Naukowcy z Tufts University i Wyss Institute na Uniwersytecie Harvarda stworzyli maleńkie roboty biologiczne, które nazywają Anthrobotami, z ludzkich komórek tchawicy, które mogą poruszać się po powierzchni i jak stwierdzono, pobudzają wzrost neuronów w obszarze uszkodzenia na szalce laboratoryjnej.
Wielokomórkowe roboty, których rozmiary wahały się od szerokości ludzkiego włosa do końcówki zaostrzonego ołówka, zostały zaprojektowane tak, aby mogły się samoorganizować i wykazano, że mają niezwykły efekt leczniczy na inne komórki. Odkrycie stanowi punkt wyjścia dla wizji badaczy polegającej na wykorzystaniu biobotów pochodzących od pacjentów jako nowych narzędzi terapeutycznych do regeneracji, leczenia i leczenia chorób.
Wyniki pracy wynikają z wcześniejszych badań przeprowadzonych w laboratoriach Michaela Levina, profesora biologii Vannevara Busha w Tufts University School of Arts & Sciences oraz Josha Bongarda na Uniwersytecie w Vermont, podczas których stworzyli wielokomórkowe roboty biologiczne z komórek embrionów żaby zwane Xenobotami, zdolne do poruszania się po korytarzach, zbierania materiałów, zapisywania informacji, leczenia obrażeń, a nawet samodzielnej replikacji przez kilka cykli. Badacze nie wiedzieli wówczas, czy możliwości te zależą od tego, czy pochodzą z embrionu płaza, czy też bioboty można skonstruować z komórek innego gatunku.
W bieżącym badaniu opublikowanym w Advanced Science Levin wraz z doktorantem Gizemem Gumuskayą odkryli, że boty w rzeczywistości można tworzyć z dorosłych komórek ludzkich bez żadnych modyfikacji genetycznych i wykazują one pewne możliwości wykraczające poza to, co zaobserwowano w przypadku ksenobotów. Odkrycie zaczyna udzielać odpowiedzi na szersze pytanie postawione przez laboratorium – jakie zasady rządzą sposobem, w jaki komórki łączą się i współpracują w organizmie oraz czy można je wyrwać z ich naturalnego kontekstu i ponownie połączyć w różne „plany ciała” realizować inne funkcje zgodnie z projektem?
W tym przypadku badacze dali komórkom ludzkim po dziesięcioleciach spokojnego życia w tchawicy szansę na ponowne uruchomienie i znalezienie sposobów tworzenia nowych struktur i zadań. „Chcieliśmy zbadać, co komórki potrafią zrobić poza tworzeniem domyślnych cech w organizmie” – powiedziała Gumuskaya, która zanim zajęła się biologią, uzyskała dyplom z architektury. „Przeprogramowując interakcje między komórkami, można stworzyć nowe struktury wielokomórkowe, analogicznie do sposobu, w jaki kamień i cegła mogą być układane w różne elementy konstrukcyjne, takie jak ściany, łuki czy kolumny”. Naukowcy odkryli, że komórki nie tylko potrafią tworzyć nowe wielokomórkowe kształty, ale mogą poruszać się na różne sposoby po powierzchni ludzkich neuronów hodowanych w naczyniu laboratoryjnym i pobudzać nowy wzrost w celu wypełnienia luk spowodowanych zarysowaniem warstwy komórek.
Nie jest jeszcze jasne, w jaki dokładnie sposób antroboty stymulują wzrost neuronów, ale badacze potwierdzili, że neurony rosły pod obszarem objętym skupionym zespołem antrobotów, które nazwali „superbotem”.
