Микророботы Из Сперматозоидов: Революция В Репродуктивной Медицине И NPJ Robotics

Управляемые микророботы из сперматозоидов: прорыв в репродуктивной медицине и доставке лекарств

БЕРЛИН, 15 октября 2025 - Новое исследование, опубликованное 2 сентября 2025 года в журнале npj Robotics, ввело биогибридных микророботов, произведённых из сперматозоидов, обложенных магнитными наночастицами. Эта разработка, реализованная международной группой ученых из Нидерландов и Канады, впервые демонстрирует возможность совместного удалённого управления и рентгеновской визуализации таких роботов внутри анатомической модели женской репродуктивной системы. Это открытие открывает новые горизонты для таргетной доставки лекарств, лечения бесплодия и глубокого изучения репродуктивных процессов.

Классические методы визуализации сперматозоидов in vivo, такие как оптические подходы, обладают ограничениями по глубине проникновения и часто нуждаются в хирургическом вмешательстве. Недостаток эффективного инструмента для неинвазивного мониторинга движения сперматозоидов на протяжении длительного времени затруднял осмысление множества базовых аспектов репродуктивного здоровья, включая миграцию и взаимодействие сперматозоидов в женском репродуктивном тракте.

В своем исследовании Вероника Магденц (Veronika Magdanz) с соавторами представили решение этой проблемы, используя неживые сперматозоиды быка в качестве биологического «шасси». Эти клетки собираются в кластеры и обволакиваются наночастицами оксида железа (Fe₃O₄) с помощью электростатической самосборки. Наночастицы выполняют две ключевые функции:

1. Дают кластерам восприимчивость к внешним магнитным полям, обеспечивая управляемость.
2. Повышают плотность кластеров, делая их заметными при рентгеновской флюороскопии и ультразвуковом исследовании.

Преодоление компромисса «Магнитность - Видимость - Безопасность»

Одним из ключевых вызовов в разработке медицинских микророботов является получение оптимального баланса между управляемостью, визуализацией и биосовместимостью. Как правило, рост содержания магнитных материалов для лучшей управляемости и видимости может вести к повышению токсичности для живых клеток. Тем не менее представленные биогибридные микророботы продемонстрировали способность успешно справляться с этим компромиссом.

В ходе экспериментов:

• Управляемость: Кластеры диаметром от 0,1 до 2,7 мм были способны перемещаться внутри 3D-модели женской репродуктивной системы, воспроизводящей матку и фаллопиевы трубы. Управление было реализовано с помощью робототехнического манипулятора с постоянным магнитом, генерирующим вращающееся магнитное поле. Роботы преодолевали весь путь от шейки матки до дистального конца фаллопиевой трубы менее чем за 50 секунд со скоростью 8-12 мм/с при частоте поля 2-10 Гц.
• Визуализация: В дополнение к рентгеновской флюороскопии, кластеры были замечены на УЗИ и КТ, что подтверждает их возможности для использования с повсеместно используемыми медицинскими методами диагностики. Диапазон наночастиц от 1 до 3 мг/мл давал достаточный сигнал для визуализации, при этом не обнаружено четкой зависимости между концентрацией и соотношением контраст/шум (CNR).
• Биосовместимость: Исследования на цитотоксичность выявили, что даже при максимальной концентрации наночастиц (3 мг/мл) более 89 % клеток эпителия человеческой матки сохраняли жизнеспособность по прошествии 72 часов контакта с микророботами. Стоит отметить, что чистые сперматозоиды без наночастиц были несколько более токсичными, что, возможно, обусловлено остатками криопротекторов.

Занимательный момент состоит в использовании неживых сперматозоидов быка. Это облегчает хранение и решает проблему неконтролируемой мобильности, характерной для живых клеток.

Перспективы применения и текущие ограничения

Данная технология может существенно ускорить развитие медицины в нескольких направлениях:

• Таргетная доставка лекарственных препаратов: Препараты могут быть инкапсулированы в кластеры микророботов и доставлены прямо к патологическому очагу в репродуктивной системе, что особенно важно для лечения таких заболеваний, как эндометриоз, миомы или рак матки.
• Диагностика бесплодия и вспомогательные репродуктивные технологии (ВРТ): Способность мониторинга движения сперматозоидов in vivo поможет глубже понять механизмы оплодотворения, обнаружить причины бесплодия и усовершенствовать методы ЭКО.
• Фундаментальные исследования: Технология предоставляет уникальные возможности для изучения молекулярных и клеточных процессов в репродуктивном тракте.

В то же время, технология находится на начальном этапе развития. Одна из проблем, выявленных в исследовании, - диссоциация кластеров на более мелкие части при значительном повышении частоты вращения магнитного поля (свыше 10 Гц). Это явление, обусловленное магнитоэластогидродинамическим балансом, требует дополнительного изучения и оптимизации, чтобы обеспечить стабильность и управляемость микророботов в более сложных условиях.

Эксперты отмечают, что хотя концепция управляемых микророботов обладает значительным потенциалом для лечения широкого спектра заболеваний, в том числе онкологических и прочих патологий репродуктивной системы, для клинического применения ещё требуется пройти длительный путь исследований, в том числе доклинические и клинические испытания. Основное внимание сосредоточится на безопасности, биосовместимости в долгосрочной перспективе и эффективности в реальных биологических средах.

Исследование является значительным шагом к реализации концепции медицинских микророботов, которые могут выполнять точечную терапию и диагностику, снижая инвазивность процедур и повышая их эффективность. Подробные результаты доступны в статье «Sperm cell empowerment: X-ray-guided magnetic fields for enhanced actuation and localization of cytocompatible biohybrid microrobots» в npj Robotics по ссылке https://www.nature.com/articles/s44182-025-00044-1.