Антроботы: крошечные биороботы из человеческих клеток восстанавливают нейроны

Исследователи разработали «Антроботов», микроскопических биологических роботов, созданных из клеток трахеи человека, демонстрирующих потенциал в восстановлении и регенеративной медицине.

Эти самособирающиеся многоклеточные роботы, размером от ширины волоса до кончика карандаша, демонстрируют замечательные лечебные эффекты, особенно в отношении роста нейронов на поврежденных участках в лабораторных условиях.

Основываясь на более ранних исследованиях ксеноботов, это исследование показывает, что антропоботы могут быть созданы из клеток взрослого человека без генетической модификации, предлагая новый подход к терапевтическим инструментам, ориентированным на пациента.

Исследователи из Университета Тафтса (Tufts University) и Института Висса Гарвардского университета (Harvard University’s Wyss Institute) создали крошечных биологических роботов, которых назвали Антроботами, из клеток трахеи человека, которые могут перемещаться по поверхности и, как было доказано, 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 лечебное воздействие на другие клетки. Это открытие является отправной точкой для видения исследователей по использованию биоботов, созданных в качестве новых терапевтических инструментов для регенерации, исцеления и лечения болезней.

Эта работа является результатом более ранних исследований, проведенных в лабораториях Майкла Левина (Michael Levin), профессора биологии Ванневара Буша (Vannevar Bush), и Джоша Бонгарда (Josh Bongard) из Университета Вермонта (University of Vermont), в которых они создали многоклеточных биологических роботов из клеток эмбриона лягушки, называемых ксеноботами, способными к навигации по проходам, сбора материала, записи информации, восстановления полсе травм и даже самостоятельного воспроизведения в течение нескольких циклов.

В то время ученые 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 научном журнале Advanced Science, Левин вместе с Гиземом Гумусской (Gizem Gumuskaya) обнаружили, что боты на самом деле могут быть созданы из клеток взрослого человека без каких-либо генетических модификаций, и 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 выполнения других функций 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», — комментирует Гумусская.

«Путем перепрограммирования взаимодействий 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 повреждением слоя клеток.

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

«Клеточные сборки, которые мы конструируем в лаборатории, могут обладать возможностями, выходящими за рамки того, что они делают в организме», — добавляет 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».

«Сейчас мы изучаем, как работает механизм восстановления, 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 инфицирования 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 антроботы ?

Каждый Антробот начинается с одной клетки, полученной от взрослого донора. Клетки собирают с поверхности трахеи и покрывают 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.

Команда ученых с помощью Саймона Гарнье (Simon Garnier) из Технологического института Нью-Джерси (New Jersey Institute of Technology) охарактеризовала различные типы производимых антроботов. Ученые 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.

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», — добавляет Гумуская, создавшая антроботов. «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».

Маленькие целители

Поскольку Левин и Гумусская в конечном итоге планируют создать антроботов с терапевтическим применением, они провели лабораторный тест, чтобы выяснить, как боты могут лечить раны. Модель предполагала выращивание двумерного слоя человеческих нейронов, и, просто повреждая слой тонким металлическим стержнем, создавала 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.

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.

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 лекарственных препаратов в целевые ткани. Антроботы теоретически могут помочь в заживлении тканей, а также создавать прорегенеративные лекарственные средства.

Создание 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», — заключает Гумусская.

«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 просто выясняем, как объединить эти элементы для создания новых биологических структур и функций тела, отличных от тех, которые встречаются в природе».

Авторы другого исследования утверждают, что Микро-роботы помогут избавиться от зубного налета