Professore di Chimica Fisica Peer Fischer sui nanorobot, perché è così difficile lavorarci e quale potrebbe essere la loro futura applicazione in medicina
Come vengono usati i nanorobot in medicina?
Professore di Chimica Fisica Peer Fischer sui nanorobot, perché è così difficile lavorarci e quale potrebbe essere la loro futura applicazione in medicina
colloqui | 3 febbraio 2020
Come vengono usati i nanorobot in medicina?
Daria Rasputina / postnauka.ru
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Alcune persone intendono semplicemente “molto molto piccolo” quando parlano di “nano”, tuttavia nella scienza “nano” significa che l’oggetto è inferiore a un micron in due o tre dimensioni. È possibile costruire un nanorobot di quelle dimensioni? In che modo i nanorobot possono aiutarci nella diagnostica e nel trattamento di diverse malattie? Serious Science ha chiesto a Peer Fischer dei nanorobot, perché è così difficile lavorarci e quale potrebbe essere la loro futura applicazione in medicina.
Cos’è la nanorobotica?
L’obiettivo della nanorobotica è quello di incorporare funzioni robotiche, ad esempio rilevamento, elaborazione di informazioni, qualche forma di azione e possibilmente comunicazione su una scala molto più piccola di una singola cella o di un microprocessore. Questo è estremamente impegnativo. La maggior parte dei sistemi nanorobotici sintetici sono solo semplici particelle che possono svolgere solo alcune di queste funzioni o necessitano di un sistema di controllo esterno per farlo.
Uno degli obiettivi della nanorobotica è lo sviluppo di nuove applicazioni mediche. Nella pratica medica si utilizzano già micro e nanoparticelle: queste vengono attualmente spostate nel corpo dal flusso sanguigno. I “nanorobot” che le persone stanno cercando di sviluppare dovrebbero muoversi attivamente o essere spostati in un luogo specifico. Ciò consentirebbe una forma completamente nuova di consegna mirata. Pertanto, la caratteristica distintiva di un nanorobot è che esiste un modo per interagire con esso, spostandolo, accendendolo o leggendo qualcosa.
Quanto sono piccoli i nanorobot?
Quali sono esempi di nanorobot?
Una classe di sistemi nanorobotici di solito è costituita da particelle e un controller esterno. La particella in sé è tipicamente molto semplice, cioè un minuscolo pezzo di un materiale, ma che può essere controllato con luce, campi magnetici o campi acustici. Ad esempio, un sistema nanorobotico può essere costituito da particelle inferiori al micron che possiedono un momento magnetico e una configurazione di laboratorio macroscopica con cui i campi magnetici le guidano in modo controllabile. Potrebbe esserci anche un sistema di imaging per tracciare le particelle. Lavori recenti hanno dimostrato, ad esempio, che è possibile controllare e muovere uno sciame di cavatappi come nanopropulsori magnetici attraverso i tessuti biologici. In questo caso i sistemi nanorobotici sono costituiti dalle particelle della nanoelica e dall’attrezzatura ausiliaria utilizzata sia per azionarle che per seguirle.
Un’altra classe di nanorobot non utilizza campi e configurazioni esterni, ma incorpora il “motore” direttamente nel nanorobot. Ora tutto accade davvero all’interno della particella nanoscopica, e questo quindi rende i sistemi più autonomi. Immagina una semplice particella micro o sub-micron, tipicamente sferica, che contiene i farmaci corretti ed è decorata con un catalizzatore o con enzimi all’esterno, dove avvengono le reazioni chimiche. Le reazioni cambiano l’ambiente chimico locale attorno alla particella in modo tale che possa spingersi in avanti. Un obiettivo della ricerca è progettare queste particelle chimicamente attive in modo tale che possano spostarsi attivamente in una posizione desiderata, ad esempio in un luogo in cui è presente una concentrazione di pH desiderata.
Infine, ci sono anche sforzi per utilizzare microrganismi viventi, come i batteri. Una cellula batterica può percepire autonomamente il suo ambiente, elaborare informazioni e agire, e può essere integrata o combinata con sistemi sintetici.
Vorrei sottolineare che in nessuno di questi esempi c’è un hardware che troveremmo nei robot di grandi dimensioni, cioè niente batterie o motori convenzionali: questi componenti si trovano solo in dispositivi su scala da centinaia di micron a millimetri.
Quali sono le possibili funzioni e applicazioni mediche dei sistemi nanorobotici?
