科学家用人类细胞制造微型生物机器人

塔夫茨大学的研究人员用人类气管细胞创造了微型生物机器人，他们称之为Anthrobots，这些细胞可以在表面上移动，并被发现可以促进神经元在实验室培养皿中损伤区域的生长。

多细胞机器人的大小从人类头发的宽度到削尖的铅笔尖不等，可以自行组装，并显示出对其他细胞的显着治疗效果。这一发现是研究人员使用患者衍生的生物机器人作为疾病再生、愈合和治疗的新治疗工具的愿景的起点。

这项工作源于佛蒙特大学Vannevar Bush生物学教授Michael Levin和Josh Bongard实验室的早期研究，他们用青蛙胚胎细胞创造了多细胞生物机器人，称为Xenobots，能够导航通道，收集材料，记录信息，从受伤中治愈自己，甚至复制几个周期靠自己。当时，研究人员不知道这些能力是否取决于它们是否来自两栖动物胚胎，或者生物机器人是否可以由其他物种的细胞构建。

在目前发表在 《高级科学》杂志上的研究中，莱文和博士生吉泽姆·古姆斯卡娅（Gizem Gumuskaya）发现，机器人可以在没有任何基因改造的情况下从成人细胞中创造出来，并证明它们具有一些超出异种机器人观察到的能力。

这一发现开始回答实验室提出的一个更广泛的问题——控制细胞如何在体内组装和协同工作的规则是什么，以及细胞是否可以从其自然环境中重新组合成不同的“身体计划”，以通过设计执行其他功能？

在这种情况下，研究人员给了人类细胞一个机会，在气管中安静地生活了几十年之后，重新启动并找到创造新结构和任务的方法。 “我们想探索细胞除了在体内创造默认特征之外还能做什么，”Gumuskaya说，他在进入生物学之前获得了建筑学学位。“通过重新编程细胞之间的相互作用，可以创建新的多细胞结构，类似于石头和砖块可以排列成不同的结构元素，如墙壁、拱门或柱子。

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在实验室中运动的机器人。视频： Gizem Gumuskaya

研究人员发现，这些细胞不仅可以创造新的多细胞形状，而且它们可以在实验室培养皿中生长的人类神经元表面上以不同的方式移动，并鼓励新的生长来填补由划伤神经元细胞层引起的间隙。

Anthrobots究竟是如何促进神经元生长的尚不清楚，但研究人员证实，神经元生长在Anthrobots集群组装所覆盖的区域下，他们称之为“超级机器人”。

“我们在实验室中构建的细胞组件可以具有超出它们在体内的作用的能力，”莱文说，他也是塔夫茨大学艾伦探索中心的主任，并且是哈佛大学Wyss研究所的副教员。“令人着迷且完全出乎意料的是，正常患者的气管细胞在不修改其DNA的情况下可以自行移动并促进神经元在损伤区域的生长，”莱文说。 “我们现在正在研究愈合机制是如何工作的，并询问这些结构还能做什么。

使用人类细胞的优点包括能够从患者自身的细胞中构建机器人来执行治疗工作，而不会引发免疫反应或需要免疫抑制剂的风险。它们只会持续几周就会分解，因此在工作完成后很容易被重新吸收到体内。

此外，在体外，Anthrobots只能在非常特定的实验室条件下生存，并且没有暴露或意外传播到实验室外的风险。同样，它们不会繁殖，也没有基因编辑、添加或删除，因此它们没有进化超出现有保障措施的风险。

Anthrobots是如何制作的？

每个Anthrobot最初都是一个细胞，来自成年供体。这些细胞来自气管表面，覆盖着称为纤毛的毛发状突起，可以来回摆动。纤毛帮助气管细胞排出微小的颗粒，这些颗粒进入肺部的气道。当我们通过咳嗽或清嗓子排出颗粒和多余液体的最后一步时，我们都经历过纤毛细胞的工作。其他人的早期研究表明，当细胞在实验室中生长时，它们会自发形成称为类器官的微小多细胞球体。

