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将人体细胞转变为小型生物机器人

将人体细胞转变为小型生物机器人

机器人出现时,颜色很深,有一圈纤毛为机器人提供运动。 图片来源:Gizem Gomoskaya,塔夫茨大学

多细胞机器人可以移动并帮助治愈培养神经元中产生的“伤口”。

塔夫茨大学和哈佛大学维斯研究所的研究人员利用人类气管细胞创造了一种微型生物机器人,他们称之为“机器人”,可以在表面移动,并且被发现可以促进实验室培养皿中受损区域神经细胞的生长。

这些多细胞机器人的尺寸从人类头发的宽度到铅笔尖的宽度不等,被设计用于自组装,并已被证明对其他细胞具有显着的治愈效果。 这一发现是研究人员利用源自患者的生物机器人作为再生、治愈和治疗疾病的新治疗工具的愿景的起点。

有纤毛的机器人

人类气管皮肤细胞自组装成多细胞运动细胞器,称为 anthermos。 这些图像显示了一个机器人,其表面(黄色)纤毛以不同的图案分布。 纤毛的表面图案与不同的运动模式相关:圆形、振荡、长曲线或直线。 图片来源:Gizem Gomoskaya,塔夫茨大学

从异种机器人到人类机器人:生物生物学的飞跃

这一进展建立在塔夫茨大学艺术与科学学院万尼瓦尔·布什生物学教授迈克尔·莱文和佛蒙特大学乔什·邦加德实验室之前的研究基础上,他们利用青蛙胚胎细胞创造了称为“xenobots”的多细胞生物机器人,能够导航通道、收集材料、记录信息、治愈自己的伤害,甚至可以自己重复几个回合。 当时,研究人员不知道这些能力是否取决于它们源自两栖动物胚胎,或者是否可以用其他生物体的细胞构建生物机器人。 分类

在当前发表的研究中 先进科学Levin 和博士生 Gizem Gomoskaya 发现,机器人实际上可以由成人细胞制造而成,无需进行任何基因改造,并且它们展示了一些超出 Xenobots 观察到的能力。 这一发现开始回答实验室提出的一个更广泛的问题:控制细胞如何在体内组装和协同工作的规则是什么,细胞是否可以脱离其正常环境并重新组装成人体不同的形成“计划” ? 按照设计实现其他功能?

探索人类机器人的能力

在这种情况下,研究人员给了在气管中静止数十年后的人类细胞一个重新启动的机会,并找到创建新结构和任务的方法。 “我们想探索细胞除了在体内创造虚拟特征之外还能做什么,”在进入生物学领域之前获得建筑学学位的古莫斯卡亚说。 “通过重新编程细胞之间的相互作用,可以创建新的多细胞结构,类似于石头和砖块可以排列成不同结构元素(例如墙壁、拱门或柱子)的方式。” 研究人员发现,这些细胞不仅可以创造新的多细胞形式,而且可以在实验室培养皿中生长的人类神经元表面以不同的方式移动,并促进新的生长来填补因刮擦细胞层而造成的间隙。

目前尚不清楚机器人如何促进神经元的生长,但研究人员证实,神经元在机器人集群覆盖的区域下生长,他们称之为“巨型机器人”。

“我们在实验室中构建的细胞群具有超出它们在体内的功能,”莱文说,他也是塔夫茨大学艾伦发现中心的主任,也是维斯研究所的副教员。 “令人惊奇且完全出乎意料的是,患者的气管细胞是正常的,没有任何改变 脱氧核糖核酸“它可以自行移动并促进受损区域神经细胞的生长,”莱文说。 “我们现在正在研究治愈机制如何发挥作用,并询问这些组合还能做什么。”

Gizem Gumoskaya 机器人

吉泽姆·古莫斯卡亚 (Gizem Gumoskaya) 在实验室工作,制造机器人。 图片来源:Gizem Gomoskaya,塔夫茨大学

使用人类细胞的优点包括能够利用患者自身的细胞构建机器人来执行治疗工作,而无需触发免疫反应或需要免疫抑制剂的风险。 它们只能维持几周的时间就会分解,因此在完成工作后很容易被人体重新吸收。

此外,在体外,机器人只能在非常特定的实验室条件下生存,并且不存在实验室外暴露或意外传播的风险。 同样,它们不会繁殖,也没有基因修饰、添加或删除,因此不存在它们进化超出既定保障措施的风险。

机器人是如何制造的?

