借助活体机器人，科学家释放细胞的治愈能力

在塔夫茨大学迈克尔·莱文（Michael Levin）实验室的入口附近，四只鹿角被安装在木箱上。它们代表了哺乳动物再生的不可思议的壮举：鹿每年脱落鹿角，并以每天半英寸的速度再生骨骼、血管、神经和皮肤。

人类的再生能力要有限得多。虽然我们可以长出疤痕组织来治愈伤口，将骨折的骨头重新编织在一起，甚至再生一些器官的一部分，但这种再生并不像鹿角那样快速或复杂——我们当然不能像一些两栖动物那样重新长出失去的腿。至少，现在还没有。

莱文，A92，艺术与科学学院的Vannevar Bush生物学教授，坚信我们的细胞具有未开发的再生能力，只要我们能学会说他们的语言。他的实验室正在努力释放我们细胞的全部潜力，提供对抗癌症、逆转退行性疾病、修复先天性异常的新方法，也许有一天甚至能重新长出四肢。

与其他可能涉及基因编辑或干细胞疗法的再生医学方法不同，莱文的目标是利用身体已经知道的东西。他说，创造眼睛或肢体所涉及的步骤太复杂，无法进行微观管理。但也许，通过正确的信号集，我们可以给身体一个新的目标，让聪明的细胞群管理如何实现它的细节。

“我们不想试图告诉每个细胞和每个基因该做什么，”莱文说。“我们不是要教细胞如何长腿;我们希望说服他们，这是他们应该做的。

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在迈克尔·莱文（Michael Levin）的实验室中，被称为Anthrobots的多细胞机器人由人类气管皮肤细胞组成，其表面有毛发状突起（以黄色显示）推动它们。微小的人类机器人可以在受损的神经细胞上移动并帮助它们愈合 – 研究人员说，这只是他们可能做的开始。
照片：吉泽姆·古穆斯卡娅

折叠模态

在迈克尔·莱文（Michael Levin）的实验室中，被称为Anthrobots的多细胞机器人由人类气管皮肤细胞组成，其表面有毛发状突起（以黄色显示）推动它们。微小的人类机器人可以在受损的神经细胞上移动并帮助它们愈合 – 研究人员说，这只是他们可能做的开始。
照片：吉泽姆·古穆斯卡娅

当莱文谈到细胞的智能时，他没有提到大脑。他引用了19世纪后期美国心理学家和哲学家威廉·詹姆斯（William James）的定义，他将智力描述为以多种方式实现同一目标的能力。根据这个定义，如果一个系统能够拥有并实现目标，即使面临意想不到的障碍，它也是智能的。系统可以是一个生物、一台机器、一个器官或一个细胞;如果它能解决问题，它就有一种智慧。

单个细胞可以解决简单的问题，并有简单的目标——生存和繁殖。但是，一旦细胞开始协同工作，它们就会创造出一种集体智慧，能够记住并实现更大的目标，例如形成构成身体的系统和器官。

莱文希望理解和利用的正是这种集体智慧。尽管实验室的新发现为生物医学或其他领域的发展创造了机会，但它们也提供了关于细胞如何相互交流以及它们的能力的诱人信息。这是莱文在他职业生涯的大部分时间里一直在拼凑的一个谜题，他预计至少还需要十年才能完成。

“我们的工作没有解决，”莱文说。“我们知道细胞在互相交谈，但我们还不知道它们在说什么。我们仍然需要破解这个密码。

细胞的认知胶水

发育中的胚胎中的细胞需要不断交流，共同决定要构建什么以及在哪里构建它。他们以电信号的形式存储和发送这些公共蓝图，指示左右两侧，哪些组织应该成为器官，或者何时停止建立脚趾。使用正确的工具，莱文和他的同事们已经能够观察这些信号，观察蝌蚪在细胞开始形成这些结构之前很久就形成了“电脸”——显示眼睛、鼻子和嘴巴未来位置的活动模式。

