Насекоми и хирургия

Брой № 2 (70) / април 2023, Пулмологични проблеми в педиатрията

Използвани съкращения

 

НБК – недребноклетъчен белодробен карцином

РАРП - роботно-асистирана радикална простатектомия

CLSM - конфокална лазерна микроскопия

µCT - компютърна рентгенова томография

MIS - минимално инвазивна хирургия

RAS - роботно-асистирана хирургия

SEM - сканираща електронна микроскопия

 

 

Забележително свойство на ентомологията – науката, изучаваща насекомите, е възможността за практическата ѝ интеграция в живота ни. Както много други науки, тя не рамкира изследванията в един ограничен набор от приложения, а се разпростира в особено богат спектър от полезни практики в много други научни направления. Основно предизвикателство пред възприемането на комплексността на ентомологията е не само в реализирането на пространната ѝ изследователска парадигма, но и нивото на информираност спрямо ролята на насекомите за човека в глобален мащаб. Настоящото проучване предлага интердисциплинарен поглед върху насекомите през призмата на ролята им в хирургията. Важността на насекомите в медицински контекст е утвърдена чрез директна интерпретация на документирани от автора анатомични структури и функционалните им механически проявления, наблюдавани у особено редки видове насекоми за българската и европейската фауна. По този начин са представени емпирично аргументирани предложения за потенциална интеграция на конкретни примери за биомеханичен дизайн в роботизирани хирургични системи.

 

 

Повече за наблюдението като основно методологично преимущество

 

То е неизбежен основен старт, дори на най-смелото научно начинание. Неговото направляване има два задължителни атрибута, които качествено влияят на интерференциите от едно изследване, а именно задълбоченост и безпристрастност на първичното наблюдение. Само тогава се раждат състоятелни хипотези, които водят до съвсем очакван напредък. При деконструиране на общите методологии на изследване остава едно предопределящо мисловно пространство от критично значима важност. В него се намират интерпретационната интелигентност и правилно зададеният диапазон на сложност. Когато са изпълнени взискателни критерии спрямо очертаването на тези граници, това са ясни знаци за буден изследователски дух, здраво залавяне за реални обстоятелства и находчиво извличане на полезната информация от дадено наблюдение. Човечеството е изправено пред единствената логична перспектива да следва миметичен подход спрямо собственото си развитие. Внимателно насоченият поглед към природата дава така необходимата рационална свобода на мисълта за иновация.

 

 

Роботизирана хирургия

 

Минимално инвазивните хирургични интервенции (MIS) са категоризирани като добра алтернатива на стандартните процедури при определени индикации, съобразно утвърдените препоръки за приложение. MIS все по-често се осъществяват чрез употребата на роботно-асистирана хирургия (RAS). Информацията за предимствата от използването ѝ убедително се разширява.1 Анализ на ретроспективно събрани данни за пациенти в периода януари 2010 – декември 2017 г., претърпели белодробна резекция чрез роботизирана апаратура в Университетската болница в Пиза, показва високата степен на успеваемост на този оперативен метод при високорискови пациенти с НБК2. Обещаващо е приложението в ректалната хирургия3. Достъпните на пазара цялостни RAS системи в серийно производство, като Da Vinci®, Sentence® и MicroSurge® се използват за най-различни хирургически интервенции, например лапароскопски MIS, включително и РАРП.4 Особено интиругващо е, че RAS намира своето място в неврохирургията1. Освен по-кратък болничен престой, този метод осигурява по-бързо и ефективно постоперативно възстановяване4. Информираността за ефикасността на RAS при минимално-инвазивни операции пряко зависи и от системното отразяване и съхранение на пациентски данни за употребата ѝ.3 Перспективата пред тази технология е единствено на разрастване, направлявано от необходимостта за подобряване на инструменталната точност, миниатюризация, повече интуитивен контрол за оператора и намаляване на разходите за RAS като цяло – тенденции, които са вече обусловени от наличието на конкурентоспособен пазар и нуждата от обновяване на патентите за такава апаратура.5

 

 

Анатомията на насекомите в хирургията — предизвикателства и обзор на досегашните постижения

 

Акцентът основно пада върху проектирането на насекоми-киборги, употребата на които е предмет на интензивни етични дискусии, които се простират далеч извън границите на хирургията6. Използването на материали със специфични електростатични и подходящи еластични свойства се използват за синтетично конструиране на насекомната биомеханика7. Тъй като насекомите представляват своеобразни анатомични модели, пресъздавани в роботиката чрез симулация на моторно-двигателните свойства на анатомичните им структури, то следва да се разглежда както цялостната им анатомична конфигурация, така и детайли за индивидуални органи и структури, потенциално приложими в хирургията8.

