Часто задаваемые вопросы по наномедицине

Автор: Роберт Фрайтас (Robert A. Freitas Jr.)

Сайт Роберта Фрайтаса http://www.rfreitas.com

оригинал находится здесь: http://www.foresight.org/Nanomedicine/#NMFAQ

1. Из каких химических элементов будут состоять медицинские нанороботы?

2. Могут ли жидкости, находящиеся в человеческом теле проникать в нанороботов? 

3. Какое будет физическое самочувствие человека, которому ввели внутрь медицинских нанороботов?

4. Как будет выглядеть типичный наноробот?

5. Можете ли вы дать пример простого медицинского наноробота?

6. Могут ли "устаревшие нанороботы", содержащиеся в человеческом теле, создавать проблемы, если они в конечном счете откажут?

7. Как нанороботы будут удалены из тела?

8. Будут ли нанороботы, находящиеся внутри человеческого тела, атакованы иммунной системой?

9. Как быстро нанороботы смогут реплицироваться внутри человеческого тела?

10. Могут ли медицинские нанороботы обладать искусственным интеллектом, похожим на человеческий?

11. От каких источников энергии будут работать нанороботы?

12. Как можно будет связаться с этими машинами, когда они завершат свою работу?

13. Если медицинские нанороботы будут введены в тело внутривенно, как можно будет проследить их расположение?

14. Какими видами детектирующих систем нанороботы будут отличать различные типы клеток?

15. Как будут химические агенты (например, лекарства против рака) транспортироваться и доставляться к определенной клетке?

16. Возможно ли увидеть in vivo наноробота, используя радиоизотопный метод, или необходимо рассматривать их непосредственно в тканях?

17. Можно ли использовать тканевую биопсию и последующую электронную микроскопию для отображения процесса работы роботов при лечении заболевания?

18. Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?

19. Какая была бы наибольшая выгода для человечества, используя наномедицину?

    Типичное медицинское наноустройство будет представлять собой робота микронного (мкм) размера, собранного из наночастей. Эти части будут варьироваться от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м), и будут должны составлять работоспособную машину, размерами около 0.5-3 мкм (1 мкм = 10-6 м) в диаметре. Три микрона - максимальный размер для медицинских нанороботов кровотока, т.к. это минимальный размер капилляров.

    Углерод будет основным элементом, составляющим основу медицинских нанороботов, возможно в форме алмаза или алмазоидных нанокомпозитов из-за огромной прочности алмазоида и его химической инертности. Многие другие элементы, такие как водород, сера, кислород, азот, фтор, кремний и др., будут использоваться для специального применения в нанометрических редукторах и других компонентах.

    С медицинской точки зрения имело бы смысл определить наноробота как устройство, имеющее два пространства - внутреннее и внешнее. И это правда, что внешнее пространство наноробота будет соприкасаться с внешним окружением - биохимической машиной человека. Но внутреннее пространство наноробота полностью организовано (вероятнее всего, что это будет вакуум), и при нормальной работе устройства в него не попадают посторонние жидкости, кроме тех, с которыми работает наноробот.
Конечно, в процессе работы наноробот может пропускать внутрь себя жидкости для химического анализа или для других целей. Но важно, что это устройство будет водо- и воздухонепроницаемо. Жидкости, находящиеся в теле человека не смогут проникнуть внутрь наноробота, кроме жидкостей, специально нагнетаемых механизмом. 

    В большинстве случаев пациент, проходящий наномедицинскую обработку, выглядит точно так же, как и другой такой же больной человек. Типичная наномедицинская обработка (например, очистка от бактериальной или вирусной инфекции) будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров нанороботов микронного размера, растворенных в жидкости (возможно в воде или в солевом растворе). Типичная терапевтическая доза может включать от 1 до 10 триллионов (1 триллион = 1012) отдельных нанороботов. Естественно, что в зависимости от заболевания можно ограничиться несколькими миллионами или несколькими биллионами механизмов. Каждый наноробот будет размерами от 0.5 мкм до 3 мкм в диаметре. Размеры зависят от вида и назначения наноробота.

    Тело взрослого человека имеет объем около 100,000 см3 и объем крови ~5400 см3, поэтому добавление дозы нанороботов объема ~3 см3 практически несущественно. Нанороботы будут делать только то, что скажет врач, ничего более (таким образом исключена возможность неисправностей). Таким образом, изменится только физическое состояние пациента - он будет очень быстро поправляться. Большинство болезней типа простуды или лихорадки имеют симптомы, обусловленные биохимически. Их можно будет устранить, вводя дозу соответствующих нанороботов. Восстановление нормального состояния кожи при высыпаниях на ней или ее повреждение (как это случается при кори), будет происходить медленнее, так как в этом случае необходимо будет полностью восстановить кожный покров. 