Uno degli obiettivi prefissati è assistere con tutti gli aspetti delle potenziali procedure mediche: assistere con diagnosi, trattamento, chirurgia ecc. Ad esempio, se si sta prendendo in considerazione un intervento chirurgico, la particella può essere riscaldata da un laser o da un campo magnetico CA e quindi utilizzata per distruggere i tessuti. Nel caso della diagnostica potrebbe trattarsi di una particella creata per fornire un agente di contrasto che può aiutare con l’imaging. Nel caso del trattamento, le particelle potrebbero essere caricate con un farmaco e indirizzate verso una posizione di interesse (o spostate attivamente lì da sole). Tutti e tre sono oggetto di ricerca in corso e sono già in parte realizzabili con nanoparticelle passive.
Tuttavia, una prospettiva entusiasmante è che con un sistema nanorobotico si possano potenzialmente attraversare in modo più efficace le barriere nel corpo (la barriera emato-encefalica oi rivestimenti mucosi), che sono difficili da superare con particelle passive. L’obiettivo è raggiungere le aree del corpo dove le nanoparticelle passive non possono arrivare. Il vantaggio è che con i sistemi nanorobotici si potrebbero usare farmaci molto potenti – farmaci che non si possono somministrare sistemicamente – e portarli in una piccola regione mirata. Ci tengo però a sottolineare che allo stato attuale non esiste un sistema che sia già arrivato in clinica. Tuttavia, le particelle passive sono state e sono testate dal punto di vista medico e le particelle attive sono considerate un’estensione di questo lavoro.
Quanto è difficile costruire i nanorobot e come si può vedere dove si trovano?
Per muovere i nanorobot o per fargli fare del lavoro devi essere in grado di esercitare una forza sufficiente, devi essere in grado di controllarli e devi farlo in un ambiente dove è generalmente difficile muoversi, come in un tessuto o in un vaso sanguigno dove c’è un forte flusso sanguigno, ecc. In questo momento la maggior parte della ricerca si sta concentrando su come azionarli e osservarli, ma realizzarli può anche essere una sfida, specialmente su scala sub-micron. La maggior parte del lavoro in corso, tuttavia, si concentra ancora sulla locomozione, e qui ci sono già le prime dimostrazioni di tali esperimenti in vivo.
Anche la generazione di modi per interagire con le particelle è una sfida. La luce non può penetrare in profondità nei tessuti; i campi acustici possono penetrare in profondità nel tessuto, ma generano solo forze deboli. Mentre i campi magnetici vengono utilizzati in ambito medico, l’interazione con piccole particelle richiede gradienti di campo o campi magnetici che cambiano nel tempo, che in linea di principio possono essere realizzati, ma possono richiedere una strumentazione ingombrante.
Una sfida è sapere dove si trovano le particelle poiché sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo. Ciò richiede una modalità di imaging adeguata. Ad esempio, è possibile utilizzare la fotoacustica, ma funziona solo fino a un centimetro di profondità in un tessuto e generalmente richiede particelle più grandi. La luce infrarossa unita alla fluorescenza ha la risoluzione, ma non è adatta alla penetrazione dei tessuti. L’imaging magnetico può essere utilizzato per strutture più grandi, ma potrebbe non funzionare con alcune forme di attivazione magnetica e non ha una risoluzione molto elevata. Questa è una vera sfida, ma il guadagno è alto, in quanto qualsiasi anticipo può avvantaggiare immediatamente una serie di applicazioni. Non ci sarà una sola soluzione e molte direzioni sono attualmente perseguite da diversi gruppi di ricerca.
Di cosa sono fatti i nanorobot?
Se consideriamo un nanorobot come una particella controllata da un sistema esterno, come in un sistema nanorobotico, allora i materiali dipendono da come questa particella è controllata. L’idea è che potenzialmente puoi usare molti materiali. Naturalmente, se vuoi interagire con una particella tramite un campo esterno, deve rispondere al campo, quindi se vuoi controllarla con il campo magnetico devi avere un materiale magnetico, se vuoi controllarla con la luce deve rispondere alla luce e, se vuoi che interagisca con i campi acustici, deve mostrare un contrasto acustico sufficiente per farlo. Il sistema nanorobotico può anche contenere particelle chimicamente attive, enzimi o essere accoppiato a microrganismi.
Quali sono gli approcci medici più importanti?
