Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Cозданы крошечные биологические роботы из клеток трахеи человека

Cозданы крошечные биологические роботы из клеток трахеи человека
Cозданы крошечные биологические роботы из клеток трахеи человека

Исследователи из Университета Тафтса и Института Висса Гарвардского университета создали крошечных биологических роботов, которых они называют Антроботами, из клеток трахеи человека, которые могут перемещаться по поверхности и, как было обнаружено, стимулируют рост нейронов в области повреждения в лабораторной чашке.

Многоклеточные роботы размером от ширины человеческого волоса до кончика заостренного карандаша были созданы для самосборки и, как было доказано, оказывают замечательное целебное воздействие на другие клетки. Это открытие является отправной точкой для видения исследователей по использованию биоботов, созданных пациентами, в качестве новых терапевтических инструментов для регенерации, исцеления и лечения болезней.

Эта работа является результатом более ранних исследований, проведенных в лабораториях Майкла Левина, профессора биологии Ванневара Буша в Школе искусств и наук Университета Тафтса, и Джоша Бонгарда из Университета Вермонта, в которых они создали многоклеточных биологических роботов из клеток эмбриона лягушки, называемых ксеноботами , способными навигации по проходам, сбора материала, записи информации, исцеления от травм и даже самостоятельного воспроизведения в течение нескольких циклов.

В то время исследователи не знали, зависели ли эти способности от того, что они были получены из эмбриона амфибии, или же биоботы могут быть созданы из клеток других видов.

В текущем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, Левин вместе с доктором философии. Студентка Гизем Гумуская обнаружила, что боты на самом деле могут быть созданы из клеток взрослого человека без каких-либо генетических модификаций , и они демонстрируют некоторые возможности, превосходящие те, которые наблюдались у ксеноботов.

Открытие начинает отвечать на более широкий вопрос, который поставила лаборатория: каковы правила, управляющие тем, как клетки собираются и работают вместе в организме, и могут ли клетки быть вырваны из их естественного контекста и рекомбинированы в различные «планы тела» для выполнять другие функции по замыслу?

В данном случае исследователи дали человеческим клеткам после десятилетий спокойной жизни в трахее шанс перезагрузиться и найти способы создания новых структур и задач.

«Мы хотели выяснить, на что способны клетки, помимо создания стандартных функций в организме», — сказала Гумусская, получившая степень в области архитектуры до того, как заняться биологией. «Путем перепрограммирования взаимодействия между клетками можно создавать новые многоклеточные структуры, аналогично тому, как камень и кирпич можно объединять в различные структурные элементы, такие как стены, арки или колонны».

Исследователи обнаружили, что клетки не только могут создавать новые многоклеточные формы, но и могут перемещаться по-разному по поверхности человеческих нейронов, выращенных в лабораторной чашке, и стимулировать новый рост, чтобы заполнить пробелы, вызванные царапаньем слоя клеток.

Как именно Антроботы стимулируют рост нейронов, пока неясно, но исследователи подтвердили, что нейроны росли под областью, покрытой кластерным собранием Антроботов, которое они назвали «суперботом».

«Клеточные сборки, которые мы конструируем в лаборатории, могут обладать возможностями, выходящими за рамки того, что они делают в организме», — сказал Левин, который также является директором Центра открытий Аллена в Тафтсе и ассоциированным преподавателем Института Висса.

«Удивительно и совершенно неожиданно, что нормальные клетки трахеи пациента, не изменяя свою ДНК, могут двигаться самостоятельно и стимулировать рост нейронов в области повреждения», — сказал Левин. «Сейчас мы изучаем, как работает механизм исцеления, и задаемся вопросом, что еще могут делать эти конструкции».

К преимуществам использования человеческих клеток относится возможность создавать ботов из собственных клеток пациента для выполнения терапевтической работы без риска вызвать иммунный ответ или потребовать применения иммунодепрессантов. Они действуют всего несколько недель, прежде чем разрушаться, и поэтому могут легко повторно всасываться в организм после завершения своей работы.

Кроме того, вне тела антропоботы могут выжить только в очень специфических лабораторных условиях, и нет риска заражения или непреднамеренного распространения за пределы лаборатории. Кроме того, они не размножаются, и у них нет генетических изменений, дополнений или удалений, поэтому нет риска их развития за пределами существующих мер безопасности.

Как создаются антропоботы?

Каждый Антробот начинается с одной клетки, полученной от взрослого донора. Клетки происходят с поверхности трахеи и покрыты волосообразными выступами, называемыми ресничками, которые колеблются взад и вперед. Реснички помогают клеткам трахеи выталкивать крошечные частицы, которые попадают в дыхательные пути легких.

Мы все испытываем на себе работу мерцательных клеток, когда делаем последний шаг по удалению частиц и лишней жидкости посредством кашля или полоскания горла. Более ранние исследования других ученых показали, что когда клетки выращиваются в лаборатории, они спонтанно образуют крошечные многоклеточные сферы, называемые органоидами.

