En ljus höstkväll 2006 höll doktor Sylvain Martel andan när en tekniker laddade en bedövad gris i en roterande fMRI-maskin. Hans ögon såg på en datorskärm som visade en magnetisk pärla som hängde i ett tunt grisblodkärl. Spänningen i rummet kunde kännas fysiskt. Plötsligt vaknade ballongen till liv och gled över fartyget som en mikroskopisk ubåt på väg mot sin destination. Teamet bröt i applåder.
Martel och hans team testade ett nytt sätt att fjärrstyra små föremål inuti ett levande djur genom att manipulera maskinens magnetiska krafter. Och för första gången fungerade det.
Forskare och författare har länge drömt om små robotar som rör sig genom kroppens stora cirkulationssystem som rymdforskare som studerar galaxer och deras invånare. Potentialen är enorm: små medicinska robotar kan till exempel överföra radioaktiva läkemedel till cancerkluster, utföra operationer inuti kroppen eller rensa blodproppar djupt inuti hjärtat eller hjärnan.
En dröm, en dröm, men med hjälp av robotar, säger Dr. Bradley Nelson från Polytechnic University of Zurich, kunde människor kasta sig direkt in i blodomloppet för att utföra hjärnkirurgi.
För närvarande är medicinska mikrorobotar mest fiktiva, men detta kan förändras under det kommande decenniet. Den här veckan publicerade doktor Mariana Medina-Sánchez och Oliver Schmidt från Leibniz Institute for Solids and Materials Research i Dresden, Tyskland, en uppsats i Nature som vände sig från stora skärmar till nanotekniska laboratorier, där de prioriterade och realistiska tester för att återuppliva dessa små kirurger.
Skapande av flyttare
Medicinska mikrorobotar är en del av medicinens resa till miniatyrisering. 2001 introducerade det israeliska företaget PillCam, en plastkapsel med godisstorlek utrustad med en kamera, batteri och trådlös modul. Under resan genom matsmältningskanalen skickade PillCam regelbundet bilder tillbaka trådlöst och erbjuder en mer känslig och mindre toxisk diagnostisk metod än traditionell endoskopi eller radiografi.
Kampanjvideo:
PillCam är gigantisk i storlek för en perfekt mikrorobot, vilket gör att den bara passar för det relativt breda röret i matsmältningssystemet. Detta piller var också passivt och kunde inte dröja kvar på intressanta platser för en mer detaljerad undersökning.
"En riktig medicinsk robot måste röra sig och utvecklas genom ett komplext nätverk av vätskefyllda tubuli i vävnader djupt i kroppen", förklarar Martel.
Kroppen är tyvärr inte särskilt välkomnande för gäster utanför. Mikrorobotar måste motstå frätande magsaft och flyta uppströms i blodomloppet utan motor.
Laboratorier runt om i världen försöker komma med förnuftiga alternativ för att lösa näringsproblemet. En idé är att skapa kemiska raketer: cylindriska mikrorobotar med "bränsle" - en metall eller annan katalysator - som reagerar med magjuicer eller andra vätskor och avger bubblor från baksidan av cylindern.
"Dessa motorer är svåra att kontrollera", säger Medina-Sanchez och Schmidt. Vi kan ungefär styra deras riktning med kemiska gradienter, men de är inte robusta eller tillräckligt effektiva. Att designa giftfria bränslen baserade på socker, karbamid eller andra kroppsvätskor står också inför utmaningar.
Ett bättre alternativ skulle vara metalliska fysiska motorer som skulle kunna aktiveras genom förändringar i magnetfältet. Martel, som visas i hans demonstration med pärla-i-gris, var en av de första som undersökte sådana motorer.
MR-maskinen är perfekt för att styra och avbilda metallprototypmikroboter, förklarar Martel. Maskinen har flera uppsättningar magnetiska spolar: huvudsatsen magnetiserar mikroroboten efter att den har satts in i blodomloppet genom en kateter. Sedan kan vi genom att manipulera MR-gradientspolarna generera svaga magnetfält för att skjuta mikroroboten genom blodkärl eller andra biologiska rör.
I efterföljande experiment gjorde Martel nanopartiklar av järn och kobolt belagda med ett läkemedel mot cancer och injicerade dessa små soldater i kaniner. Med hjälp av ett datorprogram för att automatiskt ändra magnetfältet riktade hans team botsarna direkt mot målet. Även om det inte fanns några verkliga tumörer i just denna studie, säger Martel att projekt som dessa kan vara till hjälp för att bekämpa levercancer och andra tumörer med relativt stora kärl.
