หลักการทำงานของนาโนโรบอต

สถาปัตยกรรมของระบบนี้จงใจให้เรียบง่ายและปรับเปลี่ยนได้สูง:

• การออกแบบแบบโมดูลาร์: โมดูลอิสระที่แตกต่างกันสองชิ้น — โมดูลขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็ก และส่วนบรรทุกสินค้า
• ‘ตีนตุ๊กแก’ ดีเอ็นเอ: แต่ละโมดูลมีสายดีเอ็นเอที่สมบูรณ์แบบต่อกัน เมื่อพบกัน สายเหล่านี้จะจับยึด ทำให้โมดูลทั้งสองเชื่อมต่อกันเป็นนาโนโรบอตที่พร้อมทำงาน เส้นเชื่อมนี้สามารถคลายออกได้ ทำให้สามารถนำโมดูลกลับมาใช้ใหม่ได้
• การขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็ก: โมดูลขับเคลื่อนมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก ทำให้สามารถควบคุมทิศทางจากภายนอกได้ สนามแม่เหล็กสามารถนำทางหุ่นยนต์ไปยังเป้าหมาย เช่น เนื้องอก และเรียกกลับมาใช้ซ้ำได้ในภายหลัง
• ส่วนบรรทุกสินค้า: โมดูลนี้บรรจุถุงโพลิเมอร์ (polymer vesicles) ขนาดนาโนสี่ถุง ซึ่งแต่ละถุงบรรจุเอนไซม์ สารตั้งต้นจะเข้าไปทางรูพรุนเล็กๆ เอนไซม์จะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ที่ออกฤทธิ์ และผลิตภัณฑ์เหล่านั้นจะถูกปล่อยออกมาเฉพาะที่ ถุงเหล่านี้ยังสามารถเปิดออกอย่างเลือกสรรเพื่อปล่อยสารประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพได้อีกด้วย
• ความสามารถในการยึดเกาะ: โมเลกุลชีวภาพเพิ่มเติมบนส่วนบรรทุกสินค้าช่วยให้นาโนโรบอตสามารถยึดเกาะกับพื้นผิวเซลล์หรือวัสดุเฉพาะได้

ผลการทดสอบกับเซลล์มะเร็ง HeLa

ทีมวิจัยได้นำนาโนโรบอตไปทดสอบกับเซลล์มะเร็ง HeLa ซึ่งเป็นเซลล์มะเร็งปากมดลูกของมนุษย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิจัย:

• นาโนโรบอตสะสมบนพื้นผิวของเซลล์ HeLa ซึ่งยืนยันได้ด้วยการติดฉลากเรืองแสง
• เมื่อติดตั้งเอนไซม์ที่ผลิตยาเคมีบำบัด นาโนโรบอตสามารถลดความมีชีวิตของเซลล์ HeLa เหลือเพียง 16% ภายใน 72 ชั่วโมง — นั่นหมายถึงเซลล์มะเร็งถูกฆ่าไปถึง 84%
• ประสิทธิภาพนี้เกิดจากการผลิตยาในพื้นที่อย่างเข้มข้น โดยตรงบนพื้นผิวเซลล์ แทนที่จะเป็นการส่งยาไปทั่วร่างกาย

การประยุกต์ใช้ในวงกว้างและแนวทางต่อไป

การออกแบบแบบโมดูลาร์หมายความว่าแพลตฟอร์มนี้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การรักษามะเร็ง โดยการเปลี่ยนส่วนบรรทุกสินค้า นาโนโรบอตตัวเดิมสามารถปรับเปลี่ยนไปทำงานที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง:

• การแพทย์แบบมุ่งเป้า: ส่งสารรักษาโรคไปยังเนื้องอกหรือเนื้อเยื่อที่เป็นโรคโดยตรง โดยโมดูลแม่เหล็กช่วยให้สามารถเรียกกลับและนำกลับมาใช้ซ้ำได้
• การเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม: เติมส่วนบรรทุกสินค้าด้วยเอนไซม์ชนิดอื่นสำหรับปฏิกิริยาเคมีตามความต้องการในกระบวนการผลิต
• การบำบัดสิ่งแวดล้อม: ศักยภาพในการบำบัดน้ำเสียและย่อยสลายมลพิษ
• การนำกลับมาใช้ใหม่: โมดูลสามารถแยกออกจากกัน ส่วนบรรทุกสินค้าสามารถเติมใหม่ได้ และโมดูลต่างๆ สามารถประกอบกลับคืนได้ใหม่ — ทั้งหมดนี้ในขณะที่โมดูลขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กถูกกู้คืนและนำมาใช้ซ้ำ
• การประยุกต์ใช้ในมนุษย์: การใช้ในมนุษย์ยังคงเป็นเป้าหมายระยะยาว แต่แพลตฟอร์มถูกออกแบบให้สามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายเพียงแค่ปรับเปลี่ยนส่วนบรรทุกสินค้า

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202600079) ดำเนินการภายใต้ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการวิจัยระดับชาติ – วิศวกรรมระบบโมเลกุล (National Center of Competence in Research – Molecular Systems Engineering) และสถาบันนาโนวิทยาศาสตร์แห่งสวิส (Swiss Nanoscience Institute) ร่วมกับมหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์ก

