“活體機(jī)器人”先驅(qū)再獲突破！ 使用人體細(xì)胞制造生物機(jī)器人，可在實(shí)驗(yàn)室中修復(fù)神經(jīng)組織創(chuàng)傷

現(xiàn)如今，使用化學(xué)合成材料制造的機(jī)器人已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，它們能夠從事運(yùn)輸、精細(xì)操作甚至與人一起協(xié)同工作。

近年以來(lái)，隨著微型機(jī)器人逐步進(jìn)入生物醫(yī)療領(lǐng)域，以其為基礎(chǔ)的微創(chuàng)、無(wú)痛且智能化的醫(yī)療手段展示出了巨大的應(yīng)用前景，并且催生出了對(duì)于新型生物機(jī)器人的迫切需求。

日前，來(lái)自美國(guó)塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)Wyss研究所的一組研究人員利用人類(lèi)氣管細(xì)胞創(chuàng)造了一種微型生物機(jī)器人“Anthrobots”。這種機(jī)器人無(wú)需進(jìn)行基因改造，就可以實(shí)現(xiàn)自我組裝、移動(dòng)，并且將其添加到受傷的神經(jīng)元中時(shí)，它們還可以幫助神經(jīng)元進(jìn)行自我修復(fù)。相關(guān)論文《Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells》已發(fā)表。

雖然尚不清楚Anthrobots究竟如何促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)，但該研究結(jié)果表明其確實(shí)能夠?qū)κ軗p神經(jīng)元產(chǎn)生治療效果。這種源自人類(lèi)細(xì)胞的生物機(jī)器人或?qū)⒊蔀樵偕t(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)治療領(lǐng)域的一個(gè)新的起點(diǎn)。

值得注意的是，本次研究的通訊作者之一、來(lái)自塔夫茨大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家邁克爾·列文曾以制造出全球首個(gè)可繁殖的“活體機(jī)器人”而聞名。除此之外，他還曾利用生物電路成功改造物種和修復(fù)器官等。

本次研究的部分資金來(lái)自一家名為Astonishing Labs的初創(chuàng)企業(yè)，邁克爾·列文是Astonishing Labs的科學(xué)聯(lián)合創(chuàng)始人。據(jù)悉，該公司旨在利用生物機(jī)器人技術(shù)來(lái)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及神經(jīng)和脊髓損傷，但截至目前，該公司并未披露任何科學(xué)及技術(shù)相關(guān)信息。

1使用成人器官細(xì)胞制造機(jī)器人

大約四年以前，列文就利用非洲爪蛙的胚胎細(xì)胞制造出了他的第一個(gè)活體機(jī)器人“Xenobots”。該活體機(jī)器人帶有纖毛結(jié)構(gòu)，使其能夠自由移動(dòng)、運(yùn)載藥物甚至還可以自行復(fù)制。

“Xenobots”只是列文研究計(jì)劃的第一步，該步驟的成功證明了從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)并制造生物機(jī)器人的想法切實(shí)可行。他由此設(shè)想道“通過(guò)添加額外的生物組件，并將其與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、3D細(xì)胞打印技術(shù)結(jié)合，人們可以開(kāi)發(fā)出一系列多樣化的活體機(jī)器，這些機(jī)器能夠輸送藥物、清除小毛細(xì)血管的堵塞或收集海洋中的微塑料，等等?！?/p>

然而，考慮到人類(lèi)免疫系統(tǒng)可能無(wú)法接受這種基于兩棲動(dòng)物的生物機(jī)器人，因此，應(yīng)用于人體的理想生物相容性材料將來(lái)自于人類(lèi)本身。

本次研究中，論文第一作者古姆斯卡亞從成人氣管表面的細(xì)胞著手，這些細(xì)胞由于具備纖毛結(jié)構(gòu)從而可以來(lái)回運(yùn)動(dòng)。古姆斯卡亞將單個(gè)細(xì)胞放入由大鼠組織制成的3D支架中，在此過(guò)程中，還需要改變培養(yǎng)基的粘度水平誘導(dǎo)存在于細(xì)胞內(nèi)的纖毛轉(zhuǎn)向細(xì)胞外部。兩周后，細(xì)胞繁殖并且形成了形態(tài)各異的微小球體。

這種生物機(jī)器人由成人細(xì)胞制造，并且不需要經(jīng)過(guò)任何基因改造。古姆斯卡亞對(duì)此介紹道，“通過(guò)重新編程細(xì)胞之間的相互作用，可以創(chuàng)建新的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于使用石頭和磚塊可以搭建墻壁、拱門(mén)或柱子等不同的結(jié)構(gòu)，從而發(fā)揮不同的作用?！?/p>