Come vengono usati i nanorobot in medicina?
Professore di Chimica Fisica Peer Fischer sui nanorobot, perché è così difficile lavorarci e quale potrebbe essere la loro futura applicazione in medicina
colloqui | 3 febbraio 2020
Come vengono usati i nanorobot in medicina?
Daria Rasputina / postnauka.ru
0CondividereTwitta
Alcune persone intendono semplicemente “molto molto piccolo” quando parlano di “nano”, tuttavia nella scienza “nano” significa che l’oggetto è inferiore a un micron in due o tre dimensioni. È possibile costruire un nanorobot di quelle dimensioni? In che modo i nanorobot possono aiutarci nella diagnostica e nel trattamento di diverse malattie? Serious Science ha chiesto a Peer Fischer dei nanorobot, perché è così difficile lavorarci e quale potrebbe essere la loro futura applicazione in medicina.
Cos’è la nanorobotica?
L’obiettivo della nanorobotica è quello di incorporare funzioni robotiche, ad esempio rilevamento, elaborazione di informazioni, qualche forma di azione e possibilmente comunicazione su una scala molto più piccola di una singola cella o di un microprocessore. Questo è estremamente impegnativo. La maggior parte dei sistemi nanorobotici sintetici sono solo semplici particelle che possono svolgere solo alcune di queste funzioni o necessitano di un sistema di controllo esterno per farlo.
Microrobotica
Microrobotica
L’informatico Sergej Fatikow sulla varietà di microrobot, le possibilità per la loro applicazione e le attuali sfide della ricerca
Uno degli obiettivi della nanorobotica è lo sviluppo di nuove applicazioni mediche. Nella pratica medica si utilizzano già micro e nanoparticelle: queste vengono attualmente spostate nel corpo dal flusso sanguigno. I “nanorobot” che le persone stanno cercando di sviluppare dovrebbero muoversi attivamente o essere spostati in un luogo specifico. Ciò consentirebbe una forma completamente nuova di consegna mirata. Pertanto, la caratteristica distintiva di un nanorobot è che esiste un modo per interagire con esso, spostandolo, accendendolo o leggendo qualcosa.
Quanto sono piccoli i nanorobot?
A seconda della disciplina, alcune persone intendono semplicemente “molto molto piccolo” quando parlano di “nano”, simile alla microchirurgia che può significare che il chirurgo usa un microscopio per guardare qualcosa che potrebbe essere grande diversi millimetri. Tuttavia, per uno scienziato ‘nano’ significa che almeno due (idealmente tre) dimensioni critiche sono inferiori al micron, cioè inferiori a un milionesimo di metro (< 10-6 m). Se tutte e tre le dimensioni sono inferiori a un micron, la dimensione di una tale nanoparticella è paragonabile alla dimensione di un grande virus. Tuttavia, sarebbe fuorviante pensare che “nanorobot” significhi che tutto accade all’interno di questa particella e avviene solo su scala nanometrica. Non esiste ancora una struttura di dimensioni micron o sub-micron creata dall’uomo in grado di percepire il suo ambiente, elaborare informazioni e agire, cioè funzionare come un nanorobot autonomo. Spesso all’esterno sono quindi presenti apparecchiature su larga scala necessarie per il controllo robotico. Quindi, più correttamente si dovrebbe parlare di sistemi nanorobotici.
Quali sono esempi di nanorobot?
Una classe di sistemi nanorobotici di solito è costituita da particelle e un controller esterno. La particella in sé è tipicamente molto semplice, cioè un minuscolo pezzo di un materiale, ma che può essere controllato con luce, campi magnetici o campi acustici. Ad esempio, un sistema nanorobotico può essere costituito da particelle inferiori al micron che possiedono un momento magnetico e una configurazione di laboratorio macroscopica con cui i campi magnetici le guidano in modo controllabile. Potrebbe esserci anche un sistema di imaging per tracciare le particelle. Lavori recenti hanno dimostrato, ad esempio, che è possibile controllare e muovere uno sciame di cavatappi come nanopropulsori magnetici attraverso i tessuti biologici. In questo caso i sistemi nanorobotici sono costituiti dalle particelle della nanoelica e dall’attrezzatura ausiliaria utilizzata sia per azionarle che per seguirle.
