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由人类细胞制造的生物机器人,可自主运动,还能修复神经创伤

作者: 发布时间:2024-06-28 浏览次数:305
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塔夫茨大学的 Michael Levin 等人在  PNAS 发表论文【1】,从非洲爪蟾胚胎细胞创造了全球***多细胞活体生物机器人——Xenobots,其能够移动,和自我修复。2021年3月,该团队在 Science Robotics 期刊发表论文【2】,研究团队进一步实现了Xenobots的自我繁殖,还能让它们执行特定任务。详情点击:***活体机器人,开创生命繁衍新方式

但当时并不清楚这些能力是否取决于它们来自两栖动物胚胎细胞,以及是否可以从其他物种的细胞中构建这种生物机器人。

塔夫茨大学和哈佛大学的研究人员在 Advanced Science 期刊发表了题为:Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells 的研究论文。

该研究利用人类气管细胞创造了微型生物机器人——Anthrrobots,这些多细胞的生物机器人的大小从人类头发直径到削尖铅笔尖的宽度不等,它们可以在实验室培养皿表面移动,能够自我组装,并对其他细胞(例如受损的神经元)产生显著的愈合效果。这一发现是研究人员将患者来源的生物机器人作为再生、愈合和治疗疾病的新工具的起点。

该研究表明,可以从人类细胞中创建生物机器人,而且无需任何基因修饰,这些生物机器人展示了超越Xenobots的能力。这一发现也有助于我们回答一些更广泛的问题——控制细胞在体内组装和协同工作的规则是什么?细胞是否可以从其自然环境中跳出并重新组合,从而设计其执行其他功能?

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在这项研究中,研究团队使用来自成人气管表面细胞,通过重编程这些细胞之间的相互作用,创建出新的多细胞结构,类似于同样的石头和砖块可以被安排成不同的建筑结构,例如墙壁、拱门或柱子。值得一提的是,该论文的***作者、博士生 Gizem Gumuskaya 在进入生物学领域之前,曾获得建筑学学位。

研究团队发现,这些细胞不仅可以创造新的多细胞形状,而且还可以在实验室培养皿中生长的人类神经元的表面上以不同的方式移动,并促进这些神经元新的生长,来修复由于划痕造成的神经元损伤缺口。

使用人类细胞的优势包括能够从患者自己的细胞来构建生物机器人Anthrrobots来执行治疗工作,而不会诱发免疫反应或需要使用免疫抑制药物。这些Anthrrobots只持续几周就会分解掉,因此在工作完成后可以很容易地被身体重新吸收。此外,在体外,这些Anthrrobots只能在非常特定的实验室条件下生存,没有暴露或意外传播的风险。而且,它们不能繁殖,也没有基因的编辑、添加或删除,因此没有超越现有安全措施的进化风险。

论文通讯作者 Michael Levin 教授表示,在实验室中构建的这种自组装细胞具有超越它们在体内的作用的能力。这令人着迷而又完全出乎意料的,来自人类气管的细胞在不修改其DNA的情况下,可以自行移动并促进培养皿中受损神经元生长和愈合。团队目前现在正在研究这种愈合机制是如何工作的,并探索这些生物机器人还能做什么。

Anthrrobots是如何被制造出来的?

每个生物机器人Anthrrobot由数百个细胞组成,都始于一个成年捐赠者的单细胞,这些细胞来自气管表面,气管的表面覆盖着毛发状的突起,即所谓的纤毛,纤毛通过来回摆动,帮助气管细胞将微小颗粒推出肺部气道。例如我们通过咳嗽或清喉咙来排出多余颗粒和液体时都经历了纤毛细胞的工作。这些纤毛细胞可以在实验中培养为多细胞球形类器官。

在这项***新研究中,研究团队开发了新的培养条件,从而培养出纤毛朝外的类器官结构。在几天时间内,这些Anthrrobots就能够在这些纤毛的驱动下四处移动。研究团队观察到,不同形状的Anthrrobots具有不同的运动类型,这也是生物机器人平台观察到的***个重要特征。

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人支气管上皮细胞自组装成多细胞可运动的活体结构

研究团队对所构建的不同类型的Anthrobots进行了表征,他们观察到这些生物机器人可以分为几种不同的形状和运动类别,它们的直径从30-500微米不等(大约相当于从人类头发的直径到削尖的铅笔尖的直径),这填补了纳米技术和大型工程设备之间的尺度空白。

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