„Zespoły komórkowe, które konstruujemy w laboratorium, mogą mieć możliwości wykraczające poza to, co robią w organizmie” – powiedział Levin, który jest także dyrektorem Allen Discovery Center w Tufts i członkiem wydziału Wyss Institute. „To fascynujące i całkowicie nieoczekiwane, że normalne komórki tchawicy pacjenta, bez modyfikowania swojego DNA, mogą poruszać się samodzielnie i pobudzać wzrost neuronów w obszarze uszkodzenia” – powiedział Levin. „Teraz przyglądamy się, jak działa mechanizm leczenia i zadajemy sobie pytanie, co jeszcze mogą zrobić te konstrukty”.
Do zalet wykorzystania komórek ludzkich należy możliwość konstruowania botów z własnych komórek pacjenta w celu wykonywania pracy terapeutycznej bez ryzyka wywołania odpowiedzi immunologicznej lub konieczności stosowania leków immunosupresyjnych. Wytrzymują tylko kilka tygodni, zanim się rozpadną, więc po zakończeniu pracy można je łatwo ponownie wchłonąć w organizmie.
Ponadto poza ciałem Anthroboty mogą przetrwać jedynie w bardzo specyficznych warunkach laboratoryjnych i nie ma ryzyka narażenia lub niezamierzonego rozprzestrzenienia się poza laboratorium. Podobnie nie rozmnażają się i nie podlegają zmianom genetycznym, dodatkom ani usunieciom, zatem nie ma ryzyka, że wyewoluują poza istniejące zabezpieczenia.
Jak powstają antroboty?
Każdy Anthrobot zaczyna jako pojedyncza komórka pochodząca od dorosłego dawcy. Komórki pochodzą z powierzchni tchawicy i są pokryte włoskowatymi wypustkami zwanymi rzęskami, które falują tam i z powrotem. Rzęski pomagają komórkom tchawicy wypychać drobne cząsteczki, które przedostają się do dróg oddechowych płuc. Wszyscy doświadczamy pracy komórek rzęskowych, kiedy wykonujemy ostatni krok, jakim jest wydalenie cząstek i nadmiaru płynu, poprzez kaszel lub chrząkanie. Wcześniejsze badania przeprowadzone przez innych wykazały, że komórki hodowane w laboratorium spontanicznie tworzą maleńkie wielokomórkowe kulki zwane organoidami.
Naukowcy opracowali warunki wzrostu, które zachęcają rzęski do skierowania się na zewnątrz na organoidach. W ciągu kilku dni zaczęły się poruszać, napędzane rzęskami działającymi jak wiosła. Zauważyli różne kształty i rodzaje ruchu – pierwszy. ważną cechą zaobserwowaną w platformie biorobotycznej. Levin twierdzi, że gdyby można było dodać do antrobotów inne funkcje (na przykład wnoszone przez różne komórki), można by je zaprojektować tak, aby reagowały na otoczenie oraz podróżowały do ciała i pełniły w nim funkcje, lub pomagały w budowaniu zmodyfikowanych tkanek w laboratorium. .
Zespół, z pomocą Simona Garniera z New Jersey Institute of Technology, scharakteryzował różne typy produkowanych antrobotów. Zaobserwowali, że boty można podzielić na kilka odrębnych kategorii kształtu i ruchu, których rozmiary wahają się od 30 do 500 mikrometrów (od grubości ludzkiego włosa do czubka zaostrzonego ołówka), wypełniając ważną niszę pomiędzy nanotechnologią a większymi urządzeniami inżynieryjnymi .
Niektóre były kuliste i całkowicie pokryte rzęskami, a niektóre miały nieregularny kształt lub kształt piłki nożnej z bardziej niejednolitym pokryciem rzęsek lub były po prostu pokryte rzęskami po jednej stronie. Poruszali się po liniach prostych, poruszali się w ciasnych kręgach, łączyli te ruchy lub po prostu siedzieli i wiercili się. Te kuliste, w pełni pokryte rzęskami, były zwykle wigglerami. Antroboty z rzęskami rozmieszczonymi nierównomiernie miały tendencję do poruszania się do przodu na dłuższych odcinkach po prostych lub zakrzywionych ścieżkach. Zwykle przeżywały około 45-60 dni w warunkach laboratoryjnych, zanim uległy naturalnej biodegradacji.
