Роботизированные сперматозоиды
Роботизированные сперматозоиды — биогибридные микрoроботы, состоящие из сперматозоидов и искусственных микроструктур[1][2]. Спермботы могут создаваться на основе как живых, так и неживых (фиксированных) клеток[3]. Для сперматозоидов, покрытых магнитными наночастицами, также используется синонимичный термин «IRONSperm»[4].
Типы
Первый тип, трубчатый спермбот, состоит из одного сперматозоида, который захватывается внутри микротрубки. Быкиные сперматозоиды входят в эти микротрубки и оказываются в ловушке внутри. Хвост сперматозоида обеспечивает движение микротрубки[1].
Второй тип — спермбот-спираль, представляет собой небольшую спиралеобразную структуру, которая захватывает и транспортирует одиночные малоподвижные сперматозоиды. В этом случае вращающееся магнитное поле приводит спираль в движение, напоминающее вращение винта. Оба типа спермботов могут управляться с помощью слабых магнитных полей[2]. Оба дизайна являются гибридными микроприборами, состоящими из живой клетки и синтетических компонентов. Также существуют подходы к созданию полностью синтетических микроприборов, вдохновлённых движением натуральных сперматозоидов — то есть биомиметическим дизайном. Примером служит так называемый Магнетосперм (англ. MagnetoSperm), выполненный из гибкой полимерной структуры с магнитным покрытием, приводимой в движение магнитным полем[5].
Помимо классических форм, современная классификация биогибридных микророботов включает новые категории. Тетраподные микротрубки представляют собой напечатанные на 3D-принтере микроструктуры с четырьмя гибкими дугообразными захватами, которые соединяются с головкой сперматозоида. Рисовидные наночастицы используются для покрытия головки или хвоста сперматозоида путём электростатической самосборки, образуя комплексы IRONSperm. Комплексные наноносители (микрожелудочки) — это сложные магнитные микроструктуры, способные переносить одновременно несколько сперматозоидов для контроля дозы доставляемых веществ. Также выделяют спермоподобные наноботы — категорию искусственных аналогов, включающую жгутиковые микроорганизмы и полностью искусственные биомиметические структуры с магнитной головкой и гибким хвостом[6].[7].
Конструкция
В качестве биологической основы микророботов используются бычьи сперматозоиды, в том числе неживые (фиксированные) клетки, продемонстрировавшие высокую биосовместимость[8].[9] Закрепление магнитных наночастиц на клетках осуществляется методом электростатической самосборки. Данный процесс не требует применения химического клея, так как наночастицы самостоятельно притягиваются к локальным зарядам на поверхности мембраны сперматозоида[10].[11]
Трубчатые спермботы
Изначально микротрубки для трубчатых спермботов были получены с помощью технологии свёртывания наномембран на фоторезисте[12]. В этом процессе нанотонкие слои титана и железа наносились на жертвенный слой. После удаления этого слоя наноплёнки сворачивались в микротрубки длиной 50 мкм и диаметром 5–8 мкм. В дальнейшем микротрубки стали изготавливать из температурочувствительного полимера для управляемого высвобождения сперматозоидов при незначительном изменении температуры[13].
Сборка трубчатых спермботов осуществляется путём внесения большого количества микротрубок в разведённый образец спермы под микроскопом. Сперматозоиды случайно проникают в микротрубки и застревают в их слегка конической полости. Для повышения эффективности соединения между сперматозоидами и микротрубками последние функционализируют белками или сперматическими хемоаттрактантами. Это реализуется с применением тиоловой химии после свёртывания трубок или путём переноса молекул с помощью эластомерного штампа на материал до сворачивания трубок[14].
Спиральные спермботы
Спиральные спермботы собираются путём проведения магнитной микроспирали над отдельным сперматозоидом, при этом хвост сперматозоида помещается внутрь просвета спирали, а головка выталкивается вперёд. Клетка соединена со спиралью слабо и может быть освобождена при смене направления вращения, — тогда спираль отходит от головки, а хвост освобождается. Такие микроспирали изготавливаются методом прямой лазерной литографии и покрываются никелем или железом для намагничивания[2].
Навигация
Роботизированная сперма может управляться с помощью внешних слабых магнитных полей в несколько миллитесла (мТл). Эти поля можно создавать как постоянными магнитами, так и специальными сборками из электромагнитов. Прилагаемое магнитное поле может быть однородным, вращающимся или градиентным[15]. Трубчатые и спиральные спермботы также могут управляться по схеме замкнутого цикла с помощью электромагнитных катушек[16]. Управление вращающимся магнитным полем позволяет микророботам достигать скорости 8–12 мм/с[17]. Навигация была успешно протестирована на 3D-моделях женской репродуктивной системы с использованием рентгеновского отслеживания в реальном времени[18].[17]
Применение
Спермботы потенциально находят применение при манипуляциях с отдельными клетками, в ассоциированных репродуктивных технологиях, а также для прицельной доставки лекарств. Согласно недавним исследованиям, модифицированные трубчатые спермботы могут использоваться для доставки противоопухолевых препаратов[19]. В этом случае сперматозоид загружается доксорубицином. Искусственная микроструктура, изготовленная методом двухфотонной нанолитографии, захватывает загруженный препаратом сперматозоид. Клетка служит приводом для магнитной микроструктуры и способна доставлять её к опухолевым сфероидам. В заданной точке загруженный лекарством сперматозоид освобождается с помощью пружинного механизма и переносит лекарство к раковым клеткам. Для загрузки доксорубицина в сперматозоиды применяются методы инкубации с механическим микрокаркасом, а также инкубация с магнитными наночастицами, при которой происходит электростатическая самосборка клеток в кластеры[20].[21].
В сфере вспомогательных репродуктивных технологий для проведения процедуры ИКСИ применяются роботизированные системы под управлением искусственного интеллекта (например, система компании Conceivable Life Sciences). ИИ автономно отбирает сперматозоиды, фиксирует их с помощью лазера и осуществляет точное введение в яйцеклетку. Использование данной технологии привело к успешному зачатию и рождению здорового ребёнка[22].
Перспективы
Роботизированная сперма, как микопловцы, представляет интерес для медицины, в частности, для новых методов вспомогательной репродукции и прицельной доставки терапевтических агентов. Эти микропловцы предназначены для работы в живых организмах, что в перспективе способно революционизировать технологии вспомогательной репродукции и наномедицину[23]. Постоянно появляются новые конструкции и потенциальные сферы применения данного концепта[23]. Технология находится на стадии доклинических исследований[24] и классифицируется как медицинское изделие или комбинированный продукт[25].