Luôn có điều gì đó quyến rũ về nanobot. Truyện tranh và phim ảnh thường kêu gọi bạn tưởng tượng về những thứ này, ngàn lần mảnh hơn cả sợi tóc người và có khả năng di chuyển xung quanh cơ thể để sửa chữa xương hoặc chữa trị bệnh tật. (Hoặc, nếu chúng đen tối hơn, đơn giản là nổ tung.) Quy mô của chúng vô cùng tố nhỏ. Khả năng, theo khoa học viễn tưởng, là vô cùng đa dạng. Mặc dù sự không phù hợp đó làm cho nó trở nên hoàn hảo cho những người viết kịch bản nghĩ ra cách để giết chết James Bond, nhưng đó cũng là một loại lời nguyền. Chắc chắn chúng ta không thể nghiêm túc với công nghệ như thế này. Phải không?
Hóa ra, nanobot đã có mặt trong chúng ta. Trong hơn một thập kỷ, Samuel Sánchez, một nhà hóa học thuộc Viện Kỹ thuật Sinh học Catalonia, Barcelona, đã tưởng tượng về nanobot có thể mang theo những loại hàng hóa hữu ích, như thuốc chống ung thư hoặc kháng sinh, qua các chất lỏng nhầy của cơ thể.
Hãy tưởng tượng một hạt cầu của silica, chức năng như một khung xe. Sánchez đã chứng minh rằng bạn có thể chấm đầy bề mặt của nó với một loạt các protein đặc biệt đẩy hạt qua chất lỏng, giống như các động cơ nhỏ. Phòng thí nghiệm của ông đã thử nghiệm với các khung xe, động cơ và hàng hóa khác nhau. Trong nghiên cứu được công bố vào cuối tháng 4, họ hợp tác với nhóm nghiên cứu về kháng sinh. Đội ngũ nạp nanobot silica với kháng sinh thử nghiệm—bao gồm cả một loại từ nọc ong để điều trị vết thương nhiễm trùng trên chuột. Nanobot, được thả xuống một đầu của vết thương nhiễm trùng, di chuyển qua da để điều trị toàn bộ khu vực—đây là bản báo cáo đầu tiên về nanobot tiêu diệt vi khuẩn trên động vật.
“Chúng tôi thấy rằng toàn bộ vết thương được bao phủ. Các máy có thể thực sự đi xung quanh vết thương và làm sạch nhiễm trùng khi chúng di chuyển,” nói César de la Fuente, một kỹ sư sinh học tại Đại học Pennsylvania, người dẫn dắt dự án cùng với Sánchez.
Điều đó quan trọng, vì thuốc thường phụ thuộc vào quá trình khuếch tán, hoặc quá trình lan tỏa passively qua các chất lỏng trong cơ thể. Nếu kháng sinh hoàn hảo nhất thế giới chỉ có thể khuếch tán như một viên gạch trong một thùng nước cốt dừa—đó thực sự không hoàn hảo.
Kháng sinh và hóa trị thường là các phân tử nhỏ. Chúng di chuyển theo ý của bất kỳ chất lỏng nào chúng ở trong. Nếu bạn bơm ciprofloxacin vào tĩnh mạch của người nào đó để điều trị nhiễm trùng máu, dòng máu sẽ đưa kháng sinh đến mọi nơi cần phải đi. Nhưng còn những vi khuẩn ẩn nấp trong nhầy, một chất lỏng dày hơn nhiều? Hoặc tồn tại dưới dạng màng sinh học dày đặc trong phổi? “Kháng sinh thường chỉ giết chết vi khuẩn xung quanh khu vực bạn đặt nó, nhưng kháng sinh chính nó thực sự không thể di chuyển,” de la Fuente nói.
Do đó, những loại thuốc này cần những động cơ mini. Sánchez tưởng tượng một nanobot mang theo các loại thuốc đến các nơi nhiễm trùng trong các chất lỏng nhầy như mỡ nhờn, hoặc các khối u gần các chất lỏng lưu động chậm như trong bàng quang. “Ở những nơi có độ nhớt cao hoặc quá trình khuếch tán rất thấp, đó là nơi bạn cần có chuyển động,” Sánchez nói. “Nếu bạn không có chuyển động hoặc động cơ, thì bạn sẽ không bao giờ đi từ điểm A đến B.”