    Невозможно сказать сейчас, как будет выглядеть универсальный наноробот. Нанороботы, предназначенные для путешествий внутри человеческого кровотока, возможно, будут иметь размер 500-3000 нм. Нанороботы, находящиеся в тканях, могут быть размерами от 50 до 100 мкм. А наноустройства, функционирующие в бронхах, могут быть еще больше. Каждый тип медицинского наноробота будет разработан под необходимые условия, и, поэтому, возможны разные их размеры и формы.
Ни один наноробот еще не сконструирован, наконец. Многие, теоретически правильные на бумаге разработки нанороботов, в будущем будут уточняться после соответствующих исследований.

    Очень простой наноробот, которого я (Роберт Фрайтас, прим. перев.) разработал несколько лет назад - искусственная красная кровеносная клетка, названная "респироцитом". Размер респироцита - 1 микрон в диаметре и он просто протекает в кровотоке. Это сферический наноробот, изготовленный из 18 биллионов атомов. Эти атомы, в основном, - углерод, с кристаллической решеткой алмаза, образующие сферическую оболочку механизма. 

    Респироцит, по сути дела, - гидропневмоаккамулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 биллионов молекул кислорода (O2) и молекул диоксида углерода (CO2). Позже, эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер. (Респироциты могут быть изготовлены невоспламеняющимися благодаря оболочке из сапфира, негорючего и материала со свойствами, близкими к алмазоиду).

    Поверхность каждого респироцита на 37% покрыта 29160 молекулярными сортирующими роторами ("Nanosystems", стр. 374), которые могут нагнетать и выпускать газы во внутренний резервуар. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, парциальное давление O2 выше, чем CO2, поэтому бортовой компьютер говорит сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. Когда устройство определит свое местоположение в тканях, бедных кислородом, произойдет обратная процедура: так как парциальное давление CO2 относительно высокое, а парциальное давление O2 низкое, то роторы будут нагнетать CO2, выпуская O2.

    Респироциты подражают естественным функциям эритроцитов, наполненных гемоглобином. Но респироцит может переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Этот наноробот намного более эффективен естественного, благодаря исключительной прочности алмазоида, позволяющего поддерживать внутри устройства высокое давление. Рабочее давление красной кровяной клетки - 0.51 атм, при этом только 0.13 атм доставляется тканям. Таким образом, инъекция 5 см3 дозы 50% раствора респироцитов в кровоток сможет заменить несущую способность 5400 см3 крови пациента (то есть ее всю)! 

    Респироциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменить их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться. Позже, врач может дать команду о включении. 
Что будет, если добавить 1 литр респироцитов в ваш кровоток (это максимально безопасная доза)? Вы теперь можете задерживать дыхание на 4 часа, спокойно находясь при этом под водой. Или, если вы спринтер, и бежите на предельной скорости, то можете задержать дыхание на 15 минут до следующего вдоха!

    Описанное "простое" устройство имеет очень полезные возможности, даже при его использовании в малых дозах. Другие, более сложные устройства, будут иметь больший набор возможностей. Некоторые устройства должны быть мобильными и способными плавать в крови, либо переползать внутри тканей. Естественно, что они будут иметь различные цвета, формы, в зависимости от выполняемых ими функций. Они будут иметь различные виды манипуляторов роботов, различные наборы сенсоров и т.д. Каждый медицинский наноробот будет спроектирован на определенный тип работы, и будет иметь уникальную форму и поведение.

    После наномедицинской обработки, нанодоктора 21 столетия захотят удалить терапевтических нанороботов из тела пациента тогда, когда механизмы завершат свою работу. Поэтому опасность того, что "устаревшие нанороботы", оставшиеся в теле пациента, будут работать неверно, очень мала. 
Также нанороботы будут спроектированы с высоким уровнем статической неопределимости для того, чтобы избежать сбоев в работе устройства, и устранить тем самым медицинский риск.

