovnoměrná změna tření mezi robotem a podkladem, po němž se sune. „Tato změna pochází ze složitých dějů v materiálu robota, jež se během jeho smrštění a roztahování dějí na molekulární úrovni zaplétání a opětovného rozplétání jednotlivých polymerních řetězců, z nichž je vyroben. To nám také umožňuje naprosto jednoduchý systém řízení a navigace robota pouze pomocí míření svazku světla,“ upozorňuje Řehoř na unikátnost systému.

Velkou výhodou nových mikrorobotů je v porovnání s klasickými přístupy k mikromanipulaci nízká výrobní cena. Současné nástroje, jež využívají „zpřevodování“ makroskopických pohybů do mikroměřítka, například přístroje pro asistovanou reprodukci či mikrochirurgii, jsou velmi drahé.

Navíc vždy vyžadují pevné spojení mezi místem manipulace a vnějším zařízením. „Výrobní cena jednoho robota je naprosto zanedbatelná,“ říká vědec. Dodává, že jeho záměr obstojí i v konkurenci obdobných přístupů k manipulaci na mikroúrovni, typicky využívajících namísto světla magnetické pole.

VIDEO: Jak fungují geloví mikroroboti ovládaní světlem?

Zdroj: VŠCHT, youtube.com

Částice bez syntetiky

Řehořův tým také stojí za objevem, jak efektivně vytvářet částice libovolného tvaru o velikosti lidské buňky, které neobsahují žádný umělý (syntetický) materiál. Tato kombinace vlastností mikročástic je ve vědeckém světě zcela nová a může být zásadní pro budoucí vývoj umělých tkání.

Okamžité využití má pak v oblasti farmak – částice lze nanést na léčivo a použít jako značku, díky níž lze účinně odhalit jeho falšování, což byl prvotní cíl výzkumu.

„Díky našemu výzkumu umíme vytvořit gelovou mikročástici, která má definovaný tvar, a tak do ní například můžeme vepsat číslo. Tuto částici dokážeme umístit přímo na formulaci léčiva (tabletku), a protože je z čistého biopolymeru, může být naprosto bezpečně užita spolu s vlastním léčivem. Pokud se pak podíváte na tabletu pod mikroskopem, můžete si číslo přečíst,“ vysvětluje Řehoř.

Idea je taková, že číslo na tabletce bude spárované s číslem šarže na obalu léčiva a pouze výrobce bude znát klíč ke spárování. Pokud bude pochybnost o pravosti léčiva, bude možné, například přes mobilní aplikaci, poslat obě čísla na server výrobce a ten vrátí zpět informaci, zda se jedná o originál, či padělek.

Fabrika na mikročástice

Podle Řehoře je zcela zásadní, že dokážou vytvářet biomateriál na úrovni velikosti lidské buňky, z nichž poté lze vytvářet umělé orgány.

„Naše těla se skládají ze základních stavebních kamenů – buněk. Pokud chceme vytvářet biomateriály, které mají s naším tělem interagovat či přejímat některé jeho funkce, musíte být schopni tyto biomateriály tvarovat v malých velikostech,“ vysvětluje doktor Řehoř.

Další výhodou je kvantita produkce takových mikročástic. „Umíme naše mikročástice produkovat v množství tisíců částic za hodinu. To se zatím, alespoň pokud vím, nikomu nepovedlo,“ dodává držitel grantu z Fondu Dagmar Procházkové pro talentované vědce se zahraniční zkušeností.

Momentálně pracují na tzv. mikrofluidním syntetizátoru, v němž by byly všechny kroky výrobního procesu seřazeny za sebou a který by hydrogelové mikročástice chrlil v počtech desetitisíců za hodinu (pro představu – na 1 cm³ umělé tkáně je potřeba zhruba milion mikročástic).

„Cesta k náhradním orgánům bude nicméně velmi dlouhá. Snažíme se teď vytvořit nástroje, které by umožnily stavbu struktur podobných těm v živých tkáních. Napodobit organizační strukturu ovšem samo o sobě nezaručuje funkčnost takového umělého orgánu, to je opravdu hudba budoucnosti,“ podotýká Řehoř.

Levná varianta

Princip ovládání robotů z dílny týmu VŠCHT je podle Řehoře mnohem jednodušší než u magnetických robotů. K dalšímu rozvoji vybízí i nízká cena, lze jej podle vědce snadno postavit už za 500 eur.

„Navíc pracujeme na vývoji mikrorobotů, kteří by mohli jednou být napájeni i běžným slunečním světlem a plazili by se kdekoli. Ale to je opravdu budoucnost,“ uzavírá Řehoř.