كيف تعمل الروبوتات النانوية على تسريع علاجات استهداف السرطان

كان الخنزير الحي في آلة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) مشهدًا مألوفًا بالنسبة لسيلفان مارتل، الباحث فيالروبوتاتالنانويةفي بوليتكنيك مونتريال في كندا، بحلول الوقت الذي دخل فيه إلى جناح التصوير في إحدى الأمسيات من عام 2017. وبحلول ذلك الوقت، كان مارتل وزملاؤه قد قضوا أكثر من عقد من الزمن في تحسين أسراب من الروبوتات الصغيرة التي يمكنهم توجيهها عبر الحيوانات باستخدام مغناطيسية الآلة.

وكان الأمل هو أن مثل هذه الروبوتات النانوية يمكن أن تكون في يوم من الأيام وسيلة لتوصيل الأدوية المضادة للسرطان. في ذلك المساء، كانت المجموعة تستكشف تأثير الجاذبية، وتختبر ما إذا كان تغيير موضع الخنزير في الآلة يمكن أن يساعد الروبوتات النانوية على التنقل عبر الشرايين المتفرعة العديدة إلى الكبد.

وبينما كان الفريق يراقب الشاشة، تحركت الروبوتات تدريجيًا نحو الكبد، وتجمعت هناك على شكل سحابة لامعة وامضة. بالمقارنة مع التجارب السابقة، التي كانت فيها الخنازير مستلقية على ظهورها، فإن وضعها داخل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي بزاوية طفيفة للأسفل أدى إلى زيادة ثلاثة أضعاف تقريبًا في عدد الروبوتات التي وصلت إلى وجهتها. يقول مارتل إنه على الرغم من أن التجربة الناجحة لم تبشر إلا بمزيد من العمل، إلا أنها بدت وكأنها تتويج لسنوات من التجربة والخطأ.

ويقول: “طوال هذه السنوات، كنا نعرض بعناية خطوات مختلفة من العملية. وقمنا بتحسين التكنولوجيا، وأظهرنا أن الروبوتات يمكنها حمل الأدوية وإعطاءها، والآن أظهرنا أنه يمكننا تحريكها بكفاءة عبر مسافات بشرية”. “لقد استغرق الوصول إلى هذه المرحلة وقتًا طويلاً، ولكن يبدو أيضًا أن الخطوات التالية يجب أن تسير بشكل أسرع بكثير”.

لقد أدى عمل مارتل وزملاؤه إلى تقريب العلماء من نشر تكنولوجيا الروبوتات النانوية في البشر، وهي عتبة يمكن، عند تجاوزها، أن تُحدث يومًا ما ثورة في تشخيص العديد من أنواع السرطان ومراقبتها وعلاجها. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة في النماذج الحيوانية كيف يمكن للروبوتات النانوية مساعدة الأطباء في إجراء الخزعات والعمليات الجراحية، والعمل كعوامل فحص للسرطانات التي يصعب اكتشافها، وتجويع الأورام من الأكسجين، وتقديم الأدوية واللقاحات القاتلة للسرطان. ويُعد السرطان، على وجه الخصوص، مجالًا جاهزًا للابتكار في مجال الروبوتات النانوية.

الاقتراض من الطبيعة

يتم تعريف الروبوتات النانوية بشكل فضفاض من خلال حجمها – عادة أقل من 100 نانومتر – وقدرتها على الحركة الموجهة أو المستقلة. وهذه الحركة تميزها عن تقنيات مثل الناقلات النانوية، التي يمكنها نقل البضائع الجزيئية ولكنها تفعل ذلك بشكل سلبي.

وحتى الروبوتات الصغيرة الأكبر حجمًا قليلًا، والتي يبلغ حجمها حوالي 1 ملم، غالبًا ما تعتمد على تكنولوجيا النانو، على سبيل المثال في محركاتها، أو تستغل الظواهر الفيزيائية التي تحدث على مقياس النانو. لذلك، غالبًا ما يجمع الباحثون بين الاثنين تحت المصطلح المدمج للروبوتات النانوية الدقيقة (MNRs).

