Oamenii de știință de la Universitatea Tufts și de la Institutul Wyss al Universității Harvard au creat roboți biologici minusculi numiți Anthroboti din celule traheale umane care se pot deplasa pe o suprafață și s-a demonstrat că stimulează creșterea neuronilor peste o regiune afectată într-o eprubetă.

Roboții multicelulari, care variază în dimensiune de la grosimea unui fir de păr uman până la vârful unui creion ascuțit, au fost proiectați să se auto-asambleze și s-au dovedit a avea un efect de vindecare remarcabil asupra altor celule. Descoperirea este un punct de plecare pentru viziunea cercetătorilor de a folosi bioboti derivați de la pacienți ca noi instrumente terapeutice pentru regenerare, vindecare și tratament al bolilor.

Lucrarea se bazează pe cercetări anterioare în laboratoarele lui Michael Levin, profesor Vannevar Bush de Biologie la Universitatea Tufts School of Arts & Sciences, și Josh Bongard de la Universitatea din Vermont, în care au creat roboți biologici multicelulari din celule embrionare de broască numiți Xenobots, capabili să navigheze prin pasaje, să colecteze material, să înregistreze informații, să se vindece singure de la accidentare și chiar să se replice pentru câteva cicluri pe cont propriu. La acea vreme, cercetătorii nu știau dacă aceste capacități depindeau de faptul că proveneau din un embrion amfibian sau dacă bioboturile puteau fi construite din celule de alte specii.

În studiul curent, publicat în Advanced Science, Levin, împreună cu studenta doctorandă Gizem Gumuskaya, au descoperit că roboții pot fi în realitate creați din celule umane adulte fără nicio modificare genetică și că manifestă unele capacități dincolo de ceea ce s-a observat cu Xenobots. Descoperirea începe să răspundă unei întrebări mai largi pe care laboratorul a ridicat-o: care sunt regulile care guvernează modul în care celulele se asamblează și lucrează împreună în organism și pot fi celulele scoase din contextul lor natural și recombinate în diferite planuri corporale pentru a îndeplini alte funcții prin proiectare?

În acest caz, cercetătorii au dat celulelor umane, după decenii de viață liniștită în trahee, o șansă să se repornească și să găsească modalități de a crea noi structuri și sarcini.

“Am vrut să investighezăm ce pot face celulele în afară de a crea caracteristici implicite în organism”, a spus Gumuskaya, care a obținut o diplomă în arhitectură înainte de a trece la biologie. “Prin reprogramarea interacțiunilor dintre celule, pot fi create noi structuri multicelulare, analog cu modul în care piatra și cărămida pot fi aranjate în diferite elemente structurale precum ziduri, arcuri sau coloane.”

Cercetătorii au descoperit că nu numai că celulele ar putea crea noi forme multicelulare, dar s-ar putea deplasa în diferite moduri peste o suprafață de neuroni umani cultivați într-o eprubetă și să încurajeze creșterea noua pentru a umple golurile cauzate de zgârierea stratului de celule.

Nu este încă clar exact cum Anthrobotele încurajează creșterea neuronilor, dar cercetătorii au confirmat că neuronii au crescut sub zona acoperită de un ansamblu aglomerat de Anthrobote, pe care le-au numit un “superbot“.

“Ansamblurile celulare pe care le construim în laborator pot avea capacități care depășesc ceea ce fac în organism”,

a spus Levin, care este și directorul Allen Discovery Center de la Tufts și este membru asociat al Institutului Wyss.

“Este fascinant și complet neașteptat faptul că celulele traheale normale ale pacientului, fără modificarea ADN-ului lor, se pot deplasa pe cont propriu și pot stimula creșterea neuronilor peste o regiune afectată”, a spus Levin. “Acum căutăm cum funcționează mecanismul de vindecare și ne întrebăm ce altceva pot face aceste construcții.”

Avantajele utilizării celulelor umane includ posibilitatea de a construi roboți din celulele proprii ale pacientului pentru a efectua lucrări terapeutice fără riscul de a declanșa un răspuns imun sau de a necesita imunosupresoare. Durează doar câteva săptămâni înainte de a se descompune și, prin urmare, pot fi ușor reabsorbite în organism după ce munca lor este terminată.

În plus, în afara corpului, Anthrobotele pot supraviețui doar în condiții de laborator foarte specifice și nu există riscul de expunere sau răspândire neintenționată în afara laboratorului. De asemenea, nu se reproduc și nu au modificări genetice, adăugiri sau ștergeri, astfel încât nu există riscul de a evolua dincolo de măsurile de siguranță existente.

Cum se fac Anthrobotele?

Fiecare Anthrobot începe ca o singură celulă, derivată dintr-un donator adult. Celulele provin de pe suprafața traheei și sunt acoperite cu proiecții asemănătoare firelor de păr numite cili care se mișcă înainte și înapoi. Cilii ajută celulele traheale să împingă particulele minuscule care își găsesc drumul în căile respiratorii ale plămânului. Toți am experimentat munca celulelor ciliate atunci când facem ultimul pas de expulzare a particulelor și a fluidului în exces prin tuse sau prin curățarea gâtului. Studiile anterioare ale altora au arătat că, atunci când celulele sunt cultivate în laborator, acestea se formează spontan în sfere multicelulare minuscule numite organoide.

