En una brillante tarde de otoño de 2006, el Dr. Sylvain Martel contuvo la respiración mientras un técnico cargaba un cerdo anestésico en una máquina giratoria de resonancia magnética funcional. Sus ojos miraron a la pantalla de una computadora que mostraba una cuenta magnética colgando de un vaso sanguíneo delgado de cerdo. La tensión en la habitación se podía sentir físicamente. De repente, el globo cobró vida y se deslizó sobre el barco como un submarino microscópico que se dirige a su destino. El equipo estalló en aplausos.
Martel y su equipo estaban probando una nueva forma de controlar de forma remota pequeños objetos dentro de un animal vivo mediante la manipulación de las fuerzas magnéticas de la máquina. Y por primera vez funcionó.
Los científicos y escritores han soñado durante mucho tiempo con pequeños robots que se mueven a través del vasto sistema circulatorio del cuerpo, como exploradores espaciales que estudian las galaxias y sus habitantes. El potencial es enorme: pequeños robots médicos podrían, por ejemplo, transferir medicamentos radiactivos a grupos de cáncer, realizar cirugías dentro del cuerpo o limpiar coágulos de sangre en las profundidades del corazón o el cerebro.
Un sueño, un sueño, pero con la ayuda de robots, dice el Dr. Bradley Nelson de la Universidad Politécnica de Zurich, la gente podría sumergirse directamente en el torrente sanguíneo para realizar una cirugía cerebral.
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Por el momento, los micro-robots médicos son en su mayoría ficticios, pero esto puede cambiar en la próxima década. Esta semana, la doctora Mariana Medina-Sánchez y Oliver Schmidt del Instituto Leibniz de Investigación de Sólidos y Materiales en Dresde, Alemania, publicaron un artículo en Nature que pasó de las pantallas gigantes a los laboratorios de nanoingeniería, describiendo prioridades y pruebas realistas para revivir a estos pequeños cirujanos.
Creación de motores
Los micro-robots médicos son parte del viaje de la medicina hacia la miniaturización. En 2001, la compañía israelí presentó la PillCam, una cápsula de plástico del tamaño de un caramelo equipada con una cámara, batería y módulo inalámbrico. Mientras viaja a través del canal alimentario, la PillCam envía periódicamente imágenes de forma inalámbrica, ofreciendo un método de diagnóstico más sensible y menos tóxico que la endoscopia o radiografía tradicionales.
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La PillCam es gigantesca para un microrobot perfecto, por lo que solo se adapta al tubo relativamente ancho de nuestro sistema digestivo. Esta píldora también era pasiva y no podía quedarse en lugares interesantes para un examen más detallado.
“Un robot médico real tiene que moverse y progresar a través de una compleja red de túbulos llenos de líquido en los tejidos profundos del cuerpo”, explica Martel.
El cuerpo, lamentablemente, no es muy acogedor para los invitados externos. Los micro-robots deben soportar jugos gástricos corrosivos y flotar corriente arriba en el torrente sanguíneo sin motor.
Los laboratorios de todo el mundo están tratando de encontrar alternativas sensatas para resolver el problema nutricional. Una idea es crear cohetes químicos: microrobots cilíndricos con "combustible", un metal u otro catalizador, que reacciona con los jugos del estómago u otros fluidos, emitiendo burbujas desde la parte posterior del cilindro.
"Estos motores son difíciles de controlar", dicen Medina-Sánchez y Schmidt. Podemos controlar aproximadamente su dirección utilizando gradientes químicos, pero no son lo suficientemente robustos ni efectivos. El diseño de combustibles no tóxicos a base de azúcar, urea u otros fluidos corporales también enfrenta desafíos.
Una mejor alternativa serían los motores físicos metálicos que podrían activarse por cambios en el campo magnético. Martel, como lo demostró su demostración de abalorios, fue uno de los primeros en investigar tales motores.
La máquina de resonancia magnética es ideal para controlar y obtener imágenes de microrobots prototipo de metal, explica Martel. La máquina tiene varios juegos de bobinas magnéticas: el juego principal magnetiza el microrobot después de que se inserta en el torrente sanguíneo a través de un catéter. Luego, manipulando las bobinas de gradiente de resonancia magnética, podemos generar campos magnéticos débiles para empujar el microrobot a través de los vasos sanguíneos u otros tubos biológicos.
En experimentos posteriores, Martel fabricó nanopartículas de hierro y cobalto recubiertas con un medicamento contra el cáncer e inyectó estos pequeños soldados en conejos. Usando un programa de computadora para cambiar automáticamente el campo magnético, su equipo apuntó a los bots directamente al objetivo. Si bien no hubo tumores reales en este estudio en particular, Martel dice que proyectos como estos podrían ser útiles para combatir el cáncer de hígado y otros tumores con vasos relativamente grandes.