盡管具有相同的DNA，但所得球體的大小和形狀各不相同。其中有些是球形的，完全被纖毛覆蓋；有些形狀不規(guī)則，但有更多斑片狀的纖毛覆蓋。

并且由于形態(tài)不同，這些球體的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型也各不相同。受到纖毛的形狀、大小和位置影響，它們有些沿著直線(xiàn)行進(jìn)，有的沿著圓周移動(dòng)，或者僅僅只會(huì)擺動(dòng)。

“就像指紋一樣，沒(méi)有哪兩個(gè)球體是相同的，”古姆斯卡亞對(duì)此介紹道，它們通常能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下存活約45～60天，然后自然降解。

2“超級(jí)機(jī)器人”修復(fù)神經(jīng)細(xì)胞損傷

在列文的計(jì)劃中，他意圖將Anthrobots打造為一種具有治療作用的生物機(jī)器人。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，列文團(tuán)隊(duì)選擇將Anthrobots放置在受損的神經(jīng)細(xì)胞之中，以評(píng)估其對(duì)于神經(jīng)細(xì)胞的治療作用。

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)首先在培養(yǎng)皿中構(gòu)建了一個(gè)人類(lèi)神經(jīng)元的二維層，然后用細(xì)金屬棒刮擦該層，形成了一個(gè)沒(méi)有細(xì)胞的開(kāi)放“傷口”。

而當(dāng)古姆斯卡亞將一群機(jī)器人添加到培養(yǎng)皿中時(shí)，她發(fā)現(xiàn)Anthrobots能夠有效地穿過(guò)受損組織。除此之外，具有更高旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)、更高速度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡也具有明顯差異。

在觀(guān)察了機(jī)器人在劃痕中的運(yùn)動(dòng)行為之后，研究者想到，可以通過(guò)促進(jìn)不同機(jī)器人的隨機(jī)聚合來(lái)形成一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)，從而能夠讓它們完成一些“集體任務(wù)”。他們將這個(gè)更大的結(jié)構(gòu)命名為“超級(jí)機(jī)器人”。

就像是一群螞蟻可以聚集形成一座橋，然后集體跨越一條溝渠一樣。研究者沒(méi)有使用任何模具或外部設(shè)備，而是將許多個(gè)Anthrobots限制在一個(gè)相對(duì)狹小的區(qū)域內(nèi)，同時(shí)保持其他一切不變，這些Anthrobots便自行完成了隨機(jī)聚合。

古姆斯卡亞解釋說(shuō)，細(xì)胞本身具有以某些基本方式自組裝成更大結(jié)構(gòu)的能力。 “細(xì)胞之間可以相互通信并且動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建不同的結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)細(xì)胞都被編程為具有許多功能，例如運(yùn)動(dòng)、分子分泌、信號(hào)檢測(cè)等。我們只是想辦法結(jié)合這些元素來(lái)創(chuàng)造新的生物體和功能。”

更加令人驚訝的是，在將“超級(jí)機(jī)器人”接種到組織劃痕后的72小時(shí)內(nèi)，研究者發(fā)現(xiàn)原生組織發(fā)生了再生行為，從而讓劃痕開(kāi)始閉合，并且這種閉合的情況僅發(fā)生在超級(jí)機(jī)器人接種部位。

在此之后，列文還增加了一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果證實(shí)使用淀粉或硅酮等無(wú)生命物質(zhì)搭建類(lèi)似的“橋”并不能產(chǎn)生治療效果。

列文對(duì)此猜測(cè)道，作為活體組織，機(jī)器人或可幫助劃痕一側(cè)的神經(jīng)細(xì)胞感知另一側(cè)的位置，以便它們“啟動(dòng)”生長(zhǎng)行為。

“列文的研究證明，經(jīng)過(guò)改造和訓(xùn)練的細(xì)胞可以去做一些它們?cè)静粫?huì)做的事情，”麻省理工學(xué)院的合成生物學(xué)家羅恩·魏斯對(duì)此評(píng)價(jià)道，“研究人員甚至可以通過(guò)修改這些機(jī)器人的基因組來(lái)實(shí)現(xiàn)更多所需的功能，例如運(yùn)輸抗癌藥物等等?？傮w而言，這些機(jī)器人仍有巨大潛力有待挖掘。”

該項(xiàng)工作的研究人員進(jìn)一步指出，隨著生物機(jī)器人技術(shù)的逐步進(jìn)展，其潛在的應(yīng)用前景十分巨大。包括清除動(dòng)脈粥樣硬化的斑塊、修復(fù)神經(jīng)損傷、識(shí)別和治療癌癥等，各類(lèi)不同的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域或?qū)⒃谖⑿蜕餀C(jī)器人的幫助下得到革新。（綜合整理報(bào)道）（策劃／多洛米）