 

Концепцията за интеграция на насекомна анатомия в хирургията би могла да се отнася до проектирането на специфични инструментални приспособления за прецизна оперативна манипулация на тъкани в съчетание с ендоскопско наблюдение. Разрастването на минимално инвазивната хирургия е пряко свързано с изпълнението ѝ от RAS системи. От своя страна, това е предизвикателство за усъвършенстване на манипулацонните ефектори, които притежава дадена RAS система. Необходимостта от миниатюризацията им е от първостепенна важност за качествения изход от дадена интервенция. Освен това, добавена мултифункционалност на ефекторите би позволила още по-голяма широта на операционни възможностти с повишена точност. Това би било възможно чрез транслирането на вече един еволюционно реализиран от природата механичен дизайн при насекомите на езика на роботиката. За интегрирането на този сложен процес в хирургията се изискват добри първични наличности на данни от страна на ентомологията. Някои слоеве на ентомологично познание са особено трудно достижими, когато изследваните насекоми не са подлагани на системно и задълбочено изучаване във времето. Поради този факт придобиването на конкретни анатомични познания изисква не само документиране на индивида и наблюдения върху поведението – отговорни и времеемки инициативи, но и видово-специфична конкретизация. Такава много често отсъства дори в сферата на първичния източник на информация (ентомологията). Когато липсва „суровина“ от данни, която да се оценява на база уместна съотносимост към употребяем хирургичен дизайн, са налице пречки за целеустременото прототипиране.

 

Към гореописаните обстоятелства се добавя един риск – това, което може да се дефинира като унилатералност в изследванията. С други думи, емитиране на проучвания в пространството без визия как да са качествено транспонирани във времето чрез находчиви интердисциплинарни взаимовръзки, за да придобият добре адаптирано практическо приложение. Това е смисълът на абстрактния поглед над дадена тема – мултифункционалната ѝ разработка. Впечатляващата биомеханика на насекомите може да се интегрира в иновация, която утре да спаси човешки живот. Това налага функционално свързани помежду си дисциплини да прилагат принципи на научна приемственост. Пример за полезна хирургична разработка, вдъхновена от насекомо, към момента е трудът на Sakes et al.9.В него е предложена алтернатива на познатия досега метод на аспирационен тъканен транспорт при MIS. За модел е използвана конкретна анатомична особеност на оси от семейство Ichneumonidae – яйцеполагалото на женските. Действието и вътрешното му устройство първоначално са дали идеята за самоходни хирургични игли, които използват принцип на повърхностна фрикция за навлизане в тъканите. С течение на времето е взето решение този дизайн да бъде инвертиран – вместо преминаване на игловата система през тъканите, тъканите да бъдат извличани посредством тубуларен уред чрез същия принцип на повърхностна фрикция. През 2020 г. авторите излагат като сериозна причина за този свой експеримент проблемите на досегашния метод на тъканен транспорт, разчитащ на всмукване чрез разлика в налягането. Необходимостта от дълбоко проникване в организма налага голямата дистанция от аспириращия механизъм до зоната на интервенция и така възниква загуба на налягане и съответно неуспешно извличане на тъкани. Друг проблем представляват и увредите на здрави тъкани в процеса на операция, а целта е точно обратната – максимално бърза екстракция с минимални щети. Така Sakes et al. излагат медицински-аргументирано предложение, позовавайки се на анатомичен белег у насекомо.

 

Mantispa aphavexelte принадлежи към слабо познатото семейство Mantispidae (разред мрежокрили – Neuroptera, тривиално име на английски език “mantidfly”). Въпреки че по визия напомня на богомолка, приликата е единствено свързана с хищния тип предни крака (възрастните индивиди от сем. Mantispidae са дребни, с размах на крилата около 20 mm). Mantispa aphavexelte е активно ловуващ хищник и се храни с други дребни насекоми. Привлечен от ултравиолетова светлина през нощта, в такова състояние на активност попада в директно съприкосновение с други насекоми. Това обстоятелство позволява непосредствено документиране на хранителните му навици. Улавянето на храна се осъществява чрез светкавична атака с видоизменения тип предни крайници. Нагледните им биомеханични свойства разкриват високо ниво на подвижност.

 

 

 

Mantispa aphavexelte (18.viii.2022, 23:17:12; 43°28‘N, 23°56‘E).

