世界首个：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

2023-12-06 09:53

进一步开发这些生物机器人可能会带来其他应用，包括清除动脉粥样硬化患者动脉中的斑块堆积，修复脊髓或视网膜神经损伤，识别细菌或癌细胞，或将药物递送到目标组织。

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

早在2020年1月，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首个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。

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。

2023年11月30日，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？

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，该论文的第一作者、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。

在这项最新研究中，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第一个重要特征。

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。

这些Anthrobots中，有些是球形的，完全覆盖着纤毛，有些是不规则的，纤毛覆盖较少，或者只是在一边覆盖着纤毛。它们或沿着直线行进，或进行圆周运动，或二者结合，抑或是摆动。那些完全覆盖着纤毛的球形Anthrobots往往是摆动，那些纤毛分布不均匀的Anthrobots往往在直线或弯曲路径上向前移动更长的时间。这些Anthrobots通常在实验室条件下存活约45-60天，然后自然生物降解。

Anthrobots的结构与其运动模式高度相关

研究团队表示，Anthrobots可以在实验室的培养皿中自我组装。与团队之前开发的Xenobots不同的是，Anthrobots不需要镊子或手术刀来赋予它们形状，而且无需使用胚胎细胞，而是可以使用成人细胞，甚至是来自老年人的细胞来构建。更重要的是，这一构建方式是完全可扩展的，因此可以实现大规模并行生产这些生物机器人，这是开发治疗工具的一个良好开端。

Anthrrobots——小小治疗师

研究团队开发Anthrobots的最终目的是将其用于人类疾病治疗。接下来，他们发现测试了Anthrobots如何修复伤口。他们使用金属丝在培养皿中培养的人类神经元中划出一道“伤口”，伤口中神经元失去连接。

然后，研究团队让Anthrobots自然形成集群，从而创建了“超级机器人”（Superbots），这些超级机器人主要由那些做圆周运动和摆动的Anthrobots组成，因此它们组成的超级机器人不会运动的离伤口太远。

实验结果显示，这些生物机器人促进了“伤口”中神经元的生长，从而促进了伤口的愈合，而没有机器人的“伤口”则未能修复。这一结果表明，至少在实验室培养皿的简化2D世界中，生物机器人促进了活体神经组织的有效愈合。

Anthrobots可以促进划痕后的活体神经元伤口的愈合

绘制新蓝图

研究团队认为，进一步开发这些生物机器人可能会带来其他应用，包括清除动脉粥样硬化患者动脉中的斑块堆积，修复脊髓或视网膜神经损伤，识别细菌或癌细胞，或将药物递送到目标组织。理论上，Anthrobots可以协助组织愈合，同时还能够递送促再生药物。

最后，论文第一作者 Gizem Gumuskaya 解释道，细胞具有固有的自我组装能力，以某些基本方式形成更大的结构。这些细胞可以形成层、折叠，形成球体，按类型分类和分离自己，融合在一起，甚至移动。与无生命的砖块相比，细胞具有两个重要的区别——细胞可以相互交流并动态地创建这些结构；每个细胞都被编程具有许多功能（例如运动、分子分泌、信号检测等）。团队正在研究如何结合这些特点来创建全新的生物体计划和功能。

利用细胞组装固有的灵活规则，不仅可以帮助科学家创建机器人，还可以帮助他们理解天然生物体是如何组装的，基因组和环境如何共同创造组织、器官和四肢，以及如何通过再生治疗来恢复它们。

论文链接 ：

1. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1910837117

2. https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571

3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303575

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机器人,神经元,培养皿,创伤,神经,修复

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