“生物电允许一堆细胞连接到一个网络，可以计算和存储更大目标的记忆，”莱文说。“你的单个细胞不知道手指是什么，也不知道你应该有多少根手指，但一群细胞绝对知道。

细胞通过细胞膜中称为离子通道的网关产生和共享生物电信号。离子通道允许某些带电分子穿过膜，在电池内部和外部产生不同的电荷，类似于电池的正极和负极。离子通过膜的运动会产生微小的电流。

莱文将生物电描述为“将我们的细胞结合在一起的认知胶水”。在大脑中，神经元群快速洗牌离子以产生强烈、快速的信号，生物电控制着我们处理信息和在空间中移动的方式。在我们身体的其他部位，信号更小、更慢，而且经常被忽视，它拥有一种集体记忆，告诉细胞如何创造我们身体所需的物理结构，以及当这些结构受损时如何做出反应。

通过学习破译和操纵这些更微妙的生物电信号，莱文希望找到新的方法来帮助我们的身体自愈。

该实验室取得了各种有希望的发现，揭示了生物电的一些治疗潜力。

在一项实验中，研究人员能够使用计算模型来预测发育中的青蛙胚胎的正常电压模式，并确定这些模式如何因暴露于尼古丁而被破坏，尼古丁会导致大脑发育异常。研究人员找到了一种可以恢复正常电压模式的治疗方法。因此，青蛙胚胎能够修复尼古丁诱导的缺陷并从中恢复。

Levin的团队也一直在探索一种生物电方法来治疗癌症。从生物电的角度来看，癌细胞是那些已经与细胞通信网络断开连接并作为个体行事的细胞。Levin和他的同事们已经证明，阻断一些离子通道并恢复正常的生物电模式可以将癌细胞重新连接到更大的网络并控制流氓细胞。尽管发生了癌变突变，但细胞表现正常。

“他们做了正确的事情，因为他们通过这些电突触与其他细胞分享他们所有的记忆，他们的目标现在是器官水平的目标，”莱文说。“他们不再只是想复制自己。

研究人员还确定，他们可以通过跟踪单个细胞电模式的异常变化来识别蝌蚪癌症形成的早期阶段。这一发现可能会刺激新的生物电诊断工具的发展。

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AG23的吉泽姆·古穆斯卡亚（Gizem Gumuskaya）使用名为Anthrobots的微型活体机器人进行研究，该机器人由人类气管细胞制成。“我们能从病人身上取下细胞，制造个人机器人，并用它们来帮助治愈神经损伤吗？”她问道。“这就是我们正在努力的应用。”
照片：由 Michael Levin 实验室提供

折叠模态

AG23的吉泽姆·古穆斯卡亚（Gizem Gumuskaya）使用名为Anthrobots的微型活体机器人进行研究，该机器人由人类气管细胞制成。“我们能从病人身上取下细胞，制造个人机器人，并用它们来帮助治愈神经损伤吗？”她问道。“这就是我们正在努力的应用。”
照片：由 Michael Levin 实验室提供

该团队甚至在实现全身再生的目标方面取得了进展。莱文（Levin）和斯特恩家族（Stern Family）工程学教授大卫·卡普兰（David Kaplan）创造了一种装有药物混合物的装置，旨在调整细胞离子通道的行为并促进生长。该装置允许一只通常不能再生四肢的成年青蛙重新长出一条功能性的腿。

令人印象深刻的是，该设备只需应用24小时即可启动再生过程。这两位研究人员创建了一家名为Morphoceuticals的公司，从研究其在哺乳动物中的应用开始，为临床应用开发这项工作。

“我们没有使用任何外部刺激;我们正在使用细胞和组织用来在体内相互攻击的相同界面，“莱文说。“通过调整这些离子通道，我们可以像钢琴一样弹奏该界面，并使其具有不同类型的电计算。

挑战在于确定研究人员需要演奏什么曲调才能获得他们正在寻找的行为。

在蝌蚪中，莱文和他的同事们可以说服细胞群创造出功能性的眼睛、心脏和四肢。在涡虫中 – 具有非凡再生能力的小型棕色扁虫 – Levin的团队可以促进多个头部的生长，甚至使一个物种发育出一个单独的，密切相关的物种的头部，揭示了不同信号可以携带的信息类型。

