Микрофагоциты искусственные иммунные клетки

Комплекс наноустройств, способный быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно небольшой концентрации нанороботов, был бы желательным дополнением в современном терапевтическом арсенале. Такой робот назовем микрофагоцитом, или искусственным механическим белым кровяным телом.

Микрофагоцит - это сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно расположенных атомов, плюс около 150 биллионов молекул газа или воды, когда резервуары устройства будут заполнены. Размеры наноробота - 3.4 мкм в диаметре вдоль главной оси, и 2.0 мкм вдоль оси, перпендикулярной к главной. Такие размеры дают наноустройству возможность беспрепятственно проникать в мельчайшие капилляры, диаметр которых ~4 мкм [1]. Его сравнительно большой для наноустройства объем (12.1056 мкм3) дает возможнть разместить внутри наноробота два пустых внутренних резервуара, объемом 4 мкм3. Наноустройство потребляет 100-200 пВт (пикоВатт) мощности при работе, и может полностью "переварить" микробов, находящихся во внутреннем резервуаре наноустройства со скоростью 2 мкм3 за 30-секундный цикл. Как и в предыдущих проектах нанороботов (прим. перев. - проектах Роберта Фрайтаса) [2], для того, чтобы гарантировать надежную работу наноустройства, микрофагоцит спроектирован с десятикратным запасом по всем основным характеристикам, исключая большие пассивные структурные элементы (такие, например, как корпус). Масса "пустого" устройства - 12.2 пикограмм (см. рис. 1).

Опишем работу наноустройства. В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха на липкую ленту, благодаря специальным обратимым "присоединительным гнездам" [1]. Далее, телескопические наноманипуляторы, изготовленные по примеру "руки робота", выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита, и, достигнув жесткого прикрепления к мембране бактерии, транспортируют микроорганизм к входному порту на передней части устройства, где бактерия оказывается в умертвительном резервуаре объемом 2 мкм3 (см. рис. 2). После интенсивного механического перемалывания бактерии (или бактерий) органические остатки выдавливаются специальным поршнем в "дигестальный" резервуар объемом 2 мкм3, где остатки перевариваются с помощью запрограммированной последовательности 40 специально сконструированных энзимов, которые сменяются около шести раз. В результате, полученные остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека. Далее, они выбрасываются в кровеносную систему пациента. Все эти операции происходят в течение 30-секундного цикла.

Этот протокол, названный автором "перевари-и-выброси" [1] практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты механических микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ. Например, всем известные макрофаги, после фагоцитоза патогенных микроорганизмов, выбрасывают в кровь биологически активные вещества [7], в то время как продукты фагоцитоза микрофагоцитов будут биологически неактивными, и не представляющими угрозу для человека.

Обычные фагоциты больше по объему в 100-1000 раз, чем искусственные, при этом они потребляют энергии на фагоцитоз столько же. Например, изменение теплоэнергии от обычных человеческих нейтрофилов при фагоцитозе составляет 19 пикоВатт. Это число растет с увеличением частиц, которые захвачены фагоцитом [8]. Т-лимфоцит объемом около 400 мкм3, при иммунном ответе потребляет ~45 пикоВатт [9].