Вопросы иммортологии

проект полностью механизированной кровеносной системы

по статье RobertA. FreitasJr. на сайте http://www.imm.org , отчет № 31.

Автор: Юрий Свидиненко ; www.MicRobot.ru

Эта статья представляет собой краткую характеристику васкулоида – механического нанотехнологического устройства, полностью заменяющего кровеносную систему и васкулярное дерево человека. Полное описание функционирования этого устройства дано в [3].

Идея васкулоида произошла из простого размышления: сможем ли мы заменить кровь на один сложный робот при условии наличия развитого нанотехнологического производства и проектирования? Этот робот будет дублировать все жизненно важные тепловые и биохимические транспортные функции крови, включая циркуляцию респираторных газов, глюкозы, гормонов, цитокинеза, отходов и всех важных клеточных компонентов. Устройство будет подходить под размеры кровеносных сосудов человека. В идеале, устройство должно заменить натуральную кровь так, чтобы человеческое тело осталось, по крайней мере, физикохимически, неповрежденно. Это устройство – механически перепроектированная человеческая циркуляционная система с минимальной адаптацией, способная тесно интегрировать себя в живое человеческое тело.

Робототехническое устройство, способное заменить человеческую васкулярную систему, соответственно названо – «васкулоид», то есть васкулоподобный; но васкулоид - более чем просто искусственная васкулярная система. Скорее, это устройство класса объемозаполняющих наномедицинских роботов, функционирующее вместо естественного васкулярного «дерева» человека.

Устройство крайне сложное, состоит из ~500 триллионов независимых нанороботов, согласовывающих все свои действия. Используя простейшие термины, можно определить васкулоид как внутреннее водонепроницаемое покрытие всей сосудистой системы человека. Эта наномашина использует целый ряд искусственных клеток для транспорта жизненно важных нутриентов и биологических клеток к тканям, сохраняя их в «танкерах» (для молекул) или в «грузовиках» (для клеток). Масса устройства ~2 кг; робот отдает в окружающую среду ~30 Вт тепла на минимально активном уровне и ~200 Вт на максимальном. Энергия рассеивания человеческого тела варьируется от ~100 Вт до ~1600 Вт [1], поэтому устройство не представляет термогенной опасности для человека. Энергия, как и для большинства медицинских нанороботов, доставляется от естественных источников глюкозы и кислорода, которые широко доступны в человеческом теле [1, 4-8].

Самым важным структурным компонентом васкулоида является двумерная оболочка площадью ~300 м², полностью покрывающая васкулярное дерево человека и состоящая из ~150 триллионов плоских нанороботов из сапфироида (т.е.нанороботов, изготовленных из сапфироподобного материала), представляющих собой отдельные плиты (далее-базовые плиты) (см. рис. 1 а)

В данной разработке используются роботы из сапфироидных материалов, так как теплопроводность сапфира выше алмазоида. Эти плоские нанороботы покрывают одним слоем люминальную поверхность всех кровеносных сосудов тела. Каждый плоский наноробот ~1 микрон толщиной; площадью ~2 мкм², чего достаточно для покрытия самых мелких капилляров человека.

Молекулярно-транспортные «стыковочные доки» в количестве ~24 триллионов составляют 16% от общего количества всех плоских роботов васкулоида. Танкеры, транспортирующие молекулы, могут пристыковываться к этим докам и загружать, или разгружать переносимый груз (см. рис. 2). «Клеточные доки», транспортирующие клетки из васкулоида или в него, располагаются на других «стыковочных доках» и занимают размер 30 – ти плоских роботов (60 мкм²). Грузовики, перевозящие клетки, смогут пристыковываться к этим клеточным докам для обмена своим грузом с внешней средой (см. рис. 3). В данной разработке васкулоида, количество клеточных доков составляет 32.6 биллиона, они занимают площадь 0.978 триллионов плоских базовых плит (плоских нанороботов) и покрывают всего 0.65% всей площади васкулоида. Оставшиеся ~125 триллионов базовых плит резервируются для специального оборудования и других применений. Все наномашины, составленные из базовых плит предполагают унифицированный дизайн и взаимозаменяемость. Их перемещение и починку производят специально разработанные мобильные нанороботы, названные «васкулоцитами» (см. рис. 1 б).