Un’altra classe di nanorobot non utilizza campi e configurazioni esterni, ma incorpora il “motore” direttamente nel nanorobot. Ora tutto accade davvero all’interno della particella nanoscopica, e questo quindi rende i sistemi più autonomi. Immagina una semplice particella micro o sub-micron, tipicamente sferica, che contiene i farmaci corretti ed è decorata con un catalizzatore o con enzimi all’esterno, dove avvengono le reazioni chimiche. Le reazioni cambiano l’ambiente chimico locale attorno alla particella in modo tale che possa spingersi in avanti. Un obiettivo della ricerca è progettare queste particelle chimicamente attive in modo tale che possano spostarsi attivamente in una posizione desiderata, ad esempio in un luogo in cui è presente una concentrazione di pH desiderata.
Infine, ci sono anche sforzi per utilizzare microrganismi viventi, come i batteri. Una cellula batterica può percepire autonomamente il suo ambiente, elaborare informazioni e agire, e può essere integrata o combinata con sistemi sintetici.
Vorrei sottolineare che in nessuno di questi esempi c’è un hardware che troveremmo nei robot di grandi dimensioni, cioè niente batterie o motori convenzionali: questi componenti si trovano solo in dispositivi su scala da centinaia di micron a millimetri.
Quali sono le possibili funzioni e applicazioni mediche dei sistemi nanorobotici?
Uno degli obiettivi prefissati è assistere con tutti gli aspetti delle potenziali procedure mediche: assistere con diagnosi, trattamento, chirurgia ecc. Ad esempio, se si sta prendendo in considerazione un intervento chirurgico, la particella può essere riscaldata da un laser o da un campo magnetico CA e quindi utilizzata per distruggere i tessuti. Nel caso della diagnostica potrebbe trattarsi di una particella creata per fornire un agente di contrasto che può aiutare con l’imaging. Nel caso del trattamento, le particelle potrebbero essere caricate con un farmaco e indirizzate verso una posizione di interesse (o spostate attivamente lì da sole). Tutti e tre sono oggetto di ricerca in corso e sono già in parte realizzabili con nanoparticelle passive.
Nanomedicina per la somministrazione di farmaci
Nanomedicina per la somministrazione di farmaci
Prof. Srinivas Sridhar della Northeastern University sulla diagnosi precoce del cancro, il targeting dei farmaci da parte delle nanoparticelle e l’applicazione della nanotecnologia alle principali sfide mediche
Tuttavia, una prospettiva entusiasmante è che con un sistema nanorobotico si possano potenzialmente attraversare in modo più efficace le barriere nel corpo (la barriera emato-encefalica oi rivestimenti mucosi), che sono difficili da superare con particelle passive. L’obiettivo è raggiungere le aree del corpo dove le nanoparticelle passive non possono arrivare. Il vantaggio è che con i sistemi nanorobotici si potrebbero usare farmaci molto potenti – farmaci che non si possono somministrare sistemicamente – e portarli in una piccola regione mirata. Ci tengo però a sottolineare che allo stato attuale non esiste un sistema che sia già arrivato in clinica. Tuttavia, le particelle passive sono state e sono testate dal punto di vista medico e le particelle attive sono considerate un’estensione di questo lavoro.
Quanto è difficile costruire i nanorobot e come si può vedere dove si trovano?
Per muovere i nanorobot o per fargli fare del lavoro devi essere in grado di esercitare una forza sufficiente, devi essere in grado di controllarli e devi farlo in un ambiente dove è generalmente difficile muoversi, come in un tessuto o in un vaso sanguigno dove c’è un forte flusso sanguigno, ecc. In questo momento la maggior parte della ricerca si sta concentrando su come azionarli e osservarli, ma realizzarli può anche essere una sfida, specialmente su scala sub-micron. La maggior parte del lavoro in corso, tuttavia, si concentra ancora sulla locomozione, e qui ci sono già le prime dimostrazioni di tali esperimenti in vivo.
Anche la generazione di modi per interagire con le particelle è una sfida. La luce non può penetrare in profondità nei tessuti; i campi acustici possono penetrare in profondità nel tessuto, ma generano solo forze deboli. Mentre i campi magnetici vengono utilizzati in ambito medico, l’interazione con piccole particelle richiede gradienti di campo o campi magnetici che cambiano nel tempo, che in linea di principio possono essere realizzati, ma possono richiedere una strumentazione ingombrante.