Индивидът е привлечен от светлинна ловилка (125W живачна лампа) и заснет непосредствено до нея, където се храни с други дребни насекоми.

Mantispa aphavexelte (U. Aspöck & H. Aspöck, 1994)

 

 

По-светлата линия представлява фрактура на хитиновата кутикула, която не повлиява на биомеханичните свойства на предния крак. Това е доказателство за издръжливостта на екзоскелета, предпазващ мускулите, които продължават да функционират правилно дори и при наличие на структурно нарушение в крака. Наблюдаваната ставна ротация позволява прецизен контрол над позицията на храната спрямо устния апарат. Възможността за независима координация на предните крака в процеса на хранене е важен елемент от евентуално снемане на този биомеханичен дизайн за хирургични цели. Насекомото прецизира ротацията на предния крайник, за да извърши фино позициониране на обект с размер в милиметровия диапазон — една убедителна основа за аналогия с роботизирана конструкция. Това наблюдение е в съотвестствие с едно необходимо условие за подобряване и проектиране на нови RAS системи – миниатюризацията.

 

 

 

Фиг. 1. Mantispa aphavexelte (18.viii.2022, 23:15:16; 43°28‘N, 23°56‘E) Латерален изглед на ключови екстернални биомеханични елементи на предните крайници: коксално-трохантерната става (а) подсигурява различни ъгли на ротация (б) на фемура (в) спрямо коксата (г). Върху коксата се наблюдава по-светла диагонална линия, която не е част от окраската

 

 

 

 

Фиг. 2. Mantispa aphavexelte (18.viii.2022, 23:17:55; 43°28‘N, 23°56‘E) отстояние на предните крайници от контактната повърхност (а) при активно носене на товар; (б) увеличение на ъгъла между коксата и фемура при хранене – допълнителен детайл за флексибилността на коксално-трохантерната става

 

 

 

 

Фиг. 3. Mantispa aphavexelte (18.viii.2022, 23:15:52; 43°28‘N, 23°56‘E). Дорзален изглед на ключови екстернални биомеханични елементи: коксално-трохантерната става и ротацията ѝ (а); отстояния между коксата, както и проторакса от контактната повърхност (б, в). Силно удълженият проторакс (г) е важна опора на цялата биомеханична конструкция на предните крака, подпомагана от ходещ тип крака

 

 

 

 

Фиг. 4. Mantispa aphavexelte (18.viii.2022, 23:17:12; 43°28‘N, 23°56‘E). Мислена линия (a), успоредна на коксата; видимо отстояние между предния крак и контактната повърхност (б); коксално-трохантерната става (в) позволява фемурът да се ротира назад. Суббазалният шип (г) е допълнителен блокиращ механизъм като добавка към здравия захват и притискането на плячката към антеровентралните шипове (д) от тибията (е).

 

 

 

 

Rainieria calceata (23.vi.2021, 11:57:17; 43°28‘N, 23°56‘E)

 

 

 

 

Фиг. 5. Rainieria calceata (23.vi.2021, 11:57:17; 43°28‘N, 23°56‘E) демонстрирация на изключителна флексибилност на ставните връзки на предните крайници (а, б, в); последната част от крака (г), състояща се от тарзомери, завършва с крайна структура – пулвилус (д)

 

 

 

В научния журнал „Зооморфология“ присъства един източник, разискващ интерналната мускулна структура на насекомо от сем. Mantispidae – Manstispa styriaca10. Авторите разглеждат такава фино синхронизирана система от артикулиращи елементи в светлината на една еволюционно напреднала система за хранене. Например предложеното наличие на „катапултен“ механизъм при затвяране на тибията към антеровентралните шипове на фемура при атака над плячка подтиква към размисли за крайниците като усъвършенствани приспособления за гарантиране на оцеляването на насекомото. Посредством SEM, µCT и CLSM авторите визуализират екстернални микродетайли и установяват разлики в материалните свойства на артикулиращи интернални мускулни елементи.

 

Този задълбочен зоологичен труд за функционалната морфология на Mantispa styriaca от 2021 г. има дескриптивен характер. Така представеният анализ генерира съвсем заслужена фасцинация около биомеханичната еволюция на Mantispa styriaca и сем. Mantispidae като цяло, но никъде в този морфологичен анализ не се долавя препратка към пренасяне на механичен дизайн в други науки. Въпреки че са особено познати, дори богомолките не са подлагани на изчерпателен биомеханичен анализ на предните крайници, подчертават авторите10.

