Исследователи разработали биогибридных микророботов, покрыв сперматозоиды магнитными наночастицами. Эти своеобразные «киборги» управляются с помощью магнитных полей, а их перемещение впервые удалось отследить рентгеновским методом внутри анатомической модели человеческого тела. Такой подход открывает новые возможности для лечения бесплодия и целевой доставки лекарств.

Почему сперматозоиды?

Сперматозоиды обладают уникальными природными свойствами: они быстрые и эффективные пловцы, способные ориентироваться в сложной среде женской репродуктивной системы. Благодаря этим качествам они рассматриваются как перспективная биологическая основа для создания медицинских микророботов, способных доставлять лекарства или выполнять другие задачи внутри организма.

Главная проблема — невидимость

Однако основное препятствие для использования сперматозоидов в качестве микророботов — их невидимость для стандартных неинвазивных методов визуализации. Из-за малых размеров, низкой плотности и почти полной прозрачности для рентгеновских лучей отследить их движение внутри тела было невозможно. Существующие оптические методы либо требуют хирургического вмешательства, либо ограничены малой глубиной проникновения, что не подходит для изучения процессов в человеческом организме.

Решение: магнитные наночастицы и рентген

Группа ученых из Нидерландов и Канады предложила решение этой задачи, результаты которого опубликованы в журнале npj Robotics. В качестве основы для микророботов использовались неживые бычьи сперматозоиды. Сначала клетки сгруппировали в кластеры, затем покрыли их наночастицами оксида железа с помощью электростатического самособирания — частицы самостоятельно притягиваются к поверхности сперматозоидов. Наночастицы выполняют две функции: делают кластеры чувствительными к внешним магнитным полям и достаточно плотными для поглощения рентгеновского излучения.

Готовых микророботов поместили в заполненную жидкостью анатомическую модель женской репродуктивной системы, напечатанную на 3D-принтере.

Управление и отслеживание

Для управления роботами использовали роботизированный манипулятор с постоянным магнитом, создающий вращающееся магнитное поле. Это поле заставляло кластеры катиться вдоль внутренних поверхностей модели. Впервые удалось одновременно управлять движением биороботов и отслеживать их перемещение в реальном времени с помощью рентгеновской флюороскопии.

Результаты испытаний

В ходе экспериментов микророботы показали высокую управляемость. Их успешно провели по всей модели — от шейки матки через полость до правой или левой маточной трубы. Весь путь занимал менее 50 секунд. Скорость движения зависела от частоты вращения магнитного поля: при увеличении частоты с 2 до 10 герц средняя скорость достигала 8–12 мм/с. Однако дальнейшее увеличение частоты приводило к распаду кластеров на более мелкие части.

Были протестированы три концентрации магнитных наночастиц: 1, 2 и 3 мг/мл. Все они оказались достаточными для надежного управления и четкой визуализации с помощью рентгена. Также проверили биосовместимость роботов: кластеры контактировали с культурой клеток эндометрия человека в течение 72 часов, и тесты показали отсутствие значительной токсичности — жизнеспособность клеток сохранялась на уровне 74–88%.

Перспективы и ограничения

Работа продемонстрировала принципиальную возможность создания управляемых и видимых внутри тела биороботов на основе сперматозоидов. В будущем такая технология может привести к разработке новых методов целевой доставки лекарств для лечения заболеваний матки и маточных труб, например, эндометриоза, миомы или рака.

Тем не менее, технология находится на самом раннем этапе развития и до клинического применения еще далеко. Эксперименты проводились в жесткой пластиковой модели, которая лишь имитирует анатомию, но не воспроизводит сложную среду живого организма с мягкими тканями, потоками жидкости и иммунной системой. Кроме того, распад кластеров при движении остается серьезной проблемой, поэтому говорить о реальном лечении заболеваний с помощью таких роботов пока преждевременно.