Una sfida è sapere dove si trovano le particelle poiché sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo. Ciò richiede una modalità di imaging adeguata. Ad esempio, è possibile utilizzare la fotoacustica, ma funziona solo fino a un centimetro di profondità in un tessuto e generalmente richiede particelle più grandi. La luce infrarossa unita alla fluorescenza ha la risoluzione, ma non è adatta alla penetrazione dei tessuti. L’imaging magnetico può essere utilizzato per strutture più grandi, ma potrebbe non funzionare con alcune forme di attivazione magnetica e non ha una risoluzione molto elevata. Questa è una vera sfida, ma il guadagno è alto, in quanto qualsiasi anticipo può avvantaggiare immediatamente una serie di applicazioni. Non ci sarà una sola soluzione e molte direzioni sono attualmente perseguite da diversi gruppi di ricerca.
Di cosa sono fatti i nanorobot?
Se consideriamo un nanorobot come una particella controllata da un sistema esterno, come in un sistema nanorobotico, allora i materiali dipendono da come questa particella è controllata. L’idea è che potenzialmente puoi usare molti materiali. Naturalmente, se vuoi interagire con una particella tramite un campo esterno, deve rispondere al campo, quindi se vuoi controllarla con il campo magnetico devi avere un materiale magnetico, se vuoi controllarla con la luce deve rispondere alla luce e, se vuoi che interagisca con i campi acustici, deve mostrare un contrasto acustico sufficiente per farlo. Il sistema nanorobotico può anche contenere particelle chimicamente attive, enzimi o essere accoppiato a microrganismi.
Quali sono gli approcci medici più importanti?
Nanotecnologie e Medicina
Nanotecnologie e Medicina
L’ingegnere biomedico Robert Langer sulla somministrazione di farmaci, il trattamento del cancro e i problemi di introduzione di nuovi metodi in medicina
Siamo ancora agli inizi della ricerca, ma in questa fase i sistemi azionati magneticamente si sono dimostrati piuttosto efficaci e costituiscono la maggior parte delle applicazioni in vivo fino ad oggi. Nei prossimi cinque anni circa mi aspetto più dimostrazioni in vivo e sospetto che sistemi un po’ più grandi, che si possono chiamare sistemi microrobotici o millirobotici, possano essere i primi ad essere adottati. Su scala nanometrica i materiali spesso si comportano in modo diverso rispetto ai materiali su scala più ampia, e quindi ciò potrebbe richiedere ulteriori passaggi normativi. Una volta che un sistema dimostrerà un chiaro vantaggio medico rispetto a particelle o terapie applicate passivamente, allora, penso, inizierà la ricerca verso l’applicazione clinica.
Quali vantaggi ti aspetti dalla ricerca sui nanorobot?
Gran parte dell’entusiasmo e dell’attenzione risiedono comprensibilmente nelle applicazioni mediche, poiché la consegna mirata controllata promette di aprire possibilità completamente nuove in medicina. Tuttavia, possiamo anche aspettarci importanti progressi tecnologici generali dalla ricerca sui nanorobot. Raggiungere le funzioni robotiche di rilevamento, elaborazione delle informazioni, azione e comunicazione su una scala inferiore a quella attualmente possibile con la microelettronica, richiede necessariamente tecnologie completamente nuove. Nessuna batteria funziona su questa scala, i metodi di fabbricazione devono essere inventati e gran parte dell’autonomia su questa scala coinvolgerà processi fisico-chimici che traggono ispirazione dalla natura. Sistemi biologici sofisticati, come i batteri, possono essere considerati microrobot biologici e ispirano gran parte della ricerca sui sistemi nanorobotici sintetici, ma non è stato ancora realizzato alcun sistema sintetico che si avvicini al livello di autonomia e complessità di un microrganismo biologico. I nanorobot sintetici, tuttavia, non sono limitati a funzionare come i loro sistemi naturali e possono assumere molte forme. Sono quindi convinto che molte nuove entusiasmanti direzioni di ricerca, possibilità mediche e tecnologiche emergeranno dalla ricerca nanorobotica.
Nanotecnologie e Medicina
L’ingegnere biomedico Robert Langer sulla somministrazione di farmaci, il trattamento del cancro e i problemi di introduzione di nuovi metodi in medicina
Nanomedicina per la somministrazione di farmaci 
Prof. Srinivas Sridhar della Northeastern University sulla diagnosi precoce del cancro, il targeting dei farmaci da parte delle nanoparticelle e l’applicazione della nanotecnologia alle principali sfide mediche