Смежные базовые плиты граничат через гибкие, но водонепроницаемые механические интерфейсы на метаморфических «бамперах» [1] вдоль периметра каждой основной плиты. Каждый бампер имеет переменный, изменяемый объем, разрешающий поверхности васкулоида (см. рис. 4):

местами немного растягиваться или сжиматься;

изгибаться при воздействии на оболочку васкулоида макроскопических объектов, или при изменении поверхности васкулоида (сморщивание, натяжение);

таким образом, искусственная оболочка васкулоида реагирует на изгиб и растяжение лучше, чем естественный эндотелиум.

Поэтому, поверхность, образованная плитами, легко приспосабливается на естественные циклические изменения в объеме различных органов, таких, как легкие, мочевой пузырь и желчный пузырь. Жесткость подобной матрицы основных плат – важный раздел разработки васкулоида, он должен включать как полный, так и местный контроль в реальном времени, благодаря бамперам. Также если будет необходимо, то алмазоидные или сапфироидные основные платы могут быть жестче, чем естественный эндотелий.

Введение васкулоида в пациента требует его полной анестезии при замене натуральных циркуляционных жидкостей на васкулоид. Сперва основные платы васкулоида инсталлируют искусственную эндотелиальную оболочку, затем циркулируемые жидкости выводятся васкулоидом из тела пациента и заменяются на нанороботы. Инсталляция васкулоида составляет ~6.5 часов от начала до конца и потребляет максимальную мощность ~200 Вт в течение всей процедуры. Гипотетический протокол инсталляции будет разработан с максимальной комфортностью, реверсивностью для пациента, с учетом медицинских стандартов. Преимущества инсталлирования васкулоида в человеческое тело огромны. Многие из этих преимуществ могут быть достигнуты инъекциями нескольких теработов временных и менее агрессивных нанороботов. Однако, полностью инсталлированный васкулоид обеспечивает все жизненно важные запросы человеческого тела в целом. Некоторые возможности васкулоида уникальны и не достигаются другими средствами.

Конечно, использование васкулоида будет рассмотрено в каждом конкретном случае. В будущем молекулярная нанотехнология изобретет способы излечения болезней кровотока и без применения васкулоида. И такие искусственные части тела, как васклоид, в отличие от респироцитов [5] и других временных наномедицинских лекарств, будут использоваться только в необходимых случаях, учитывая даже этические соображения.

Основные важные достоинства васкулоида:

Удаление паразитов, вирусов, бактерий, метастазирующих раковых клеток из кровотока; тем самым применение васкулоида ограничит распространение заболеваний, переносимых через кровеносное русло человека. Эти микроорганизмы и клетки можно легко уничтожить инъекциями нанобиотиков (нанобиотических роботов) [1, 4], но эти наноустройства могут не уничтожить внутриклеточные патогены, такие как, например, палочка туберкулеза (Mycobacterium), или бактерия Listeria, которые, поражая макрофаг, остаются внутри него. Васкулоид при транспортировке клеток от одной ткани к другой, проверяет присутствие патогенов наличием специальных маркеров на мембране клетки и, благодаря этому, может уничтожить инфицированные клетки. Например, белки поверхности клеточной мембраны у макрофагов, инфицированных Mycobacteriummicroti, отличаются от белков мембран неинфицированных макрофагов [10]. Пептиды, производимыеListeria, интегрируются в белки мембраны инфицированных макрофагов [11]; другие клетки, пораженные Listeria, также содержат в клеточных мембранах антиген hsp60 [12].

