ננו-צוללת

ננו-צוללות הן התקנים ננוסקופיים ומיקרוסקופיים סינתטיים בעלי יכולת ניווט שתפקידם לבצע משימות בגוף האדם. ה"ננו-צוללות" מופעלות בעזרת טכנולוגיות הנעה עצמית המחקות את העולם הביולוגי, ומטרתן לזהות חומרים, לבצע משלוח תרופות ממוקד, לבצע ניתוחים, להשמיד תאים זדוניים ועוד. ננו-צוללות הוא תחום ננוטכנולוגי שמטרתו לפתח ננורובוטים לצורכי רפואה והוא משתייך לתחומי המדיטק ומשיק לנושאים כגון ננורובוטיקה, שיגור תרופות וננו התקנים.

רקע

ריצ'רד פיינמן, זוכה פרס נובל לפיזיקה, בנאומו "יש שפע מקום בתחתית", עסק באפשרויות הטמונות בשליטה על החומר ברמה הננומטרית. בין היתר הציע בנאומו שבני האדם יוכלו לבנות ננו-מכונות, שתוכלנה לסדר אטומים כרצון המתכננים. כמו כן הוא דיבר על הרעיון של "לבלוע את הרופא", כשהוא מתייחס לרעיון של ננו-תרופות. יש הרואים בנאומו זה את תחילתה של הננוטכנולוגיה - טכנולוגיה של חלקיקים שגודלם מספר ננומטרים.
השאיפה היא כי פיתוחים אלו יביאו לכך שהאדם לא יצטרך להגיע לרופא אלא הרופא יהיה בתוך האדם. מה שיוביל לריפוי ללא תופעות לוואי, ואפילו לריפוי מחלות שנחשבו כחסרות מרפא, כדוגמת האיידס ומחלת הנטינגטון.
כיום מהווה הננוטכנולוגיה מוקד למחקר ופיתוח אינטנסיבי בעולם ובישראל, עם השקעות תקציב גדולות.

שימושים עיקריים

המטרה העיקרית של ננו-צוללות היא לנווט בגוף האדם ולבצע משימה מוגדרת, הבעיקר ריפוי ואבחון מחלות בגוף האדם. מטרה זו מושגת על ידי: כמוטקסיס, שימוש בקולטנים ספציפיים לתא מטרה, ליפידים בעלי מודיפיקציות המאפשרות תנועה בדם למשך זמן ושימוש בסוכרים המונעים זיהוי על ידי מערכת החיסון. 
יישום נוסף בעל חשיבות רבה הנו "ניתוחים מיקרוסקופיים". טכנולוגיה זו תאפשר לרופאים לבצע ניתוחים באמצעות ננו-צוללות במיקומים ספציפיים בגוף האדם, ללא התערבות פולשנית. דוגמה לכך הנה האפשרות שהננו-צוללות יאתרו תאים סרטניים בגוף, לאחר איתורם הננו-צוללות יהיו מסוגלות להרוג תאים סרטניים ולהתעלם מתאים בריאים. תהליך איתור המטרה וביצוע תהליך הריפוי תחת תנאי סביבה מוגדרים מחייבת תהליכי קליטת נתונים מהסביבה עיבודם והוצאת פלט בצורת אופציית פעולה. לשם כך מתוכננים לפיתוח חומרים המבצעים תהליכים ביו חישוביים כחלק מוכלל בננו-צוללת.