ظهرت نسخ بدائية من هذه الروبوتات في التسعينيات، مما قدم دليلاً على فكرة أن الباحثين يمكنهم بالفعل إنشاء روبوتات مجهرية الحجم. وبعد ما يقرب من عقدين من الزمن، شق أول MNR طريقه إلى أبحاث السرطان، عندما طور فريق في كوريا الجنوبية “روبوت بكتيري” قادر على اكتشاف الأورام الصلبة عن طريق التركيز على التدرجات الكيميائية المنبعثة من الخلايا السرطانية.¹. غالبًا ما يتم تقسيم MNRs إلى فئتين، غير عضوية وعضوية، على أساس المواد المستخدمة في بنائها.

قد تشتمل الروبوتات غير العضوية على معادن مثل الفضة أو الذهب أو الحديد، وغالبًا ما يتم بناء الروبوتات العضوية باستخدام سقالات من الحمض النووي أو البروتينات. يمكن التلاعب بكلا النوعين باستخدام قوى مثل المغناطيسية والضوء والصوتيات أو عن طريق التفاعلات الكيميائية والتحفيزية التي تدفعهم نحو وجهتهم.

يقول بيورن هوجبيرج، عالم الفيزياء الحيوية في معهد كارولينسكا في ستوكهولم، إن طرق بناء الروبوتات النانوية تم تحسينها بمرور الوقت، وخاصة تصنيع مكوناتها. يقول هوجبيرج إن الكثير من أعماله تركز على تقنية تسمى أوريغامي الحمض النووي، حيث يتعامل العلماء مع الحمض النووي “ليس كمادة وراثية، ولكن كمواد بناء” قادرة على بناء هياكل معقدة ثنائية وثلاثية الأبعاد. ويقول: “توجد الآن العديد من الأمثلة الذكية لاستخدام الأوريجامي لإخفاء أشياء مثل الروابط أو الأدوية التي تستهدف الأورام، حيث تكشف حمولتها في المكان المناسب وفي الوقت المناسب”.

يقوم الباحثون على نحو متزايد بإنشاء ما يعرف بالروبوتات الحيوية الهجينة، والتي تقوم بإدخال عناصر اصطناعية إلى الكيانات البيولوجية مثل البكتيريا والطحالب والحيوانات المنوية. وسرعان ما أدرك العلماء أن الطبيعة قد صممت بالفعل العديد من الميزات التي تجعل الروبوت النانوي ناجحًا، بما في ذلك الأسواط التي تشبه السوط للحركة، وأجهزة الاستشعار لاكتشاف التدرجات.

يقول مارتن بوميرا، الباحث في الروبوتات النانوية في معهد أوروبا المركزي للتكنولوجيا في جمهورية التشيك: “تمتلك البكتيريا بالفعل محركًا، يضم جميع المكونات التي يمكننا التعرف عليها”. “ما نسعى إليه الآن هو المزيج المثالي بين العالمين، العالم الاصطناعي والعالم البيولوجي.”

وقد منحت هذه التطورات الباحثين مزيدًا من التحكم في سرعة الروبوتات واتجاهها، بل ومكنتهم من تطوير أجهزة يمكنها التبديل بين آليات الدفع. على سبيل المثال، استخدم مارتل بكتيريا بحرية لإنشاء روبوت نانوي يمكن نقله إلى المنطقة المجاورة للورم باستخدام المغناطيسية، ويمكنه بعد ذلك التبديل إلى جهاز استشعار على متنه يكتشف تدرجات الأكسجين عند اقترابه.². يقول مارتل: نظرًا لأن البيئة الدقيقة للورم تحتوي على نسبة منخفضة من الأكسجين، “فإنها تخلق منارة لهذه الروبوتات للبحث عنها”.