Быстрое и корректное пропускание лимфоцитов через вторичные органы лимфатической системы, отбор и направление необходимых лимфоцитов на обнаруженные антитела в течение часов или минут (у иммунной системы организма на это уходят дни). Все это благодаря тому, что и лимфоциты и антигенные ресурсы эффективно концентрируются васкулоидом. Эта функция будет рассматриваться в индивидуальном порядке, аргументируя необходимость дополнительного применения гистомобильных медицинских нанороботов [1], применяющихся в зависимости от заболевания пациента.

Если в тело пациента были внедрены сперва биороботы, а потом васкулоид, то последний может выполнять функции искусственной иммунной системы, организуя свободный трафик перемещения, используя клеточные доки и грузовики.

Полное уничтожение таких заболеваний кровеносной системы, как все виды сосудитых болезней: рассечение аорты, блокады сосудов (в том числе атеросклероз), спазмы, аневризмы плебиты, варикозное расширение вен; сердечные заболевания, удары, сотрясения, кровотечение, механическое повреждение сосудистой системы. Все это достигается благодаря упорядоченному метаболизму и циркуляции жидкостей. В некоторых случаях, при нарушении циркуляции крови, возникает ряд болезней, например, пролежни. Эти болезни также будут устранены благодаря изменяемой жесткости кровеносных сосудов васкулоида (т.е. при сильном внешнем сжатии форма у кровеносных сосудов остается прежней).

Ограниченная восприимчивость к химическим, биохимическим и другим ядам всех видов, включая аллергенные субстанции в пище, воде и воздухе. Нанотанкеры, работающие в кровотоке (фармациты) [1], могут дублировать эти функции васкулоида.

«Быстрый метаболизм», заключающийся в быстрой транспортировке молекул васкулоидом, существенно улучшает физическое состояние, силу и выносливость; включая способность дышать в среде с низким парциальным давлением O₂. Также способность удалять нежелательные органические химикаты из тела (эта функция может дублироваться медицинскими нанороботами класса респироцитов [1,5]). Архитектура васкулоида будет также включать в себя долговременные хранилища белков, или пункты вторичной обработки аминокислот, что может оказаться полезным для пациента.

Прямой и быстрый контроль за многими гормонально- и нейрохимическими реакциями организма, а также за всеми физиологическими реакциями, связанными с кровеносной системой. Было бы очень трудно (но не невозможно) установить подобный контроль, используя особый класс нанороботов, работающих в кровотоке пациента.

Контроль объема пропускания капилляров, сознательное регулирование жесткости капилляров, контроль за изменением термической энергии и ее обменом с окружающей средой. И, наконец, ограниченное управление морфологической структуры тела, его жесткости и объема с миллисекундным быстродействием.

Полная защита от различных травм и физических повреждений тела, таких как: укусы насекомых, диких животных, пулевые и осколочные ранения, падения с высоты. Все это достигается благодаря специфическому устройству васкулоида и его структурой в целом, и не может быть достигнуто менее радикальными средствами.

Читатели-медики, могут спросить: зачем заменять замечательно функционирующую естественную васкулярную систему человека на неизвестный, сложный искусственный орган; тем более, что человечество на сей день не испытывало таких устройств в действии. На этот хороший вопрос есть несколько ответов.

Во-первых, медики-скептики должны понимать, что васкулоид – очень умная наномедицинская система. Он не может быть изготовлен без наличия продвинутой молекулярной нанотехнологии. Пройдет еще несколько десятилетий, пока современная наноинженерия накопит достаточно опыта в изготовлении таких сложных устройств, работающих внутри человеческого тела. В «наномедицинском будущем» применение васкулоида станет обычной операцией. Так было с развитием компьютерной техники. С 1950 – х годов, когда использование вакуумных ламп было повседневным опытом, ожидалось развитие транзисторной техники. И вот, на сегодняшний момент, мощность ноутбука в 1GHz PentiumIII никого не удивляет. Прогноз Артура Кларка [13] на 2002 год сбылся! В наномедицинской эре применение васкулоида будет желанием самого пациента совместно с учетом консультаций врачей.