ניווט

אחד ההיבטים הקשים ביותר בפיתוח ננו-צוללות הוא הניווט. המטרה היא להיות מסוגל לנוע במחזור הדם גם דרך נימי הדם הקטנים ביותר שקוטרם יכול להגיע ל-2 מיקרומטר. אתגר נוסף בניווט הוא העובדה שהפיזיקה מגבילה את יכולת ההנעה של התקן בגודל זעיר זה, מתוקף קיומם של כוחות חיכוך (מכניקת הזורמים) הגדלים ככל שגודלו של ההתקן קטן. בנוסף, זרימת הדם החזקה מביאה לכך שהצוללת אינה יכולה להתנגד לזרם הדם אלא רק לנוע בכיוון זרימת הדם.
ניתן להתגבר על המכשול שיוצר זרם הדם על ידי שימוש במנוע אלקטרוכימי. דוגמה לכך הוא מנוע העשוי מננו-מוט –(nanorod) מתכתי בעל קטבים שונים. קוטב אחד עשוי פלטינה וקוטב שני זהב. בחשיפת הפלטינה למי חמצן מתקיים תהליך חמצון-חיזור בו H₂O₂ מתפרק ל-2H + ו-O₂. בתהליך זה הפלטינה מחמצנת את המי חמצן לקבלת חמצן. בקוטב השני של המוט, הזהב מחזר את מי החמצן למים. שתי תגובות אלו גורמות לזרימה דיפוזיונית יציבה של אלקטרונים מקוטב הפלטינה אל קוטב הזהב. על פי החוק השלישי של ניוטון, זרימת תוצרי התגובה מקוטב אחד אל הקוטב השני תגרום לזרימה נגדית של הננו-מוט. הכוח הפועל על התוצרים וגורם לתנועתם מפתח כוח זהה בעל כיוון הפוך הגורם לתנועתו של המנוע. חיסרון עיקרי לשיטה זו הוא העובדה שהננו-מוט עשוי לגרום לפגיעה הן בכלי דם והן בתאי דם (בעיקר בתאי הדם האדומים), שכן עצם סיבוב המנוע עשוי לגרום לפגיעה פיזית בהם.

מחקרים בתחום

ננו-צוללות מסוגים שונים תוארו כבר בעבר, ובהן 'ננו-תולעים' מברזל המזהות גידולים ומסמנות אותם לבדיקת MRI, ננו-צוללות המכילות רעל שהורג גידולים, ואף ננו-צוללות הזוהרות בחשכה. במחקר משולב של אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה ו-MIT, שולבו כל התכונות הללו ליצירת ננו-צוללת המסוגלת לעשות את הפעולות הבאות: להיצמד לגידול, להפריש בסביבתו רעל, לסמן אותו לגילוי ב-MRI וגם סימון פלואורסצנטי שישמש להוצאתו מהגוף מאוחר יותר. התמונה הפלואורסצנטית מספקת רזולוציה גבוהה יותר מזו של ה-MRI, ובכך מאפשרת למנתח להשתמש בדימות פלואורסצנטי למציאת כל חלקי הגידול והסרתו בזמן הניתוח, לאחר זיהויו ב-MRI.
במחקר נוסף שנערך במעבדתו של ד"ר ארקי רואוסלאטי, הונדס החלבון F3 הקשור לפני השטח של הננו-צוללות. חלבון זה מזהה את תאי הסרטן, נקשר אליהם ומועבר אל תוך הגרעין שלהם ביחד עם הננו-צוללת. חלבון זה הוא רק הדור הראשון של חלבונים המזהים גידולים ומאפשרים טיפול יעיל בהם.
ההצלחה המתועדת הראשונה בתחום זה היא של ד"ר דן פאר מאוניברסיטת תל אביב, בהמשך ישיר לעבודתו באוניברסיטת הרווארד שעסקה בננו-צוללות ושינוע תרופות. המצאתו של ד"ר פאר מתבססת על ליפוזומים – כדורונים זעירים המורכבים מחומצות שומן ומצופים במולקולות המאפשרות להם לזהות תאים מסוימים ולחדור לתוכם, או להזריק לתוכם את תוכן הליפוזום. ניתן למלא את הליפוזום בחומרים שונים רבים, לפי רצון המתכנן – החל מרעלים שיכולים להרוג את תא המטרה וכלה ב-siRNA, פיסות של קוד גנטי המסוגלות לשנות את דפוס פעולת התאים בגוף.