Cercetătorii au dezvoltat condiții de creștere care au încurajat cilii să se îndrepte spre exterior pe organoide. În câteva zile au început să se miște în jur, propulsați de cili care acționează ca vâsle. Au observat forme și tipuri de mișcare diferite – prima caracteristică importantă observată a platformei de biorobotică. Levin spune că, dacă ar putea fi adăugate alte caracteristici Anthrobotelor (de exemplu, contribuite de celule diferite), acestea ar putea fi proiectate să răspundă la mediul lor și să călătorească și să îndeplinească funcții în organism sau să ajute la construirea de țesuturi inginerizate în laborator.

Echipa, cu ajutorul lui Simon Garnier de la Institutul de Tehnologie din New Jersey, a caracterizat diferitele tipuri de Anthrobote care au fost produse. Au observat că roboții se încadrează în câteva categorii discrete de formă și mișcare, cu o dimensiune cuprinsă între 30 și 500 de micrometri (de la grosimea unui fir de păr uman până la vârful unui creion ascuțit), ocupând o nișă importantă între nanotehnologie și dispozitivele mai mari inginerizate.

Unele erau sferice și complet acoperite cu cili, iar altele erau neregulate sau în formă de minge de fotbal cu o acoperire mai neuniformă a cililor sau acoperite doar cu cili pe o parte. S-au deplasat în linii drepte, s-au mișcat în cercuri strânse, au combinat acele mișcări sau pur și simplu s-au așezat și s-au legănat. Cele sferice complet acoperite cu cili tindeau să fie legănate. Anthrobotele cu cili distribuiți inegal tindeau să se deplaseze înainte pentru perioade mai lungi pe trasee drepte sau curbate. De obicei supraviețuiau aproximativ 45-60 de zile în condiții de laborator înainte de a se biodegrada natural.

“Anthrobotele se auto-asamblează în eprubeta”, a spus Gumuskaya, care a creat Anthrobotele. “Spre deosebire de Xenobots, nu necesită pensete sau bisturiu pentru a le da formă și putem folosi celule adulte – chiar și celule de la pacienți vârstnici – în loc de celule embrionare. Este complet scalabil – putem produce roiuri de acești roboți în paralel, ceea ce este un bun început pentru dezvoltarea unui instrument terapeutic.”

Mici vindecători

Deoarece Levin și Gumuskaya plănuiesc în cele din urmă să creeze Anthrobote cu aplicații terapeutice, au creat un test de laborator pentru a vedea cum ar putea vindeca rănile. Modelul a implicat creșterea unui strat bidimensional de neuroni umani și, pur și simplu prin zgârierea stratului cu o tijă metalică subțire, au creat o “rană” deschisă lipsită de celule.

Pentru a se asigura că golul ar fi expus la o concentrație densă de Anthrobote, au creat “superboti” – un cluster care se formează natural atunci când Anthrobotele sunt limitate la un spațiu mic. Superbotii erau alcătuiți în principal din circleri și legănari, astfel încât să nu rătăcească prea departe de rana deschisă.

Deși s-ar putea aștepta ca modificările genetice ale celulelor Anthrobot să fie necesare pentru a ajuta roboții să stimuleze creșterea neuronală, surprinzător, Anthrobotele nemodificate au declanșat o refacere substanțială, creând un pod de neuroni la fel de gros ca restul celulelor sănătoase de pe placă. Neuronii nu au crescut în rana în care Anthrobotele erau absente. Cel puțin în lumea simplificată 2D a eprubetei de laborator, ansamblurile Anthrobot au încurajat vindecarea eficientă a țesutului nervos viu.

Potrivit cercetătorilor, dezvoltarea ulterioară a roboților ar putea duce la alte aplicații, inclusiv:

• Curățarea depunerilor de placă în arterele pacienților cu ateroscleroză
• Repararea leziunilor nervoase ale măduvei spinării sau retinei
• Recunoașterea bacteriilor sau celulelor canceroase
• Livrarea de medicamente la țesuturile țintă

Anthrobotele ar putea, în teorie, să ajute la vindecarea țesuturilor, în timp ce plasează și medicamente pro-regenerative.

Crearea de noi planuri de proiectare, restaurarea celor vechi

Gumuskaya a explicat că celulele au capacitatea înnăscută de a se auto-ansambla în structuri mai mari în anumite moduri fundamentale.

“Celulele se pot forma straturi, se pot plia, pot face sfere, se pot sorta și separa după tip, se pot fuziona între ele sau chiar se pot mișca”, a spus Gumuskaya. “Două diferențe importante față de cărămizile inanimate sunt că celulele pot comunica între ele și pot crea aceste structuri dinamic, iar fiecare celulă este programată cu multe funcții, cum ar fi mișcarea, secreția de molecule, detectarea semnalelor și multe altele. Abia acum aflăm cum să combinăm aceste elemente pentru a crea noi planuri corporale biologice și funcții – diferite decât cele găsite în natură.”

Profitarea de regulile inerente flexibile ale asamblării celulare ajută oamenii de știință să construiască roboții, dar poate ajuta, de asemenea, la înțelegerea modului în care se asamblează planurile corporale naturale, cum funcționează împreună genomul și mediul pentru a crea țesuturi, organe și membre și cum să le restabilească cu tratamente regenerative.

Concluzie

Descoperirea Anthrobotelor este o realizare semnificativă care are potențialul de a revoluționa medicina regenerativă și tratamentul bolilor. Roboții au o serie de avantaje față de alte abordări, inclusiv faptul că pot fi fabricate din celulele proprii ale pacientului, sunt biodegradabile și nu au potențialul de a evolua dincolo de măsurile de siguranță existente. Cercetătorii se așteaptă ca Anthrobotele să fie testate în studii clinice în viitorul apropiat.

Sursa: https://now.tufts.edu/