„Antroboty same gromadzą się w naczyniu laboratoryjnym” – powiedziała Gumuskaya, twórczyni Anthrobotów. „W przeciwieństwie do ksenobotów, nie wymagają pęsety ani skalpela, aby nadać im kształt, a zamiast komórek embrionalnych możemy używać dorosłych komórek – nawet komórek starszych pacjentów. Jest to w pełni skalowalne – możemy produkować roje tych botów równolegle, co stanowi dobry początek opracowania narzędzia terapeutycznego”.
Mali Uzdrowiciele
Ponieważ Levin i Gumuskaya ostatecznie planują stworzenie Anthrobotów o zastosowaniach terapeutycznych, stworzyli test laboratoryjny, aby zobaczyć, jak boty mogą leczyć rany. Model polegał na wyhodowaniu dwuwymiarowej warstwy ludzkich neuronów, po której po prostu drapiąc tę warstwę cienkim metalowym prętem, utworzono otwartą „ranę” pozbawioną komórek.
Aby zapewnić, że luka będzie wystawiona na działanie gęstej koncentracji Anthrobotów, utworzyli klaster „superbotów”, który naturalnie tworzy się, gdy Anthroboty są zamknięte na małej przestrzeni. Superboty składały się głównie z krążących i wigglerów, więc nie oddalały się zbyt daleko od otwartej rany.
Chociaż można się spodziewać, że potrzebne będą modyfikacje genetyczne komórek Anthrobotów, aby pomóc botom pobudzić wzrost neuronów, co zaskakujące, niezmodyfikowane Anthroboty wywołały znaczny odrost, tworząc most neuronów tak gruby jak reszta zdrowych komórek na płytce. Neurony nie rosły w ranie tam, gdzie nie było antrobotów. Przynajmniej w uproszczonym świecie naczyń laboratoryjnych 2D zespoły Anthrobotów sprzyjały skutecznemu gojeniu żywej tkanki nerwowej.
Zdaniem naukowców dalszy rozwój botów może prowadzić do innych zastosowań, w tym do usuwania osadów w tętnicach pacjentów z miażdżycą, naprawy uszkodzeń rdzenia kręgowego lub nerwu siatkówki, rozpoznawania bakterii lub komórek nowotworowych czy dostarczania leków do docelowych tkanek. Antroboty mogłyby teoretycznie pomagać w gojeniu tkanek, jednocześnie wytwarzając leki proregeneracyjne.
Tworzenie nowych planów, przywracanie starych
Gumuskaya wyjaśniła, że komórki mają wrodzoną zdolność do samoorganizowania się w większe struktury w określony sposób. „Komórki mogą tworzyć warstwy, składać się, tworzyć kule, sortować i rozdzielać według typu, łączyć się ze sobą, a nawet poruszać” – powiedziała Gumuskaya. „Dwie istotne różnice w porównaniu z nieożywionymi cegłami polegają na tym, że komórki mogą komunikować się ze sobą i dynamicznie tworzyć te struktury, a każda komórka ma zaprogramowane wiele funkcji, takich jak ruch, wydzielanie cząsteczek, wykrywanie sygnałów i nie tylko. Właśnie zastanawiamy się, jak to zrobić połączyć te elementy, aby stworzyć nowe plany i funkcje organizmu biologicznego – inne niż te występujące w naturze.”
Korzystanie z nieodłącznie elastycznych zasad składania komórek pomaga naukowcom konstruować boty, ale może także pomóc im zrozumieć, w jaki sposób składają się naturalne plany ciała, w jaki sposób genom i środowisko współpracują, tworząc tkanki, narządy i kończyny oraz w jaki sposób przywracać je zabiegami regeneracyjnymi.