“Đó là một minh chứng tốt về sức mạnh của các hệ thống hoạt động,” nói Jan van Hest, một chuyên gia hóa học hữu cơ sinh học tại Đại học Công nghệ Eindhoven của Hà Lan, người không tham gia vào công việc này. Có lẽ nanobot không thể thay thế kháng sinh thông thường, vì chúng thường phải đơn giản và giá rẻ. Tuy nhiên, van Hest nhanh chóng chỉ ra một số tình huống khác nơi việc đạt được chuyển động đáng giá chi phí và phiền toái của nanobot: phân giải cục máu đông và giữ các cấy ghép háng không bị nhiễm trùng. “Tôi có thể tưởng tượng rằng—để cho họ đi dạo quanh giao diện giữa cấy ghép và mô nhiễm,” ông nói.
De la Fuente cũng hứng thú với hướng đi mới này, vì các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong việc phát minh ra kháng sinh mới và các cách mới để sử dụng chúng. “Khi chúng tôi thấy nhiễm trùng được giải quyết,” ông nói, “đó là bằng chứng. Tôi tin rằng điều này có thể có tương lai trong việc giải quyết nhiễm trùng một cách hiệu quả hơn.”
Laboratory của De la Fuente tập trung vào việc khám phá kháng sinh mới, chủ yếu là dạng peptide, xuất hiện tự nhiên như chất giết khuẩn trên khắp các loài động vật. Peptide là chuỗi của một vài chục axit amin—như là đoạn ngắn của protein. Nhưng vấn đề là, sự khuếch tán của chúng là chậm, và cơ thể phân hủy loại phân tử nhỏ này. De la Fuente tự hỏi làm thế nào để đưa chúng đi qua vết thương dày hoặc màng sinh học nhanh hơn so với quá trình khuếch tán sẽ cho phép. Ông đã theo dõi công việc của Sánchez suốt nhiều năm, bao gồm những bằng chứng gần đây của phòng thí nghiệm rằng nanomotors có thể mang và phân phối thuốc chống ung thư, và rằng chúng có thể bơi tự động xung quanh bàng quang của chuột. Hai phòng thí nghiệm hợp tác, kết hợp công nghệ của họ.
Đội ngũ của Sánchez đã tạo ra hai kích thước bot được làm từ silic dioxide (hoặc silica): nanoparticle và microparticle lớn hơn một chút. Họ sử dụng một protein được gọi là urease để đẩy động những khung. Urease là một enzyme biến urea trong cơ thể thành ammonia và carbon dioxide. Giống như động cơ của ô tô, enzyme đó chuyển đổi phản ứng hóa học thành năng lượng cơ học; urea là nhiên liệu của nó.
Mánh lới, Sánchez nói, là phủ lớp động cơ lên bot không đối xứng. Việc đặt động cơ lấp lánh và lệch lạc giúp bot di chuyển một cách hỗn loạn khỏi điểm xuất phát của nó thay vì quay quanh nó. “Hoàn hảo không đẹp,” anh ta đùa.
Phòng thí nghiệm của De la Fuente đóng góp cargo, một trong hai peptide kháng khuẩn: LL-37, một peptide kháng khuẩn tự nhiên dài, hoặc K7-Pol, một peptide tổng hợp ngắn tạo ra từ độc tố của ong. Cả hai đều phá hủy màng tế bào vi khuẩn, về cơ bản là làm tan chảy vi khuẩn và làm cho nó trở nên vô dụng. (K7-Pol cũng đã thể hiện sức mạnh trong phòng thí nghiệm chống lại ký sinh trùng và tế bào ung thư.)
Tiếp theo, họ chứng minh rằng những con bot có thể bơi lội. Trong ống nghiệm chứa urea, các microbot đạt tốc độ lên đến 4 micromet mỗi giây—“một hoặc hai chiều dài cơ thể mỗi giây,” Sánchez nói. (Con người cũng bơi lội với tốc độ khoảng một chiều dài cơ thể mỗi giây.)
Sau đó, đến lúc chứng minh rằng những con bot cũng có thể giết. Nhưng nhóm nghiên cứu đau đầu với cách chứng minh rằng chúng thực sự có thể điều trị nhiễm trùng ở động vật tốt hơn chỉ bằng cách sử dụng giọt kháng sinh chủ động. "Điều đó mất một thời gian," de la Fuente nói.
Cuối cùng, họ nghĩ ra một thiết lập thử nghiệm để kiểm tra hai tiêu chí quan trọng: rằng các micro hoặc nanobot kháng khuẩn có thể điều trị chuột bị nhiễm trùng và rằng chuyển động tích cực của chúng đóng vai trò quan trọng trong đó. Nhóm sử dụng một cây kim để nhẹ nhàng cạo vết thương của chuột thí nghiệm và giới thiệu một siêu vi gọi là Acinetobacter baumannii để nhiễm trùng chiều dài của mỗi vết thương. Quá trình tạo ra những nốt sưng đặc, khó điều trị. Ở một số chuột, họ nhỏ một liều của một trong hai loại kháng sinh ở một đầu của nốt sưng. Những liều này không có nanobot, vì vậy để loại bỏ nhiễm trùng, thuốc sẽ phải tự lan tỏa từ một đầu của vết thương đến đầu kia.
