Рои роботов смогут бороться с раком (с вашей помощью)

Рак — причина каждой четвертой смерти в США. В 2008 году во всем мире было диагностировано около 12,7 млн новых случаев. Современные методы лечения далеки от идеала: например, химиотерапевтические препараты, попадая в кровоток, распространяются по всему организму и атакуют как больные, так и здоровые клетки, вызывая серьезные побочные эффекты.

Биоинженеры экспериментируют с наночастицами (размером 5–500 нанометров), которые могут доставлять лекарства и средства диагностики непосредственно к опухолям. Их размер позволяет им просачиваться через крупные поры в сосудах опухоли, но при этом оставаться в кровотоке в остальном теле. Таким образом, наночастицы пассивно накапливаются в опухолях, избегая здоровых тканей.

Наночастицы бывают разных размеров, форм и материалов. Их можно нагружать лекарствами, которые высвобождаются контролируемо, и покрывать молекулами для взаимодействия со средой. Некоторые из этих молекул могут служить уникальной сигнатурой для идентификации раковых клеток. После связывания клетки могут поглощать наночастицы, которые затем доставляют свой груз внутрь клетки.

Контроль заключается в дизайне наночастиц и их взаимодействии со средой, а не во внутреннем интеллекте. Изменение «тела» наночастицы меняет её поведение — это называют воплощенным интеллектом.

Сложность в том, чтобы понять, какой дизайн наночастиц улучшит результат лечения. Это трудно, потому что триллионы наночастиц взаимодействуют в опухоли с миллионами клеток. Предсказание и оптимизация поведения всех этих наночастиц в такой сложной системе — в лучшем случае гадание.

Управление роем

Подобно стаям птиц или колониям муравьев, большие группы простых агентов (наночастиц), реагирующих на локальную информацию, могут демонстрировать сложное коллективное поведение. Цель — исследовать, как наночастицы могут кооперироваться (роиться) для синергетического улучшения терапевтического эффекта.

Недавняя работа лаборатории Бхатии в MIT показывает перспективность этого направления. Золотые наночастицы пассивно накапливаются в опухоли. Затем их нагревают лазером, нанося повреждения ткани опухоли. Вторая волна наночастиц, сконструированных для связывания с поврежденной тканью, накапливается там в большем количестве.

С помощью симулятора, моделирующего взаимодействие наночастиц друг с другом и с опухолевой средой, можно исследовать такие роевые конструкции. Например, смоделированные наночастицы, покидающие кровеносный сосуд (красный), должны найти редкую клетку (с розовой границей) в ткани опухоли. Эта редкая клетка может иметь специфическую мутацию, и её обнаружение может помочь идентифицировать очаг клеток, устойчивых к лечению.

Умно проектируя наночастицы и их взаимодействие со средой, можно прокладывать прямые пути от сосудов к целевой клетке. Подобно муравьям, оставляющим следы, эти наночастицы работают, оставляя и взаимодействуя с информацией в окружающей среде.

Существует множество сценариев для опухолей и роевых стратегий. Исследование каждого требует времени и большого количества проб и ошибок. Каждая проблема уникальна, что затрудняет программирование компьютера для автоматического проектирования наночастиц.

Поэтому краудсорсинг позволяет биоинженерам и широкой публике предлагать новые стратегии применения наночастиц для лечения рака. Симулятор Nanodoc, основанный на многолетних исследованиях, предсказывает поведение наночастиц в опухолях. Надежда в том, что пользователи симулятора помогут открыть новые, креативные и эффективные стратегии, о которых не подумали в лаборатории.