    Некоторые наноустройства способны к самоудалению из организма путем естественных человеческих экскреторных каналов. Другие будут спроектированы таким образом, чтобы позволить их удаление медицинским персоналом, используя выводяще-подобные процессы (обычно называемые нановыводом или наноаперезисом) или активные фагоцитозные системы. Это зависит от устройства данного наноробота. Для респироцитов, ранее рассмотренных, процедура выведения их из тела пациента проста:

    "Как только терапевтическое применение закончено, было бы желательно вывести искусственные устройства из кровотока. Бортовой резервуар с балластом (водой) полезен при отделении искусственных клеток от крови. Кровь, нуждающаяся в очистке поступает в специально сконструированную центрифугу, где респироцитам дают команду ультразвуком очистить их балластные резервуары от воды и, таким образом, установить нулевую плавучесть. Ни один твердый компонент крови не обладает нулевой плавучестью, поэтому остальные компоненты будут отделены от респироцитов с помощью аккуратного центрифугирования. После этого, плазма, содержащая респироциты, пропускается через фильтр с зернистостью 1 мкм, отделяя респироциты от плазмы. Отфильтрованная плазма смешивается с твердыми телами, полученными в течении центрифугирования и кровь неповрежденной возвращается к пациенту. Скорость отделения респироцитов может варьироваться с помощью команд, изменяя плотность респироцита заполнением балластного резервуара. Так можно добиться у респироцитов 66% плотности плазмы крови, или, командой от врача, выпустить 5 микронный пузырек кислорода, присоединяясь к нему благодаря силе поверхностного натяжения, всплывать с постоянным ускорением наверх."

    (Цитировано из Роберт А. Фрайтас, "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell." 

    Иммунная система, в основном, реагирует на "чужеродные" поверхности. Размер наноробота также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Вообще же, проблема биосовместимости, в принципе, не сложнее проблемы совместимости биоимплантантов. 
В некоторых случаях эта проблема оказывается проще, чем ее привыкли представлять, так как многие типы медицинских нанороботов будут временно находиться в человеческом теле. Даже на сегодняшний день, применение иммунноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения, помогут иммунно незащищенным роботам находиться в теле человека и выполнять там свою работу без проблем.

    Конечно, идеальный выход из данной проблемы - конструирование роботов из алмазоидных материалов. Ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие ("организованное", т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.

    Однако, даже организованные поверхности не будут обеспечивать достаточной биоинактивности, и только активное управление поверхностью робота может обеспечить полную биосовместимость всего устройства.

    Это очень распространенная ошибка. Медицинские нанороботы не нуждаются в репликации вообще. В действительности FDA, или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем.

    Репликация - основная возможность претворения в жизнь молекулярного производства (молекулярной нанотехнологии). Но, несмотря на наиболее необходимые применения самореплицирующихся систем, просто нет смысла рисковать, изготавливая "жизнеспособные" нанороботы внутри организма, в то время как "нежизнеспособные" нанороботы могут изготовляться очень быстро и дешево вне человеческого тела, не причиняя ему опасности. Репликаторы будут всегда под строжайшим контролем со стороны правительств всего мира.

    Одним из ранних предположений Эрика Дрекслера в "Двигателях создания" было использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека (in vivo). Таким образом, наноустройство сможет при помощи механохимических реакций получать энергию из метаболиза О2 и глюкозы. Другая возможность - получение акустической энергии извне, что наиболее удобно при клиническом применении. В главе 6 "Nanomedicine: Basic Capabilities" описана дюжина других источников энергии, потенциально доступных в человеческом теле.

    Для этого существует много способов. Простейший путь состоит в распространении тестовых акустических сигналов внутри тела, которые нанороботы in vivo будут принимать. Устройство, похожее на ультразвуковой датчик будет раскодировать акустические сигналы с частотой порядка 1-10 МГц. Таким образом, врач, проводящий лечение, может легко посылать новые команды нанороботу, находящемуся в теле человека. Каждый наноробот имеет автономный источник энергии, компьютер, набор сенсоров, и, поэтому может принимать акустические сигналы, декодировать их и посылать соответствующий ответ.

    Существует еще вторая половина процесса передачи данных - от нанороботов врачу. Эти данные также можно передавать акустически. Однако, возможности бортовой силовой установки робота ограничивают радиус передачи акустических сигналов до нескольких сот микрон для каждого наноробота. Поэтому необходимо будет создать внутреннюю сеть, собирающую локальные данные, и, затем, пересылающую их к центральному "пункту связи", где лечащий врач сможет их принять с помощью высокочувствительных ультразвуковых сенсоров. Подобная сеть, состоящая примерно из 100 биллионов мобильных узлов (рассеивающих 60 Вт тепла, в то время как нормальное рассеивание энергии человеческого тела - 100 Вт) внутри тела пациента может быть установлена в течение часа.

    Кроме вышеназванного способа, существует ряд других, более сложных методов обмена сообщениями.

    Как только навигационная сеть внедряется в тело пациента, она образует навигационную систему со многими станциями позиционного управления нанороботами.