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Anthrobot在实验室培养皿中生长的神经元场中的“伤口”中移动。视频： Gizem Gumuskaya

研究人员开发了鼓励纤毛在类器官上朝外的生长条件。几天之内，它们开始四处走动，由纤毛驱动，就像桨一样。他们注意到不同的运动形状和类型，这是生物机器人平台观察到的第一个重要特征。莱文说，如果可以向Anthrobots添加其他功能，例如，由不同的细胞贡献，它们可以被设计为对环境做出反应，在体内旅行并执行功能，或者帮助在实验室中构建工程组织。

在新泽西理工学院的西蒙·卡尼尔（Simon Garnier）的帮助下，该团队对生产的不同类型的Anthrobots进行了表征。他们观察到，机器人的形状和运动分为几个离散的类别，大小从30微米到500微米不等，填补了纳米技术和大型工程设备之间的重要利基市场。

有些是球形的，完全被纤毛覆盖，有些是不规则的或足球形的，纤毛覆盖得更斑驳，有些只在一侧覆盖着纤毛。他们直线行进，在紧密的圈子里移动，将这些动作结合起来，或者只是坐着摆动。完全被纤毛覆盖的球形往往是摆动者。纤毛分布不均匀的Anthrobots倾向于在直线或弯曲的路径上向前移动更长的伸展。它们通常在实验室条件下存活约 45-60 天，然后自然生物降解。

“Anthrobots在实验室培养皿中自我组装，”创造Anthrobots的Gumuskaya说。“与Xenobots不同，它们不需要镊子或手术刀来塑造它们，我们可以使用成体细胞 – 甚至是来自老年患者的细胞 – 而不是胚胎细胞。它是完全可扩展的——我们可以并行生产成群的这些机器人，这是开发治疗工具的良好开端。

小小治疗师

由于莱文和古姆斯卡娅最终计划制造具有治疗应用的Anthrobots，因此他们创建了一个实验室测试，以观察机器人如何治愈伤口。该模型涉及生长人类神经元的二维层，只需用一根细金属棒刮擦该层，他们就创造了一个没有细胞的开放“伤口”。

为了确保缝隙暴露在密集的Anthrobots中，他们创造了“超级机器人”，当Anthrobots被限制在狭小的空间内时，会自然形成一个集群。超级机器人主要由圆圈和摆动者组成，因此它们不会离开放性伤口太远。

尽管人们可能期望需要对Anthrobot细胞进行基因改造来帮助机器人促进神经生长，但令人惊讶的是，未经修饰的Anthrobots引发了大量的再生，创造了一个与平板上其他健康细胞一样厚的神经元桥。神经元没有在Anthrobots缺席的伤口中生长。至少在实验室培养皿的简化2D世界中，Anthrobot组件鼓励了活神经组织的有效愈合。

据研究人员称，机器人的进一步开发可能会导致其他应用，包括清除动脉粥样硬化患者动脉中的斑块积聚，修复脊髓或视网膜神经损伤，识别细菌或癌细胞，或将药物输送到目标组织。从理论上讲，Anthrobots可以帮助愈合组织，同时还可以提供促再生药物。

制作新蓝图，恢复旧蓝图

古姆斯卡娅解释说，细胞具有以某些基本方式自我组装成更大结构的天生能力。“这些细胞可以形成层，折叠，形成球体，按类型分类和分离，融合在一起，甚至移动，”古姆斯卡娅说。

“与无生命的砖块的两个重要区别是，细胞可以相互交流并动态地创建这些结构，并且每个细胞都具有许多功能，如运动，分子分泌，信号检测等，”她补充道。“我们只是在弄清楚如何结合这些元素来创造新的生物身体计划和功能——与自然界中发现的不同。

利用细胞组装固有的灵活规则有助于科学家构建机器人，但它也可以帮助他们了解自然的身体计划如何组装，基因组和环境如何协同工作以创建组织、器官和四肢，以及如何通过再生治疗来恢复它们。