القادمة للسرطان

ومع وجود هذه العناصر الأساسية في مكانها الصحيح، يقوم العلماء الآن بتطبيق تكنولوجيا الروبوتات النانوية عبر طيف أبحاث السرطان، وذلك باستخدام الروبوتات النانوية للتحقيق في ما لا يقل عن اثني عشر نوعًا من أنواع السرطان. يقول جوزيف وانج، وهو مهندس نانوي في جامعة كاليفورنيا بسان دييجو، إن السرطان قد يكون المجال الأكثر استفادة من أدوات الطب الدقيق هذه، ويعود ذلك جزئيًا إلى مدى صعوبة استئصال السرطان ومدى غزو العلاجات الحالية. ويقول: “هناك رغبة لدى المرضى في الحصول على علاجات لا تتطلب عمليات جراحية أو حقنًا مؤلمة، وأعتقد أن الروبوتات النانوية لديها الكثير لتقدمه هنا”.

اليوم، تتمثل أكبر الخطوات في أبحاث الروبوتات النانوية القائمة على السرطان في توصيل الأدوية المستهدفة، مما يوفر تحسنًا ملحوظًا مقارنة بالعلاجات التقليدية، مثل العلاج الكيميائي والعلاج الإشعاعي، التي لها تأثير واسع النطاق ولها آثار جانبية حادة. وتطوير علاجات مستهدفة ليس هدف أبحاث السرطان فحسب، بل هدف الطب الدقيق على نطاق أوسع.

أحد العلاجات الواعدة هو استخدام الروبوتات النانوية لتوصيل إنزيم الثرومبين إلى الأورام، لتجويع الخلايا السرطانية بشكل فعال من الأكسجين عن طريق تخثر الدم الذي يغذيها. في الصين، استخدم الباحثون أوريجامي الحمض النووي لإنشاء روبوتات نانوية ترتبط بالنيوكليولين، وهو بروتين يتم التعبير عنه في الخلايا الوعائية التي تنقل الدم إلى الورم.³.

يعمل الارتباط أيضًا كمحفز لتغيير شكل الأوريجامي وإطلاق الثرومبين. وقد تم اختبار هذا العلاج حتى الآن على نماذج الفئران لشكل عدواني من سرطان الثدي، حيث أدى إلى تثبيط نمو الورم، وبدء موت الخلايا السرطانية، ومنع انتشار السرطان (الورم الخبيث).

تركز ماريانا ميدينا سانشيز – الباحثة في مجال النظم الحيوية النانوية في مركز البحوث التعاونية لعلم النانو الباسكي في سان سيباستيان بإسبانيا – على السرطانات التي تؤثر على الجهاز التناسلي الأنثوي. وتقول إن الباحثين غالبًا ما يطورون MNRs بناءً على تفاصيل النظام الذي يعملون فيه، كما فعلت مع الجهاز التناسلي. MNR الخاص بها عبارة عن هجين حيوي مبني من خلية منوية وبنية مغناطيسية مطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن توجيهها بالمغناطيسية وإطلاق الحيوانات المنوية عند الهدف⁴.

بالإضافة إلى ذيلها القوي، تحتوي الخلية المنوية على إنزيمات للاندماج مع أغشية الخلايا. وقد اختارت ميدينا سانشيز هذه القدرة، مما مكّن MNR من الارتباط بأورام عنق الرحم والمبيض الاصطناعية، حيث تطلق بعد ذلك الأدوية.

وتقول: “ما اكتشفناه هو أنه يمكننا تزويدها بالأدوية المضادة للسرطان – وحتى العلاجات المركبة – دون التأثير على قدرتها على البقاء، مما يجعلها مثالية”. “في الواقع، إن ضربات ذيلها قوية جدًا” لدرجة أنها تسبب أيضًا أضرارًا مادية للورم ببساطة عن طريق تعطيل بيئة الخلية. تتمتع الحيوانات المنوية الهجينة الحيوية أيضًا بقدرة طبيعية على تثبيط الاستجابات المناعية من خلال عرض بروتينات معينة، مما يجعلها أقل عرضة لإلحاق الضرر بمضيفها.