    Месторасположение нанороботов in vivo будет передаваться через коммуникационную сеть. Так как обычная терапевтическая доза нанороботов составляет биллионы или триллионы устройств, то неважно получать данные о месторасположении каждого робота. Передача данных о индивидуальном расположении нанороботов возможно лишь при их дозе менее миллиона.

    Каждый тип клеточной поверхности имеет уникальный набор антигенов. Некоторые поверхностные антигены отображают статус клетки (здорова/больна и т.д.), тип органа, и даже индивидуальность организма (что-то наподобие биохимического номера "социальной защиты", присущей каждому организму).

    Поэтому короткий ответ на этот вопрос таков: необходимо использовать хемотактические сенсоры (схожие с сенсорами в химической силовой микроскопии), имеющие конфигурацию связывающей поверхности тех антигенов, которыми обладает искомая клетка. Знание о структуре этих антигенов будет получено при обработке результатов Проекта Человеческого Генома в начале 21 веке.

    Как только определена группа клеток, нуждающихся в доставке лекарства, наноустройства просто доставляет лечащий агент в клетку из бортовых хранилищ. Инъекция 1 см3 1-микронных наноустройств содержит в себе как минимум 0.5 см3 лечащего агента. Практически все эти биллионы нанороботов достаточно "умны" для того, чтобы доставить 100% своего багажа внутрь клетки, поэтому эффективность их применения составит 100%. Сенсоры на борту устройств обеспечат надежный контроль за передозировкой клеток лекарством. 

    Однако, этот вопрос - яркий пример "анахронизма" в наномедицине. Развитая нанотехнология сможет в будущем обеспечить другой путь, менее деструктивный для достижения той же цели. Например, доставка цитотоксина в тканевые клетки необязательно при удалении карциноматоза на клеточном и генетическом уровне. 

    Да, наноустройства могут наблюдаться внутри тела при помощи MRI, особенно если их алмазоидные компоненты будут изготовлены из атомов 13C, а не обычных 12C. Изотоп углерода, 13C имеет ненулевой ядерный магнитный момент. Но в эре наномедицины изотопный подход будет, опять-таки, анахронизмом. Объясним, почему.

    Применяя классический медицинский метод к нанолечению, медицинские нанороботы должны быть сперва инъектированы в тело пациента (или орган) для начала работы. Врачи хотели бы наблюдать прогресс лечения, и быть уверенными, что наноустройства действительно взаимодействуют с искомыми клетками и попадают в район заболевания. Поэтому первым инстинктивным желанием врачей будет желание видеть нанороботы в теле за работой. Говоря по-другому, врачи хотели бы сканировать участки тела, и увидеть наноустройства, находящиеся возле цели их применения (в органах, тканях и т.п.). 
Однако, технологии, изготовляющие наноустройства с молекулярной точностью, могут позволить разработать и встроить внутрь нанороботов механизмы для коммуникации и навигации. Также будут разработаны коммуникационные сети внутри тела пациента. Терапевтические наноустройства, запрограммированы на специальные поверхностные антигены клеток искомой ткани. Это дополнительный инструмент, помогающий нанороботу работать внутри заданной области с необходимой точностью (около миллиметра или точнее). 

    Поэтому корректная модель медицинского вмешательства в наноэпоху будет выглядеть следующим образом: нанороботы, введенные в человеческое тело будут абсолютно инактивны за пределами области медицинского вмешательства. Даже внутри искомой области нанороботы пребывают неактивными до тех пор, пока их сенсоры не будут хемотактически активированы индивидуальной последовательностью белков, характерной для клеток, подлежащих лечению. Нанороботы будут также разработаны таким образом, чтобы активироваться только по акустическому сигналу извне (например, от врача, который, наметив пораженную область выделяет область активирования на пространственной координатной сетке, совмещенной с телом пациента), и только затем производить сенсоринг клеточных белков. Врач целиком контролирует местопребывание и статус нанороботов в течение всего лечения. Сигналы на остановку нанороботов могут быть поданы в любое время. 
Также важно, что при этом нанороботы смогут обмениваться данными о своем местоположении, количественном характере заболевания и о процессе лечения. Диапазон передачи сигналов отдельного наноробота ограничен, но и эти технические трудности преодолимы. В этой модели лечения врач получает данные от активных нанороботов. Они сообщают врачу, сколько раковых клеток в их окружении; где находятся механизмы, и т.д. У бортовых компьютеров наномашин будут системы предотвращения сбоев (подобно пяти независимым бортовым компьютерам в космическом шаттле), устройства блокировки робота при сбоях и системы полной остановки при выводе роботов из тела.

