Construyendo robots médicos, del tamaño de una bacteria | Bradley Nelson | TEDxZurich

Supimos de la existencia de bacterias hace mas de 300 años, y tenemos muchas mas de ellas en nuestro cuerpo que células humanas, pero hace poco menos de 40 años que nos dimos cuenta de como nadan. Con el descubrimiento de el motor rotatorio de E. coli en 1973, un motor de 45 nanómetros de diámetro, algunos dicen que este increíble mecanismo es la evidencia de Dios, pero es solo un paso en el camino de la evolución. Ahora podemos construir nanorobots que nadan de forma similar a la bacteria de E. coli. Estamos trabajando en el uso de esto para proporcionar fármacos a partes del cuerpo específicas. E. coli por si misma es como un robot: tiene sensores (quimiorreceptores), motores, comunicación a través de caminos guiados de proteínas y software (ADN). Al mirar una bacteria desde esta perspectiva, parece una máquina, incluso una que ojalá podamos duplicar un día. Si las bacterias son sólo máquinas, entonces ¿qué somos?

Brad Nelson es profesor de Robótica y sistemas inteligentes en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) donde su principal tema de investigación es la microrobótica y la nanorobótica enfocado en aplicaciones en Biología y Medicina. Estudió Ingeniería mecánica en la universidad de Illinois en Urbana-Champaign y robótica en la universidad de Minnesota en Carnegie Mellon University. Ha trabajado en Honeywell y Motorola y sirvió como voluntario del Cuerpo de Paz de los Estados Unidos en Botswana, Africa. Fue profesor en la universidad de Illinois en Chicago y de la universidad de Minnesota antes de unirse a la ETH en 2002.

El profesor Nelson fue mencionado en la revista estadounidense "Scientific American 50" que reconoce a los 50 en ciencia y tecnología del año previo, por sus esfuerzos en la manufactura de nanotubos. Su laboratorio aparece en el libro de los Record Guiness por el "Minirobot más avanzado de uso médico". Él ha presidido varias talleres y conferencias internacionales, ha sido el líder del departamento de Mecánica y de ingeniería de procesos de la ETH, como el presidente del ETH Electron Microscopy Center (EMEZ), y es un miembro del Research Council of the Swiss National Science Foundation.

Esta conferencia se dio en un evento TEDx usando el formato de conferencias de TED pero organizado independientemente por una comunidad local. Descubre más en: https://www.ted.com/tedx

Quiero hablarles hoy sobre tres áreas
de la ciencia y la ingeniería

que creo que están convergiendo
de forma bastante interesante.

Soy ingeniero mecánico,

he trabajado en robótica más de 25 años,

he estado en micro y nanotecnologías
durante más de 15 años

y en la última década,
desde que estoy en Zúrich,

he trabajado más de cerca
con biólogos y médicos

y creo que las tecnologías
en las que trabajamos

y nuestra visión del futuro,
tiene implicaciones muy interesantes.

Pero en lugar de hablarles de eso,

lo que les quiero mostrar es un segmento
de un vídeo de Hollywood

que de hecho es casi tan viejo como yo.

(Vídeo)
Hombre: Todas las estaciones, quietas.

(Risas)

(Vídeo) Hombre: Correcto. Inyecta.

"Viaje alucinante", es un clásico.

Me encanta esta película.

Hollywood tiene dos ventajas cuando
crea películas, respecto a un ingeniero:

no se tienen que preocupar por la física,

no tienen que hacer las cosas.

Lo que les quiero enseñar hoy

es una animación hecha para nosotros
por el Discovery Channel.

Visitaron mi laboratorio
hace un año y medio.

Aparecimos en uno de sus programas

y juntaron estos conceptos
de hacia dónde vamos

y en lo que hemos trabajado
durante varios años,

lo que llamamos microrobots,
que inyectamos en el ojo.

aún no lo hemos hecho en un humano,

pero lo inyectamos en el ojo

y usamos campos magnéticos
para guiar el dispositivo a la retina

y realizar ciertas terapias retinales,
por ejemplo, liberar fármacos.

Vieron ahí, en el paciente,

la secuencia de bobinas
electromagnéticas que usamos.

Esto que están viendo es
en el ojo real de un cerdo,

este ojo de cerdo
vino del carnicero esa mañana,

así que no lastimamos
animales al hacer esto.