Varför inte små fartyg? Problemet är återigen energi. Martel kunde krympa roboten till några hundra mikrometer - allt mindre kräver magnetiska gradienter så stora att de stör nervceller i hjärnan.
Microborgs
En mer elegant lösning är att använda biologiska motorer som redan finns i naturen. Bakterier och spermier är beväpnade med whiplash-svansar som naturligt driver dem genom slingrande tunnlar och kroppshåligheter för att utföra biologiska reaktioner.
Genom att kombinera mekaniska delar med biologiska delar kan man få dessa två komponenter att komplettera varandra när man misslyckas.
Ett exempel är en spermiebot. Schmidt utvecklade små metallspolar som sveper runt den lata spermierna, vilket ger den rörligheten att nå ägget. Spermiecellen kan också laddas med läkemedel associerade med den magnetiska mikrostrukturen för att behandla cancer i reproduktionskanalen.
Det finns också specialiserade grupper av MC-1-bakterier som är i linje med jordens magnetfält. Genom att generera ett relativt svagt fält - tillräckligt för att övervinna jordens - kan forskare orientera bakteriens interna kompass mot ett nytt mål som cancer.
Tyvärr kan MC-1-bakterier bara överleva i varmt blod i 40 minuter, och de flesta är inte tillräckligt starka för att simma mot blodomloppet. Martel vill skapa ett hybridsystem av bakterier och fettblåsor. Bubblor, laddade med magnetiska partiklar och bakterier, kommer att riktas in i större kärl med starka magnetfält tills de kommer in i de smalare. Sedan spränger de och släpper ut en svärm av bakterier, som på samma sätt, med hjälp av svaga magnetfält, kommer att slutföra sin resa.
Går vidare
Medan forskare har skissat en massa idéer om framdrivning är det fortfarande en stor utmaning att spåra mikroroboter när de har implanterats i kroppen.
Kombinationer av olika bildtekniker kan hjälpa till. Ultraljud, MR och infraröd avbildning är för långsam för att observera operationerna hos mikroroboter djupt i kroppen. Men genom att kombinera ljus, ljud och elektromagnetiska vågor kan vi öka upplösningen och känsligheten.
Helst skulle en bildteknik kunna spåra mikromotorer på ett djup av 10 centimeter under huden, i 3D och i realtid, med en minsta hastighet på tiotals mikrometer per sekund, säger Medina-Sanchez och Schmidt.
För närvarande är detta svårt att uppnå, men forskare hoppas att toppmoderna optoakustiska tekniker, som kombinerar infraröd och ultraljud, kan bli tillräckligt bra för att spåra mikroroboter om några år.
Och då kvarstår frågan, vad man ska göra med robotarna när deras uppdrag är slutfört. Att låta dem glida in i kroppen är att tillåta blodproppar eller andra katastrofala biverkningar som metallförgiftning. Att få tillbaka robotar till sin utgångspunkt (mun, ögon och andra naturliga öppningar) kan vara överväldigande. Därför överväger forskare bättre alternativ: ta bort robotar naturligt eller skapa dem från biologiskt nedbrytbara material.
Det senare har ett separat plus: om materialen är känsliga för värme, surhet eller andra kroppsfaktorer kan de användas för att skapa autonoma bioroboter som fungerar utan batterier. Till exempel har forskare redan gjort små stjärnformade "gripare" som stängs runt vävnad när de utsätts för värme. När den placeras runt drabbade organ eller vävnader kan grapple biopsi in situ, vilket erbjuder en mindre invasiv metod för screening för koloncancer eller spåra kronisk inflammatorisk tarmsjukdom.
"Målet är att skapa mikrorobotar som kan känna, diagnostisera och agera självständigt medan människor tittar och håller sig under kontroll i händelse av fel", säger Medina-Sanchez och Schmidt.
Den fantastiska resan för medicinska mikrorobotar har precis börjat.
Alla kombinationer av material, mikroorganismer och mikrostrukturer måste testas på obestämd tid för att säkerställa att de är säkra, först på djur och sedan på människor. Forskare väntar också på hjälp från tillsynsmyndigheter.
Men forskarnas optimism torkar inte ut.
"Genom samordnade initiativ kan mikroroboter leda oss in i en tid med icke-invasiva terapier i tio år", säger forskarna.
ILYA KHEL