    Поэтому, при лечении таким способом, совершенно неважно полностью представлять наноустройства непосредственно, так как обратная связь от нанороботов облегчит их контроль и визуализацию. 

    Да, можно использовать методы биопсии для обнаружения нанороботов в тканях пациента, используя электронную микроскопию. Однако, в нормальных условиях, медицинские нанороботы будут работать без сбоев, так что биопсия станет ненужной. Наноустройства, разработанные с использованием протоколов, исключающих некорректную работу и имеющие ряд механических устройств, повышающих надежность работы устройства, практически не будут работать некорректно. 
В обычной биопсии первичный интерес представляет исследуемая ткань (не наноустройства, а именно состояние самой ткани). Но наноустройства могут быть использованы для быстрого тестирования ткани, исследования ее биохимии, биомеханики и гистометрических характеристик ("гисто" - ткань) с большой точностью и подробностями. Вообще, в эру профессиональной наномедицины, будет важно производить ряд тестов in situ (по месту, на отдельном препарате, без организма), прежде чем начинать лечение. Это облегчит последующую наномедицинскую процедуру и сделает ее более комфортабельной для пациента. 

    Некомпетентность или халатность лечащего персонала - вот первостепенная опасность для пациента. Однако, как и сейчас, так и в эре нанотехнологий, такие случаи должны быть нечасты. 
Ошибка может происходить в неожиданных случаях. Биосовместимость человека с нанороботами хорошо изучена и не представит проблемы. Несколько взаимозаменяемых бортовых компьютеров робота разрешат проблему перепрограммирования, адаптации, сбоев даже после того, как он начнет свою работу внутри ткани. В заданиях с высокой степенью риска будут введены в действие усложненные протоколы работы роботов, исключающие неправильную работу совокупности наномеханизмов. 
Поэтому наиболее серьезные проблемы могут появляться при совместной работе триллиона механизмов в ограниченном пространстве и за очень короткий промежуток времени. Одним из непредвиденных сбоев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно определить в настоящее время, и, по всей видимости, они будут проверены при тестировании уже готовых роботов. 

    Простым примером подобной неисправности будет взаимная работа двух типов нанороботов в одной ткани. Если наноробот типа А запрограммирован восстанавливать последствия работы наноробота В, то, ткань, содержащая их обоих, подвергнется сначала воздействию наноробота В, а, затем, наноробот А удалит все результаты вмешательства наноробота В, что в свою очередь приведет к повторной работе наноробота В и так далее до бесконечности. То есть нанороботы будут "исправлять" работу друг друга.

    Но даже в подобной ситуации контроль над роботами сохраняется. Лечащий врач, наблюдая процесс лечения, либо отключит один тип наноробота, либо перепрограммирует оба (пока они все еще внутри тела), чтобы их работа не вызывала деформацию тканей. Врач должен все время держать "руку на пульсе", чтобы избежать подобных ситуаций. Вмешательство лечащего врача - основной регуляционный элемент в неожиданных неисправностях и проблемах, поэтому квалификация лечащего персонала играет первостепенную роль.

    Наномедицина исключит почти все широко распространенные заболевания двадцатого столетия, боль; увеличит срок жизни человека и расширит наши умственные возможности. 

    Устройство для хранения данных нанометрических размеров, способное хранить информацию, эквивалентную информации Библиотеки Конгресса, займет всего ~8,000 микрон3, что составляет объем клетки печени и меньше объема, занимаемого нейроном - нервной клеткой. Если имплантировать подобные устройства в человеческий мозг вместе с устройствами, обеспечивающими к ним доступ, то объем информации, способной храниться в человеческой памяти, неизмеримо вырастет.

    Простой нанокомпьютер, выполняющий 10 терафлоп операций в секунду (10 терафлоп - 1013 операций с числами с плавающей запятой) детально описанный Дрекслером, также занимает объем средней человеческой клетки. Этот компьютер эквивалентен (со многими упрощениями) счетной способности человеческого мозга. Он рассеивает в окружающую среду около 0.001 ватт тепла. Человеческий мозг при таком же количестве операций в секунду, рассеивает 25 ватт тепла. Если имплантировать в человеческий мозг несколько таких устройств, можно в несколько раз ускорить процессы человеческого мышления.

    Но, возможно, основной пользой для человечества будет эра мира, наступившая благодаря развитию нанотехнологий. Мы надеемся, что умные, образованные, здоровые, ни в чем не нуждающиеся люди, имеющие хорошие дома, не захотят воевать друг с другом. Люди, могущие прожить жизнь гораздо полнее и дольше, чем сейчас, не захотят подвергать свое существование угрозе.