(Risas)

Lo que ven es que somos capaces de
controlar con precisión el dispositivo,

ese dispositivo mide alrededor de 0.5 mm,

alrededor de 1 mm de largo,
para darles una idea del tamaño.

Y en la siguiente diapositiva,

ven a la izquierda el sistema de bobinas
electromagnéticas que usamos,

con las que hacemos pruebas 'in vivo' .

Hay ocho de estas bobinas,

lo llamamos el OctoMag

y controlamos la corriente
en cada una de ellas con precisión

para guiar al dispositivo
a través de la cavidad ocular

hasta la retina.

Verán uno de nuestros dispositivos
más recientes en la punta del dedo.

A ese en particular,
lo llamamos microrobot;

mide alrededor de 1/3 mm de diámetro,
330 micras de diámetro.

Y nuestras especificaciones de diseño

la razón por la que lo queremos tan fino,

mide como 1,8 mm de largo,

es porque queremos que quepa
dentro de una aguja de calibre 23.

Si cabe en una aguja de 23G
y lo inyectamos en su ojo,

al quitarlo, la punción
no necesita sutura.

Es relativamente no invasiva,

simplemente se pone un poco
de anestesia tópica y listos.

Para inyectar fármacos
para tratar la degeneración muscular

esa aguja, no los microrobots,

debería decir.

Pero ese robot que les acabo de mostrar,
que ven en la yema de un dedo,

es el robot más grande que hacemos.

Mi meta es hacer robots que sean
1000 veces más pequeños que ese,

del tamaño, por ejemplo,
de esta bacteria de E. coli.

Estas bacterias en forma de varilla
miden 1 o 2 micras,

que es como 1/100 del ancho de un cabello.

¿Ven esas colas saliendo de ellos?

Hablaremos de eso después.

Pero antes de que hablemos de bacterias,

les quiero hablar un poco física y
de las restricciones que nos presenta,

así que haremos un experimento mental.

Tomemos un cubo.

Mide un metro por lado

y no necesito una calculadora
para calcularlo.

1 m por 1 m por 1 m es
1 m cúbico, ¿verdad?

Pero si tomo ese cubo y lo encojo a 10 cm,

lo reduzco en un factor de 10,

ese cálculo cambia

porque estoy tomando
un lado por un lado por un lado,

y de repente, se convierte
en 1/1000 de su volumen original,

por lo que las propiedades
que dependen del volumen,

por ejemplo, la masa,

también disminuye en un factor de 1000.

Ahora, si disminuyo 100 veces más,
a 1 cm,

ahora, ha disminuido un millón de veces.

Por tanto, el volumen...

Como dije, el peso,
decrece un millón de veces,

pero también las fuerzas magnéticas
que generamos disminuyen

porque también se escalan
con la masa del objeto.

Por lo que pueden decir:
"Si pesa menos, ¿cuál es el problema?"

Pero ahora, pensemos
en la superfície del cubo.

Tiene 6 caras, cada cara
es 1 m cuadrado.

Hay 6 m cuadrados en ese cubo.

Sobre el volumen de 1,
una proporción de 6.

Pero mientras lo encogemos,
esa área es solo un lado por lado,

por lo que cada vez
que disminuimos en un factor de 10,

la importancia del área de la superficie
aumenta en un factor de 10.

Y eso trae problemas.

No puedo hacer robots

y guiarlos con campos magnéticos
de la forma que se lo mostré con el ojo,

no puedo hacerlos más pequeños
de lo que los he hecho.

Y, ¿cuáles son las implicaciones?

Piensen en un pez y cómo nada un pez.

Un pez mueve la cola hacia atrás
y adelante con movimientos recíprocos.

Empuja la masa de fluido hacia atrás
y moviéndose por sí mismo hacia adelante.

La primera ley de Newton.

También Geoffrey Taylor,
professor en Cambridge,

pensó en esto y publicó artículos
científicos muy importantes en los años 50

e hizo un pequeño pez mecánico solo
para mostrar cómo funcionaría en el agua

y nada justo como lo hubieran imaginado.

Pero si tomo ese pez

o le tomo a Ud., y lo hago
1000 o 10 000 veces más pequeño

y lo pongo en el agua,
de repente, esa agua se sentiría,

a pesar de tener la misma viscosidad,

los efectos de la superficie
o la fuerza del agua

sería mucho más fuerte en Ud.