每个机器人都是从一个来自成年捐赠者的单个细胞开始的。 这些细胞来自气管表面,覆盖着毛茸茸的突起,称为纤毛,来回波动。 纤毛帮助气管细胞推动小分子进入肺部气道。 当我们通过咳嗽或清喉咙排出多余颗粒和液体的最后一步时,我们都会经历睫状细胞的作用。 其他人之前的研究表明,当细胞在实验室中生长时,它们会自发形成称为细胞器的小型多细胞球体。

研究人员开发了鼓励纤毛在类器官上面向外的生长条件。 几天之内,它们开始在像桨一样工作的纤毛的推动下移动。 他们注意到不同形式和类型的运动——第一个。 在生物机器人平台中观察到的一个重要特征。 莱文说,如果可以为机器人添加其他功能(例如,由不同的细胞提供),它们可以被设计为响应环境、移动到身体并执行其功能,或者帮助在实验室中构建工程组织。 。

该团队由西蒙·卡尼尔 (Simon Garnier) 协助 新泽西理工学院已生产的不同类型的机器人是有区别的。 他们指出,机器人的形状和运动可分为几个离散的类别,尺寸范围为 30 至 500 微米(从人类头发的厚度到削尖的铅笔的尖端),填补了纳米技术和大型工程之间的重要空白设备。 。

有的呈球形,完全被纤毛覆盖,有的呈不规则形或足球形,纤毛覆盖不完全,或仅一侧被纤毛覆盖。 他们沿着直线行进,沿着紧密的圆圈移动,将这些动作结合起来,或者只是坐着摇晃。 完全被纤毛覆盖的球形往往会摇摆。 纤毛分布不均匀的机器人往往会沿着直线或弯曲的路径向前移动更长时间。 它们通常在实验室条件下存活 45 至 60 天,然后自然生物降解。

“机器人在实验室培养皿中进行自我组装,”创造这些机器人的戈莫斯卡娅说。 “与 Xenobots 不同,它们不需要镊子或手术刀来塑造形状,而且我们可以使用成体细胞,甚至是老年患者的细胞,而不是胚胎细胞。它是完全可扩展的,因为我们可以并行生产这些机器人群,这是开发工具的良好开端。” 治疗性的。

超级机器人解决了神经间隙问题

一群人形机器人或超级机器人(绿色)刺激被机械剥离的神经元(红色)的生长。 图片来源:Gizem Gomoskaya,塔夫茨大学

机器人:康复和治疗的未来

由于 Levin 和 Gomoskaya 最终计划制造具有治疗应用的人形机器人,因此他们创建了一项实验室测试,以了解机器人如何治愈伤口。 该模型涉及生长人类神经元的二维层,并且通过简单地用细金属棒刮擦该层,他们创造了一个开放的、无细胞的“伤口”。

为了确保该间隙暴露在高度集中的机器人之下,他们创造了“超级机器人”,这是当机器人被限制在一个小区域时自然形成的群体。 超级机器人主要由电路和振荡器组成,因此它们不会距离开放性伤口太远。

尽管可能需要对机器人细胞进行基因改造来帮助机器人促进神经生长,但令人惊讶的是,未经改造的机器人导致了显着的再生,在平板上形成了与其余健康细胞一样厚的神经元桥。 在没有机器人的伤口中,神经元不会生长。 至少在实验室培养皿的简化二维世界中,拟人化群体促进了活体神经组织的有效愈合。

研究人员表示,机器人的进一步开发可能会带来其他应用,包括去除动脉粥样硬化患者动脉中积聚的斑块、修复受损的脊髓或视网膜神经、识别细菌或癌细胞,或者将药物输送到目标组织。 理论上,机器人可以帮助组织愈合,同时还可以施用促再生药物。

细胞计划和再生可能性

戈莫斯卡亚解释说,细胞具有以某些基本方式自组装成更大结构的先天能力。 “细胞可以形成层、折叠、形成球、按类型分类和分离、融合在一起,甚至移动,”古莫斯卡娅说。 “与无生命的砖块的两个重要区别是,细胞可以相互通信并动态地创建这些结构,并且每个细胞都被编程为具有许多功能,例如运动、分子分泌、信号检测等等。我们只是想弄清楚找出如何结合这些元素来制定计划。”以及身体的新生物功能,与自然界中发现的功能不同。

利用细胞组装固有的灵活规则可以帮助科学家制造机器人,还可以帮助他们了解人体的自然计划是如何组装的,基因组和环境如何共同形成组织、器官和四肢,以及细胞如何恢复。 他们接受再生治疗。

参考文献:Gizem Gumoskaya、Pranjal Srivastava 和 Ben J. 的“利用成人体细胞祖细胞自行构建的活体移动生物机器人”。 Cooper、Hannah Lesser、Ben Simgran、Simon Garnier 和 Michael Levine,2023 年 11 月 30 日, 先进科学
DOI:10.1002/advs.202303575

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