¿Por qué no pequeñas embarcaciones? El problema es nuevamente la energía. Martel pudo reducir el tamaño del robot a unos pocos cientos de micrómetros; cualquier cosa menos requiere gradientes magnéticos tan grandes que interrumpen las neuronas del cerebro.
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Microborgs
Una solución más elegante es utilizar motores biológicos que ya existen en la naturaleza. Las bacterias y los espermatozoides están armados con colas en forma de látigo que los impulsan naturalmente a través de túneles sinuosos y cavidades corporales para llevar a cabo reacciones biológicas.
Combinando partes mecánicas y biológicas, sería posible hacer que los dos componentes se complementen cuando uno falla.
Un ejemplo es un robot de esperma. Schmidt diseñó pequeñas espirales de metal que envuelven al esperma perezoso, dándole la movilidad para llegar al óvulo. Los espermatozoides también se pueden cargar con medicamentos asociados con la microestructura magnética para tratar cánceres en el tracto reproductivo.
También hay grupos especializados de bacterias MC-1 que se alinean con el campo magnético terrestre. Al generar un campo relativamente débil, suficiente para superar al de la Tierra, los científicos pueden orientar la brújula interna de la bacteria hacia un nuevo objetivo como el cáncer.
Desafortunadamente, las bacterias MC-1 solo pueden sobrevivir en sangre caliente durante 40 minutos y la mayoría no son lo suficientemente fuertes como para nadar contra el torrente sanguíneo. Martel quiere crear un sistema híbrido de bacterias y vejigas grasas. Las burbujas cargadas con partículas magnéticas y bacterias se dirigirán a vasos más grandes utilizando campos magnéticos fuertes hasta que entren en los más estrechos. Luego estallan y liberan un enjambre de bacterias, que de la misma forma, utilizando campos magnéticos débiles, completarán su viaje.
Avanzando
Si bien los científicos han esbozado un montón de ideas sobre la propulsión, rastrear los microrobots una vez que se han implantado en el cuerpo sigue siendo un gran desafío.
Las combinaciones de diferentes técnicas de imagen pueden ayudar. Las imágenes de ultrasonido, resonancia magnética e infrarrojos son demasiado lentas para observar las operaciones de los microrobots en las profundidades del cuerpo. Pero al combinar luz, sonido y ondas electromagnéticas, podríamos aumentar la resolución y la sensibilidad.
Idealmente, una técnica de imagen debería poder rastrear micromotores 10 centímetros debajo de la piel, en 3D y en tiempo real, moviéndose a una velocidad mínima de decenas de micrómetros por segundo, dicen Medina-Sánchez y Schmidt.
Por el momento, esto es difícil de lograr, pero los científicos esperan que las técnicas optoacústicas de vanguardia, que combinan imágenes de infrarrojos y ultrasonidos, puedan ser lo suficientemente buenas como para rastrear microrobots en unos pocos años.
Y luego queda la pregunta, qué hacer con los robots al final de su misión. Dejarlos a la deriva dentro del cuerpo es un signo de coagulación u otros efectos secundarios catastróficos como la intoxicación por metales. Hacer que los robots vuelvan a su punto de partida (boca, ojos y otras aberturas naturales) puede ser abrumador. Por eso, los científicos están considerando mejores opciones: eliminar los robots de forma natural o crearlos a partir de materiales biodegradables.
Este último tiene una ventaja separada: si los materiales son sensibles al calor, la acidez u otros factores corporales, podrían usarse para crear biorobots autónomos que funcionen sin baterías. Por ejemplo, los científicos ya han hecho pequeños "agarradores" en forma de estrella que se cierran alrededor del tejido cuando se exponen al calor. Cuando se coloca alrededor de órganos o tejidos enfermos, la garra podría realizar una biopsia in situ, lo que ofrece un método menos invasivo para la detección del cáncer de colon o el seguimiento de la enfermedad intestinal inflamatoria crónica.
“El objetivo es crear microrobots que puedan detectar, diagnosticar y actuar de forma autónoma mientras los humanos observan y se mantienen bajo control en caso de un mal funcionamiento”, dijeron Medina-Sánchez y Schmidt.
El fantástico viaje de los micro-robots médicos apenas comienza.
Todas las combinaciones de materiales, microorganismos y microestructuras deberán probarse indefinidamente para asegurarse de que sean seguras, primero en animales y luego en humanos. Los científicos también esperan la ayuda de los reguladores.
Pero el optimismo de los científicos no se seca.
“A través de iniciativas coordinadas, los microrobots pueden llevarnos a la era de las terapias no invasivas durante diez años”, dicen los investigadores.
ILYA KHEL