 

Задълбочените проучвания в сферата на роботиката аргументират копирането на насекомния мускулен дизайн като особено уместно поради йерархичната структура на мускулите, съществено различаваща се от мускулните системи на гръбначните организми – в полза на насекомите7.

 

Всичките наблюдавани механични действия, извършвани от Mantispa aphavexelte, са заснети, докато насекомото е застанало върху вертикална равнина (стена в близост до светлинната ловилка). От фотографиите е видно, че ходещият тип крака са достатъчно надеждна опора за цялото телесно тегло на насекомото. Те го държат в изправено положение – показателен факт за здравината на прикрепване между повърхността на стената и микроанатомичната структура, която обезпечава захвата, наречена пулвилус – микроскопична прилепваща плочица11. Тя е механизмът на стабилно прикрепване на краката към разнообразен тип повърхности, включително и гладки, за много разреди насекоми – това подсигурява сигурно движение без подхлъзване и падане11. Прилепването се осъществява освен чрез механическото съвършенство на пулвилуса, така и чрез секреция на специфично „лепило“, чийто състав е подложен на изследвания за седемточковата калинка (Coccinella septempunctata)12. Сложната система на прикрепване, както и пресъздаване на „лепилото“, участващо в този процес, са представени чрез иновативна комбинация между тензиометрични и спектроскопски методи на изследване през 2021 г.13

 

Тези проучвания няма как да дадат точен отговор дали тези секреции са видово-оптимизирани и какви са разликите, особено при редки видове насекоми. Забележителната стабилност на Mantispa aphavexelte на отвесна повърхност провокира въпроси около свойствата и здравината на това „лепило“. Гореспоменатите изследвания от 2021 г.13 валидират необходимостта от допълнително изследване на тези сложни структури и възможността за видово-специфичния им принцип на действие.

 

Жизненоважната релация с хирургията се определя от необходимостта от синтезиране на все по-усъвършенствани, т.нар. „биомиметични“ лепила, които предлагат хирургически издържани свойства (биологично разтворими компоненти, надеждност, съвместимост с човешкия организъм)14.

 

Разред Diptera (същински мухи) включва един забележителен, нативен за Европа представител от семейство Micropezidae – Rainieria calceata. Това е много рядък вид на територията на целия континент, както и в България, с все още слабо изучени механизми на разпространение и популационна динамика.15 Малка популация е документирана, изследвана и преброена в България през 2021 г. след спорадична поява на един индивид през 2020 г. За 2022 г. е зарегистриран само един индивид, както през 2020 г. Мухата е стриктно асоцииран с непокътнати гористи хабитати вид, където има условия за естествено разлагане на дървесина от стари дървета. Ларвите я използват за храна и изследванията за наличието на мухата са значими поради факта, че насекомото е важен биоиндикатор — както богатство за фауната ни, така и стратегически важно за категоризиране на даден хабитат като ценен.15

 

Извън екологичната си значимост, това непознато за българската фауна насекомо освен удивителна механична флексибилност, отново подчертава вече изложената тема за прилепване към гладки повърхности. Временно индивиди от наблюдаваната популация са отглеждани в изкуствени условия и после пуснати в природата. Способността им да ходят свободно по стъкло не е особено изненадваща, тъй като много насекоми правят това с лекота16. Необикновената артикулация на ставните връзки обаче поражда допълнителни въпроси за високоефективната употреба на контактното „лепило“. За Rainieria calceata в научната литература отсъства визуализация на пулвилуса чрез микрографски изследвания. Освен това, механизмът на прилепване на пулвилуса към даден субстрат е всъщност процес, разискван в наноскалата. Нанотехнологията е бъдещето на MIS, особено когато е нужна точност. Изучаването на спецификата на секретираните прикрепващи агенти от насекомите едва набира скорост. По своята същност това сложно закреп-ване се базира на вече налични в природата нанотехнологии. Използването им се увеличава, а перспективата за усъвършенстване в тази област е широка, например в ортопедната хирургия17.

 

 

Финални послания към медицинската практика

 

Изложената информация от проучването е нов старт на интердисциплинарна взаимовръзка между ентомологията и хирургията. Такова ниво на конкретизация до този етап не е представяно в световната научна литература. Настоящото изследване на морфологичните структури у насекоми и механичната им артикулация поставя началото на новаторски метод за трансфер на емпирично установени доказателства за биомеханични конфигурации у насекомите към напредъка на RAS системи. Изключително редките видове насекоми Mantispa aphavexelte и Rainieria calceata никога не са били в полезрението на български ентомолози, а в Европа изследванията върху тях се свеждат единствено до броене и повидов таксономичен опис. Тази първа стъпка е стабилна основа за разгръщане на цялостна медицински-ориентирана концепция, фокусирана над целево изследване на механични микро и ултраструктури у насекомите чрез SEM, µCT, CLSM и други съвременни методи за визуализация. Чрез по-нататъшно събиране на такива данни би било възможно прерастване на изложените предложения в реални технологични разработки, целящи да подпомогнат човешкото здраве.