在其他生物体中，研究人员正在研究与衰老相关的电压模式，并试图逆转这些影响。但该团队还没有对如何解释细胞发送的特定信号以及如何说服细胞修复受损器官或抵御退行性疾病有一个统一的理解。

“目前，我们正在研究所有这些由同一过程联系在一起的独立现象，并试图更深入地了解它的生物学，”过去七年在莱文实验室工作的科学家帕特里克·麦克米伦（Patrick McMillen）说。每个实验都揭示了更多关于以前被忽视的生物电的作用，并使研究人员更接近于能够释放人类细胞中的相同潜力。

生物机器人及其他

莱文的工作不断表明，细胞集体的能力比我们通常认为的要多得多。它们是解决问题的机器，当得到新的指令时，它们可以完成远远超出它们在体内通常所做的事情的任务。

最明显的例子是实验室的生物机器人，由活细胞制成的微观“机器人”，这些活细胞已经从生物体的生物电信号中分离出来，成为独立的参与者。正如莱文所说，他们已经“摆脱了成为身体一部分的束缚，并被允许成为他们所能成为的任何东西”，这种自由使他们能够发展出不可思议和意想不到的能力。

该实验室的Xenobots是毫米宽的斑点，由几种不同种类的细胞组成，这些细胞取自非洲爪蛙（ Xenopus laevis）。Xenobots 的寿命约为一周，在损坏时可以自我修复。研究人员使用肌肉细胞和皮肤细胞的组合，这些细胞具有称为纤毛的毛发状突起，纤毛通常会在青蛙的皮肤上移动粘液，从而设计出异种机器人，使其在培养皿上推动自己，并共同将碎片斑点扫成一堆。

“我们已经学到了很多关于细胞如何在组织中自组装的新规则，这些规则在观察一个完整的系统时并不明显，”艾伦探索中心的高级科学家道格·布莱克斯顿（Doug Blackiston）说，他手工雕刻了最初的异种机器人。“通过移动东西和玩弄生物学，你可以对基础科学有新的见解。

一种特殊的成像技术使用电压敏感荧光染料（右）揭示了青蛙胚胎皮肤中的生物电模式。使用电压不敏感的对照染料（左）不可见这些图案。
摄影：Patrick McMillen

Blackiston 看到了在环境中使用 Xenobots 的可能性。这些微小的细胞团可以携带传感器来测量环境污染物，如BPA（一种用于某些塑料的化学物质）或废水中的药物化合物。或者它们可能用于收集和浓缩稀有金属，以便于提取。它们也是其他发现的垫脚石。去年11月，该实验室宣布创建了Anthrobots，这是一种从成人气管细胞中生长出来的类似活性簇。

研究人员之所以使用气管细胞，是因为它们具有纤毛，类似于青蛙皮肤细胞的纤毛，这使得人类机器人更容易发展移动能力。与异种机器人一样，Anthrobot细胞表现出意想不到的行为，超出了它们作为身体的一部分所做的事情。例如，当研究人员将一簇Anthrobots添加到受损的神经细胞片中时，Anthrobots将自己停在受损区域，它们下面的神经开始愈合。

“这些机器人可以在受损部位移动，坐在那里，实际上帮助神经编织，基本上在三天内修复损伤，”AG23的Gizem Gumuskaya说，他是最近论文的主要作者，并在Levin的实验室进行了这项工作。“我们能否从患者身上获取细胞，制作个人机器人，并用它们来帮助治愈神经损伤？这就是我们正在努力实现的应用。

因为Anthrobots是由患者自己的细胞创造的，所以它们将能够在体内移动而不会受到免疫系统的攻击。而治愈神经损伤只是他们所能实现的开始。莱文想象着人类机器人会掉落再生分子，追逐癌细胞，清除动脉上的斑块，谁知道还有什么。

“我们已经证明它们可以治愈神经伤口，而这只是基线。我们甚至还没有开始对它们进行编程，“莱文说。“它们是一个了不起的生物医学平台，也是一个沙盒，我们可以在其中了解细胞的集体智慧。