Y lo que hizo Geoffrey Taylor,

este es un vídeo que hizo en 1960,

es que tomó un contenedor
de algo muy viscoso,

creo en el Reino Unido,
se conoce como "Lyle's Golden Syrup"

y creo que es lo que usó.

Así que tomó su robot,

un pequeño pez mecánico,

lo puso ahí y no va a ningún lado

porque la fuerza del fluido es tan fuerte

y la masa que empuja es mucho menor,

por lo que no se mueve.

Y ese es el problema
cuando disminuimos el tamaño,

es que tenemos que pensar de nuevo
la forma en la que las cosas nadan

y la forma en la que se mueven.

Si Ud. es ingeniero y no sabe
cómo resolver un problema,

¿qué hace?

Va a la naturaleza y piensa:
"¿Cómo lo resolvió la naturaleza?"

La naturaleza resolvió este problema
hace millones, miles de millones de años.

Sabemos que existen paramecios.

¿Ven los espermatozoides a la derecha?

Tienen pequeños cabellos especiales,
llamados cilios,

estos flagelos para los espermas,
como los llamamos,

se mueven de formas muy interesantes.

Antes de 1675 nadie sabía
que estas cosas existían.

Antonie van Leeuwenhoek, en Holanda,
estaba mirando por su microscopio,

y estaba asombrado

de ver un mundo de muchos miles
de pequeños microorganismos nadando,

y escribió una carta a la Royal Society
el año siguiente,

verificaron sus resultados;

la gente estaba asombrada,
de lo que ocurría.

Y lo que van Leeuwenhoek
vio en el microscopio,

era la primera vez que alguien
veía una bacteria.

En este gráfico de uno
de los de forma de varilla,

mide 1 o 2 micrómetros de largo.

Y mientras los ven en el microscopio,

vieron el que les mostré de E. coli,

se darán cuenta que tiene
un pequeño flagelo.

Y mientras lo ven en el microscopio,

lo que ven es este flagelo
que se mueve hacia atrás y adelante,

pero si lo pudieran ver
desde otra perspectiva,

se darían cuenta de que no se mueve
hacia atrás y adelante: está rotando.

Y Howard Berg,

cuando estaba en la Universidad de
Colorado, en los 70, descubrió esto,

y lo que descubrió fue asombroso:

la naturaleza ha inventado
un motor giratorio.

Piénsenlo.

¿En qué otro lugar de la naturaleza
hay un motor giratorio?

Y Howard ha estado en nuestro laboratorio
y nos ha aconsejado qué hacer.

Él les llama "los microrobots
de la naturaleza".

El cuerpo de la bacteria tiene
sensores, quimioreceptores.

Esos quimioreceptores se comunican
con el motor de la parte trasera,

para conducirlo.

También hay software ahí.

El software son los segmentos de ADN
flotando alrededor.

Solo le dicen qué partes hacer

para seguir construyendo
los sensores necesarios.

Y el motor es una estructura fascinante.

Desde que Howard descubrió
estos motores bacterianos en 1973

lo que, por cierto, mucha gente cree que
es evidencia de un diseñador inteligente,

pero no creo que la mayoría
de los biólogos lo crean.

Estos motores están hechos
de 30 a 40 proteínas.

Forman esta estructura

que gira hasta 160
revoluciones por segundo.

Y ven ahí a la derecha, un vídeo
del laboratorio de Howard

de una bacteria fluorescente
nadando a estas velocidades.

Recuerden que el tamaño de
estas bacterias es de 1 o 2 micrómetros.

Vimos esto y pensamos:

"¿Qué podemos aprender de esto?

¿Cómo aprovecharlo?"

Así que aprovechamos nuestra
experiencia en nanotecnología

para construir algo llamado
"bacteria artificial con flagelo".

Todavía no puedo hacer ese motor.

Ese motor mide unos
45 nanómetros de diámetro.

Pero lo que puedo hacer es el flagelo

de un tamaño y forma similar
a esa bacteria.

Y en la parte frontal, a la izquierda,
ven que se ve como una cabeza

y lo que en realidad es,
es una pequeña pieza de imán,

y lo que puedo hacer con ese imán

es generar una rotación
con un campo magnético

y mientras roto ese campo

y estos son campos muy pequeños,

miden unas 1000 veces menos
que un campo de IRM,

empiezan a girar

y mientras gira, avanza hacia adelante,

como el E. coli.

Para darle una idea
de la escala de la que hablamos,

esta es una micrografía de barrido
electrónica de un cabello humano,

mide unos 100 micrómetros de diámetro.