 

 

Литература:

 

  1. Secoli R., Matheson E., Pinzi M., et al. 2022. Modular robotic platform for precision neurosurgery with a bio-inspired needle: System overview and first in-vivo deployment. – PLoS ONE 17(10): e0275686. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0275686
  2. Zirafa C., Romano G., Sicolo E., et al. 2021. Robotic surgery for non-small cell lung cancer treatment in high-risk patients. – Journal of Clinical Medicine 10(19): 4408. https://doi.org/10.3390/jcm10194408
  3. Becker T., Egberts J., Schafmayer C., Aselmann H. 2016. Roboterassistierte Rektumchirurgie: Hype oder Fortschritt?. – Der Chirurg 87(7): 567-572 https://doi.org/10.1007/s00104-016-0220-3
  4. Huynh L., Ahlering T. 2018. Robot-assisted radical prostatectomy: a step-by-step guide. – Journal of endourology 32:(S1): S28–S32. https://doi.org/10.1089/end.2017.0723
  5. Longmore S., Naik G., Gargiulo G. 2020. Laparoscopic robotic surgery: current perspective and future directions. – Robotics 9(2): 42. https://doi.org/10.3390/robotics9020042
  6. Siljak H., Nardelli P., Moioli R. 2022. Cyborg Insects: Bug or a Feature? – IEEE Access 10: 49398-49411. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3172980
  7. Wang H., York P., Chen Y., et al. 2021. Biologically inspired electrostatic artificial muscles for insect-sized robots. – The International Journal of Robotics Research 40(6-7): 895-922 https://doi.org/10.1177/02783649211002545
  8. Quinn R., Ritzmann R. 2018. Principles and mechanisms learned from insects and applied to robotics. – In: Prescott T., Lepora N., Verschure P. (eds). Living machines: A handbook of research in biomimetics and biohybrid systems. Oxford University Press, Oxford, 2018. https://doi.org/10.1093/oso/9780199674923.003.0042
  9. Sakes A, van de Steeg I., de Kater E., et al. 2020. Development of a novel wasp-Inspired friction-based tissue transportation device. – Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8: 575007. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.575007
  10. Büsse S., Bäumler F., Gorb S. 2021. Functional morphology of the raptorial forelegs in Mantispa styriaca (Insecta: Neuroptera). – Zoomorphology 140: 231-241. https://doi.org/10.1007/s00435-021-00524-6
  11. Niederegger S., Gorb S. 2003. Tarsal movements in flies during leg attachment and detachment on a smooth substrate. – Journal of Insect Physiology 49(6): 611-620. https://doi.org/10.1016/S0022-1910(03)00048-9
  12. Fowler J., Franz J., Golbek T., et al. 2021. Surface chemistry of the ladybird beetle adhesive foot fluid across various substrates. – Biointerphases 16(3): 031004. https://doi.org/10.1116/6.0001006
  13. Fowler J., Gorb S., Baio J. 2021. Multi-technique investigation of a biomimetic insect tarsal adhesive fluid. – Frontiers In Mechanical Engineering 7: 681120. https://doi.org/10.3389/fmech.2021.681120
  14. Mazur M., Zakrzewski W., Szymonowicz M., Rybak Z. 2022. Medical adhesives and their role in laparoscopic surgery – a review of literature – Materials 15(15): 5215. https://doi.org/10.3390/ma15155215
  15. Valkov R. 2021. Saproxylic insect fauna – Dasycera oliviella (Lepidoptera: Oecophoridae) seen as a meaningful habitat quality indicator. – Phegea 49(2): 90-95.
  16. Walker, G. 1993. Adhesion to smooth surfaces by insects – a review – International Journal of Adhesion and Adhesives 13(1): 3-7. https://doi.org/10.1016/0143-7496(93)90002-Q
  17. Mariappan N. 2019. Recent trends in Nanotechnology applications in surgical specialties and orthopedic surgery – Biomedical and Pharmacological Journal 12(3). https://dx.doi.org/10.13005/bpj/1739

 

Вашият коментар