หลักการทำงานของนาโนโรบอต

สถาปัตยกรรมของระบบนี้จงใจให้เรียบง่ายและปรับเปลี่ยนได้สูง:

• การออกแบบแบบโมดูลาร์: โมดูลอิสระที่แตกต่างกันสองชิ้น — โมดูลขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็ก และส่วนบรรทุกสินค้า
• ‘ตีนตุ๊กแก’ ดีเอ็นเอ: แต่ละโมดูลมีสายดีเอ็นเอที่สมบูรณ์แบบต่อกัน เมื่อพบกัน สายเหล่านี้จะจับยึด ทำให้โมดูลทั้งสองเชื่อมต่อกันเป็นนาโนโรบอตที่พร้อมทำงาน เส้นเชื่อมนี้สามารถคลายออกได้ ทำให้สามารถนำโมดูลกลับมาใช้ใหม่ได้
• การขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็ก: โมดูลขับเคลื่อนมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก ทำให้สามารถควบคุมทิศทางจากภายนอกได้ สนามแม่เหล็กสามารถนำทางหุ่นยนต์ไปยังเป้าหมาย เช่น เนื้องอก และเรียกกลับมาใช้ซ้ำได้ในภายหลัง
• ส่วนบรรทุกสินค้า: โมดูลนี้บรรจุถุงโพลิเมอร์ (polymer vesicles) ขนาดนาโนสี่ถุง ซึ่งแต่ละถุงบรรจุเอนไซม์ สารตั้งต้นจะเข้าไปทางรูพรุนเล็กๆ เอนไซม์จะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ที่ออกฤทธิ์ และผลิตภัณฑ์เหล่านั้นจะถูกปล่อยออกมาเฉพาะที่ ถุงเหล่านี้ยังสามารถเปิดออกอย่างเลือกสรรเพื่อปล่อยสารประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพได้อีกด้วย
• ความสามารถในการยึดเกาะ: โมเลกุลชีวภาพเพิ่มเติมบนส่วนบรรทุกสินค้าช่วยให้นาโนโรบอตสามารถยึดเกาะกับพื้นผิวเซลล์หรือวัสดุเฉพาะได้

ผลการทดสอบกับเซลล์มะเร็ง HeLa

ทีมวิจัยได้นำนาโนโรบอตไปทดสอบกับเซลล์มะเร็ง HeLa ซึ่งเป็นเซลล์มะเร็งปากมดลูกของมนุษย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิจัย:

• นาโนโรบอตสะสมบนพื้นผิวของเซลล์ HeLa ซึ่งยืนยันได้ด้วยการติดฉลากเรืองแสง
• เมื่อติดตั้งเอนไซม์ที่ผลิตยาเคมีบำบัด นาโนโรบอตสามารถลดความมีชีวิตของเซลล์ HeLa เหลือเพียง 16% ภายใน 72 ชั่วโมง — นั่นหมายถึงเซลล์มะเร็งถูกฆ่าไปถึง 84%
• ประสิทธิภาพนี้เกิดจากการผลิตยาในพื้นที่อย่างเข้มข้น โดยตรงบนพื้นผิวเซลล์ แทนที่จะเป็นการส่งยาไปทั่วร่างกาย

การประยุกต์ใช้ในวงกว้างและแนวทางต่อไป

การออกแบบแบบโมดูลาร์หมายความว่าแพลตฟอร์มนี้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การรักษามะเร็ง โดยการเปลี่ยนส่วนบรรทุกสินค้า นาโนโรบอตตัวเดิมสามารถปรับเปลี่ยนไปทำงานที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง:

• การแพทย์แบบมุ่งเป้า: ส่งสารรักษาโรคไปยังเนื้องอกหรือเนื้อเยื่อที่เป็นโรคโดยตรง โดยโมดูลแม่เหล็กช่วยให้สามารถเรียกกลับและนำกลับมาใช้ซ้ำได้
• การเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม: เติมส่วนบรรทุกสินค้าด้วยเอนไซม์ชนิดอื่นสำหรับปฏิกิริยาเคมีตามความต้องการในกระบวนการผลิต
• การบำบัดสิ่งแวดล้อม: ศักยภาพในการบำบัดน้ำเสียและย่อยสลายมลพิษ
• การนำกลับมาใช้ใหม่: โมดูลสามารถแยกออกจากกัน ส่วนบรรทุกสินค้าสามารถเติมใหม่ได้ และโมดูลต่างๆ สามารถประกอบกลับคืนได้ใหม่ — ทั้งหมดนี้ในขณะที่โมดูลขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กถูกกู้คืนและนำมาใช้ซ้ำ
• การประยุกต์ใช้ในมนุษย์: การใช้ในมนุษย์ยังคงเป็นเป้าหมายระยะยาว แต่แพลตฟอร์มถูกออกแบบให้สามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายเพียงแค่ปรับเปลี่ยนส่วนบรรทุกสินค้า

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202600079) ดำเนินการภายใต้ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการวิจัยระดับชาติ – วิศวกรรมระบบโมเลกุล (National Center of Competence in Research – Molecular Systems Engineering) และสถาบันนาโนวิทยาศาสตร์แห่งสวิส (Swiss Nanoscience Institute) ร่วมกับมหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์ก