Este es el tamaño
de nuestra bacteria más pequeña,

estas concretamente, miden unos 10 micras,

y este es el tamaño de un eritrocito.

Así que tenemos el doble.

Nuestras bacterias más pequeñas miden
casi 2 veces el tamaño de un eritrocito.

Aquí hay 3 de ellas nadando juntas
como si fueran un enjambre.

Para mí, parecen vivas.

Me emociono cuando hacemos esto, ¿saben?

(Risas)

Por eso hago robótica.

No hay nada más divertido que
construir una máquina y verla moverse.

Notarán que comienzan a ir hacia atrás.

No invertí el vídeo, invertí el campo.

Se puede explorar una dinámica
de fluidos muy interesante

y es bastante interesante.

Una cosa interesante este año fue
cuando estábamos en la librería

seleccionamos un libro Guinness
de los Records del 2012.

y descubrimos que estábamos en él

por el robot médico más pequeño.

(Audiencia) Vítores.

Estar en el libro de Guinness
de los Records es genial,

pero donde quiero llegar

es a ganar una medalla
en las siguientes Olimpiadas,

por lo que desarrollamos
nadadores sincronizados.

(Risas)

Estos son interesantes,

lo que realmente es interesante en ellos

es que están hechos de un polímero.

No son citotóxicos,

no matan células,

de hecho, a las células
les gusta crecer en ellos.

Y hemos desarrollado una nueva tecnología

que nos permite crear
formas bastante arbitrarias,

así que en el siguiente vídeo,
lo que quiero mostrarles

es uno de nuestros dispositivos.

Ponemos una pinza

y lo que puede hacer es andar por ahí
y agarrar estos pequeños...

Estas bolitas miden 6 micras de diámetro,

miden casi lo mismo que un eritrocito,

tomarlos, llevarlos a 3D,
subirlos y bajarlos

y liberarlos usando estas fuerzas fluidas.

También hemos pensado
en otras aplicaciones más serias.

Aquí está uno de nuestros dispositivos.

Lo cubrimos con una molécula
fluorescente llamada calceína.

Esta molécula, la están viendo
en el microscopio de fluorescencia,

esta molécula, en realidad

tiene el mismo peso molecular
que muchos fármacos de quimioterapia.

Y a la izquierda, ven células rojas
manchadas de rojo.

Descubrimos si acercábamos las bacterias
a esas células y se tocaban,

las células tomaban la calceína.

Y esto nos permite, por ahora,
distribuir fármacos a células individuales

y apuntar a células individuales
con esta clase de tecnología.

La otra cosa interesante,

solo le he mostrado algunas,
pero podemos hacer ejércitos de ellas,

podemos hacer miles,

podemos hacer una por segundo.

Hacemos miles y las ponemos en suspensión.

Creo que hay algunas
posibilidades interesantes

para el futuro
hacia dónde puede ir esto.

Volvamos al motor bacterial.

Este es un vídeo del laboratorio Keiichi
Namba en la Universidad de Osaka.

Él y su grupo pasaron años

tratando de entender
la secuencia exacta de proteínas,

cómo se reúnen en este motor rotatorio.

Y aunque no estoy en el punto
en el que puedo hacer el motor,

puedo hacer algunas partes
de este dispositivo

y lo que esperamos es que mientras
avanzamos al futuro y sigamos en esta área

aprenderemos más y más de la naturaleza
a escalas moleculares

y seremos capaces de crear máquinas
que operen similarmente

y bajo principios similares.

He tenido mucha suerte al trabajar
con científicos brillantes,

médicos brillantes,

y cuando estás en la ETH,

la Escuela Politécnica Federal de Zúrich,

soy un ingeniero,

paso por pasillos donde estuvo gente como
Conrad Röntgen, inventor de los rayos X,

Wolfgang Pauli o Albert Einstein.

Es una experiencia humilde,

por lo que tomo un poco de consuelo

en una frase de un famoso ingeniero
aeronáutico de Caltech,

Theodore von Karman,

y von Karman dijo:

"El científico describe lo que es,
el ingeniero crea lo que que nunca hubo".

(Risas)

Bien.

Quiero dejarle con un último pensamiento,

es de Richard Feynman,
el famoso físico de Caltech,

quien dijo:
"Lo que no puedo hacer, no lo entiendo".

(Risas)

Muchísimas gracias.

(Aplausos)