В заключение в статье [3] говорится:

«В конце концов, с начала эволюционирования человека, тело существовало для поддержания функционирования головного мозга, а не для репликации генного набора (что было парадоксом древних [14, 15]). И, кажется, что более компактная версия предложенного устройства сможет работать независимо ото всех тканей, не связанных напрямую с кровеносной системой. Поэтому васкулоид представляет собой систему, оставляющую биологическое развитие человека на том же уровне и, в то же время, завершает его естественную биологическую эволюцию».

Ссылки на литературу:

Robert A. Freitas Jr., Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes Bioscience, Georgetown, TX, 1999; http://www.nanomedicine.com/

Christopher J. Phoenix, "Early Nanotech Project: Replace Blood?" sci.nanotech posting on 14 June 1996; http://discuss.foresight.org/critmail/sci_nano/2273.html or http://crit.org/critmail/sci_nano/2273.html

Robert A. Freitas Jr., Christopher J. Phoenix, "Vasculoid: A personal nanomedical appliance to replace human blood," Journal of Evolution and Technology, 11(April 2002); http://www.transhumanist.com/volume11/vasculoid.html, http://www.transhumanist.com/volume11/vasculoid.pdf

Robert A. Freitas Jr., "Microbivores: Artificial Mechanical Phagocytes using Digest and Discharge Protocol," Zyvex preprint, March 2001; http://www.zyvex.com/Publications/articles/Microbivores.html. See also: Robert A. Freitas Jr., "Microbivores: Artificial Mechanical Phagocytes," Foresight Update No. 44, 31 March 2001, pp. 11-13; http://www.imm.org/Reports/Rep025.html

Robert A. Freitas Jr., "Exploratory design in medical nanotechnology: A mechanical artificial red cell," Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. 26(1998):411-430; http://www.foresight.org/Nanomedicine/Respirocytes.html

K. Eric Drexler, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Press/Doubleday, New York, 1986; http://www.foresight.org/EOC/index.html

Robert A. Freitas Jr., "Vasculocytes," unpublished document, 14 September 1996; http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Species/Vasculocytes.html

Robert A. Freitas Jr., "Clottocytes: Artificial Mechanical Platelets," Foresight Update No. 41, 30 June 2000, pp. 9-11; http://www.imm.org/Reports/Rep018.html

Amy L. Decatur, Daniel A. Portnoy, "A PEST-like sequence in listeriolysin O essential for Listeria monocytogenes pathogenicity," Science 290(3 November 2000):992-995.

S. Majumdar, H. Kaur, H. Vohra, G.C. Varshney, "Membrane surface of Mycobacterium microti-infected macrophages antigenically differs from that of uninfected macrophages," FEMS Immunol. Med. Microbiol. 28(May 2000):71-77.

P.M. Allen, D.I. Beller, J. Braun, E.R. Unanue, "The handling of Listeria monocytogenes by macrophages: the search for an immunogenic molecule in antigen presentation," J. Immunol. 132(January 1984):323-331; P.M. Allen, E.R. Unanue, "Antigen processing and presentation by macrophages," Am. J. Anat. 170(July 1984):483-490.

Cindy Belles, Alicia Kuhl, Rachel Nosheny, Simon R. Carding, "Plasma membrane expression of heat shock protein 60 in vivo in response to infection," Infect. Immun. 67(August 1999):4191-4200; http://iai.asm.org/cgi/content/full/67/8/4191?view=full&pmid=10417191

Arthur C. Clarke, Profiles of the Future, Harper and Row Publishers, New York, 1962.

Charles Darwin, The Origin of Species by Means of Natural Selection, 1859; definitive 6th London edition: http://www.literature.org/authors/darwin-charles/the-origin-of-species-6th-edition/

Edward O. Wilson, Sociobiology: The New Synthesis, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1975.