Исследователи разработали условия роста, которые побуждали реснички располагаться наружу на органоидах. Через несколько дней они начали передвигаться, приводимые в движение ресничками, работающими как весла. Они отметили различные формы и типы движений — первую важную особенность платформы биоробототехники. Левин говорит, что если бы к Антроботам можно было бы добавить другие функции (например, предоставленные различными клетками), их можно было бы спроектировать так, чтобы они реагировали на окружающую среду, перемещались и выполняли функции в организме или помогали создавать в лаборатории искусственные ткани.

Команда с помощью Саймона Гарнье из Технологического института Нью-Джерси охарактеризовала различные типы производимых антропоботов. Они заметили, что боты делятся на несколько отдельных категорий по форме и движению, размером от 30 до 500 микрометров (от толщины человеческого волоса до кончика заостренного карандаша), заполняя важную нишу между нанотехнологиями и более крупными инженерными устройствами. .

Некоторые из них были сферическими и полностью покрыты ресничками, а некоторые имели неправильную форму или футбольную форму с более пятнистым покрытием ресничек или были просто покрыты ресничками с одной стороны. Они путешествовали по прямым линиям, двигались по узким кругам, комбинировали эти движения или просто сидели и извивались. Сферические, полностью покрытые ресничками, имели тенденцию быть вигглерами.

Антроботы с неравномерно распределенными ресничками имели тенденцию двигаться вперед на более длинные отрезки по прямым или изогнутым траекториям. Обычно они выживали около 45–60 дней в лабораторных условиях, прежде чем подвергались естественному биоразложению.

«Антроботы самособираются в лабораторной чашке», — сказала Гумуская, создавшая антропоботов. «В отличие от ксеноботов, им не нужны пинцеты или скальпели, чтобы придать им форму, и мы можем использовать взрослые клетки — даже клетки пожилых пациентов — вместо эмбриональных клеток. Это полностью масштабируемо — мы можем параллельно создавать стаи этих ботов, которые это хорошее начало для разработки терапевтического инструмента».

Маленькие целители

Поскольку Левин и Гумусская в конечном итоге планируют создать антропоботов с терапевтическим применением, они провели лабораторный тест, чтобы увидеть, как боты могут лечить раны. Модель предполагала выращивание двумерного слоя человеческих нейронов, и, просто царапая слой тонким металлическим стержнем, они создавали открытую «рану», лишенную клеток.

Чтобы гарантировать, что разрыв будет подвергаться воздействию плотной концентрации Антроботов, они создали кластер «суперботов», который естественным образом образуется, когда Антроботы находятся в небольшом пространстве. Суперботы состояли в основном из кружителей и вигглеров, поэтому они не уходили слишком далеко от открытой раны.

Хотя можно было бы ожидать, что генетические модификации клеток Антроботов потребуются, чтобы помочь ботам стимулировать рост нейронов, к удивлению, немодифицированные Антроботы вызвали значительный повторный рост, создав мостик нейронов такой же толщины, как и остальные здоровые клетки на пластине. Нейроны не росли в ране, где отсутствовали антропоботы. По крайней мере, в упрощенном двухмерном мире лабораторной чашки сборки Anthrobot способствовали эффективному заживлению живой нервной ткани.

По мнению исследователей, дальнейшее развитие ботов может привести к другим приложениям, включая очистку от бляшек в артериях пациентов с атеросклерозом, восстановление повреждений спинного мозга или нервов сетчатки, распознавание бактерий или раковых клеток или доставку лекарств в целевые ткани. Антроботы теоретически могут помочь в заживлении тканей, а также создавать прорегенеративные лекарства.

Изготовление новых чертежей, восстановление старых.

Гумуская объяснила, что клетки обладают врожденной способностью самосборки в более крупные структуры определенными фундаментальными способами. «Клетки могут образовывать слои, сворачиваться, образовывать сферы, сортироваться и разделяться по типам, сливаться вместе или даже двигаться», — сказала Гумуская.

«Два важных отличия от неодушевленных кирпичиков заключаются в том, что клетки могут взаимодействовать друг с другом и динамически создавать эти структуры, и каждая клетка запрограммирована множеством функций, таких как движение, секреция молекул, обнаружение сигналов и многое другое. Мы только выясняем, как это сделать. объедините эти элементы, чтобы создать новые биологические структуры и функции тела, отличные от тех, которые встречаются в природе».

Использование преимуществ гибких правил клеточной сборки помогает ученым создавать ботов, но также может помочь им понять, как собираются естественные структуры тела, как геном и окружающая среда работают вместе, создавая ткани, органы и конечности, а также как восстанавливать их. их регенеративными процедурами.

Теги: биотехнологии, киборг, нанороботы, Новости Hi-Tech, регенерация, робот

В тренде