Tiếp theo, một bộ chuột riêng biệt nhận được hàng nghìn bot kháng khuẩn được chế ngự trong một giọt nhỏ. Một số chuột nhận bot chứa LL-37, một số nhận bot với K7-Pol. Nhóm phủ mỗi vết thương bằng một số urea không độc hại, mong đợi những con bot sẽ ăn nhiên liệu và di chuyển xa hơn.
Điều đó đã xảy ra chính xác. Những vết thương nhận kháng sinh mà không có bot chỉ cải thiện ở địa phương. Số lượng vi khuẩn giảm từ 100 đến 1,000 lần—nhưng chỉ ở đầu của vết thương nơi liều lượng được phát. Phần còn lại của vết thương có kết quả như nếu nó không được điều trị.
Nhưng những nanobot mang theo peptit kháng khuẩn đã điều trị toàn bộ vết thương và giảm số lượng vi khuẩn trong vết thương từ 100 đến 1,000 lần trên toàn bộ chiều dài của nó, đến mức mà hệ thống miễn dịch có thể xử lý.
Và để khẳng định tất cả, khi các nhà khoa học ngưng cung cấp nhiên liệu urea, họ phát hiện rằng những con bot kháng sinh không lành mạnh toàn bộ nhiễm trùng. Thiếu nhiên liệu đó, chúng chỉ hoạt động ở địa phương, giống như những loại thuốc không có bot đã làm. Nhiên liệu là quan trọng—điều này có nghĩa là chuyển động của động cơ là quan trọng, nhóm nghiên cứu kết luận.
Kết quả này là một trong những ví dụ rõ ràng nhất về các ứng dụng thực tế của nanomotors, theo đánh giá của van Hest. “Luôn luôn rất khó để xác định xem điều này thực sự là hiệu ứng của sự di động của hạt,” ông nói. “Trong trường hợp này, bằng chứng là trực tiếp và rõ ràng.”
Douglas Dahl, trưởng khoa ung thư niệu tuyến tuyến tại Mass General Brigham, gọi nanobot là “công nghệ tuyệt vời.” Giống như van Hest, Dahl thấy nhiều tiềm năng cho nanobot để bảo vệ các cấy ghép đầu gối, đầu gối, và thậm chí là cấy ghép dương vật.
Ứng dụng khác có thể là để điều trị sỏi thận, thường chứa biofilm vi khuẩn dọc theo những kẽ hở khó tiếp cận. “Khi bạn tiến hành phẫu thuật, vi khuẩn có thể rơi vào bên trong bệnh nhân và làm cho họ rất bệnh,” ông nói. Tương tự, urothelial carcinomas ảnh hưởng đến niêm mạc của bàng quang, ống tiểu quản và thận cũng phát triển trong các không gian chật chội làm phức tạp điều trị. Ông nghĩ rằng các loại thuốc tự động có thể giúp bác sĩ tấn công những khối u và vi khuẩn khó nắm bắt này. Ngoài ra, giữa đường tiểu, bàng quang và thận, bạn có “rất nhiều nhiên liệu,” Dahl lưu ý—đủ urea để cung cấp năng lượng cho một đội quân nano.
Năm 1966, bộ phim khoa học viễn tưởng Fantastic Voyage tưởng tượng một chiếc tàu ngầm thu nhỏ đang thực hiện nhiệm vụ qua dòng máu. Mặc dù nanobot của Sánchez không thể hoạt động trong máu chảy nhanh hơn nhiều so với chúng có thể di chuyển, ông vẫn ảo tưởng về các chuyến phiêu lưu tuyệt vời qua các chất lỏng chảy chậm trong cơ thể, như nhầy và chất lỏng liên kết của da. Và nanobot vẫn có cách khiến mọi người mơ về những ý tưởng ở ranh giới của hiện thực. “Làm nhà khoa học, chúng ta đều được truyền cảm hứng bởi khoa học viễn tưởng,” de la Fuente nói. “Và tôi nghĩ rằng công việc của chúng ta đôi khi là cố gắng đưa hai thế giới này gần nhau hơn. Điều có vẻ như khoa học viễn tưởng hôm nay, hy vọng là, sau một số năm, trở thành hiện thực.”