Roboții fabricați din celule umane se pot mișca singuri și pot vindeca rănile

Cercetătorii au creat „antroboți” din celulele pulmonare umane care sunt capabile să se miște independent și chiar să vindece țesutul deteriorat.

În 2020, biologul Michael Levin și colegii săi au raportat că au făcut „roboți biologici” modelând grupuri de celule în forme artificiale minuscule care ar putea „umbla” pe suprafețe. Echipa lui Levin a susținut că aceste entități, pe care le-a numit xenoboți deoarece erau făcute din celulele pielii și ale mușchilor inimii ale broaștei africane cu gheare Xenopus laevis , ar putea fi considerate un nou tip de organism. Această afirmație a devenit poate mai convingătoare când, un an mai târziu, cercetătorii au arătat că xenoboții se pot autoasambla spontan din celulele pielii broaștelor și prezintă un comportament divers în timp ce înotau prin lichid.

Unii cercetători susțin că un astfel de comportament nu este surprinzător pentru celulele amfibienilor, cunoscuți pentru capacitatea lor de a regenera părți deteriorate ale corpului. Dar acum, Levin și colegii săi de la Universitatea Tufts au anunțat în Advanced Science că au creat din celule umane entități similare „de tip robot”, pe care le-au denumit antropoi.

Cheia pentru a face antroboții mobili este că, la fel ca xenoboții, suprafața lor este acoperită cu cili care propulsează structurile printr-un fluid. Pentru a ajunge efectiv oriunde, cilii trebuie să se miște împreună într-un mod coordonat.

Antroboții nu numai că pot înota, dar par să aibă și forme și moduri de comportament distincte, cum ar fi tulpini sau grupuri din cadrul aceleiași specii de organism. Iar echipa Tufts anunță că antroponii par capabili să inducă o formă rudimentară de vindecare a rănilor în celulele umane, crescând posibilitatea utilizării lor în medicină.

Unii oameni de știință susțin că semnificația acestor aglomerări de celule umane, precum xenoboții originali, este exagerată și își pun întrebarea dacă aceste entități care se formează spontan pot fi considerate cu adevărat un fel de „robot”. Unii nu au văzut nimic deosebit de nou sau surprinzător în ideea că celulele de broaște ar putea forma mici aglomerări care se pot mișca. „În mare parte, comunitatea de embrioni Xenopus care cunoaște aceste celule nu a putut să vadă cu adevărat noutatea”, spune Jamie Davies, un biolog de dezvoltare la Universitatea din Edinburgh din Scoția (care nu a fost implicat în studiul lui Levin din 2020) și nici nu este surprins că grupurile de celule umane se pot mișca.

Levin susține însă că este o problemă de perspectivă. În loc să considere clusterele de celule ca fiind mici bucăți de țesut care pot fi folosite pentru investigarea biologiei umană, ar trebui considerate entități asemănătoare organismelor în sine, cu forme și comportamente speciale, care pot fi folosite ca o „platformă de biorobotică” pentru aplicații medicale și nu numai, cum ar fi, de exemplu, repararea țesuturilor deteriorate din organism.

Antroboții cresc în forme distincte și, distribuția cililor pe suprafața lor, le permite să se miște în diferite modele. Tiparele de mișcare pot fi valorificate în scopuri diferite, cum ar fi călătoria către sau planarea peste o rană.

Mai mult, susține Levin, antroboții oferă o privire asupra „morfospațiului” disponibil pentru celulele umane, arătând că acestea pot construi spontan nu doar țesuturile și organele corpului uman, ci și structuri destul de diferite pe care natura însăși nu le-a generat niciodată. „Explorăm aspecte ale morfospațiului”, spune el. „Evoluția vă oferă un pic de variație, dar de fapt există mult mai mult.” Această capacitate a celulelor și țesuturilor de a dezvolta diferite tipuri de structuri se numește plasticitate.

Antroboții, fiecare cu diametrul între 30 și 500 de micrometri și capabili să supraviețuiască până la două luni, sunt fabricați din celule prelevate din țesutul pulmonar uman adult. Acest țesut are în mod natural cili pe suprafața sa care se mișcă înainte și înapoi pentru a transporta mucusul, care poate absorbi și astfel îndepărta resturile din aerul inhalat (spre deosebire de cilii de pe pielea de broaște care mișcă mucusul pentru a menține pielea umedă.)

Se știe deja că acest tip de țesut se poate agrega în aglomerări ciliate. Încă din 2010, mai multe lucrări au anunțat că astfel de agregate, numite organoizi, pot fi folosite pentru studierea funcției pulmonare. În unele dintre acestea, cilii sunt îndreptați spre un spațiu interior gol, ca în ramurile căilor respiratorii umane. Dar, în ultimii câțiva ani, cercetătorii au descoperit, de asemenea, grupuri aproximativ sferice de celule ale căilor respiratorii (sferoizi) care cresc cu cilii drepți, așa cum fac la antropoi.

Deoarece lucrarea anterioară urmărea realizarea de organoizi ca modele ale sistemului respirator uman, nu a inclus nicio investigație a comportamentului structurilor celulare. În general, studiile au păstrat sferoizii căilor respiratorii încorporați și imobilizați într-un gel bogat în proteine ​​numit Matrigel. „Scopul nostru principal a fost să dezvoltăm un sistem organoid al căilor respiratorii pentru identificarea potențialelor terapii medicamentoase pentru tratarea fibrozei chistice”, o boală pulmonară congenitală, spune patologul Walter Finkbeiner de la Universitatea din California, San Francisco, unul dintre autorii studiilor anterioare.

În schimb, echipa lui Levin a vrut să elibereze sferoizii. „Pasul dificil este dizolvarea Matrigelului, astfel încât să fie eliminate proteinele din gel, nu și cele care țin roboții împreună”, spune Gizem Gumuskaya de la Tufts, autorul principal al noii lucrări. Ea spune că două dintre cele trei abordări anterioare pentru fabricarea sferoizilor căilor respiratorii au modelat clusterele și au explorat plasticitatea înnăscută a celulelor. Ea adaugă că această din urmă metodă face sferoizii mai rapizi și mai eficienți.

Prima provocare pentru echipa Tufts va fi să-i convingă pe alții că antroponii sunt entități independente în sine, cu forme și comportamente pe care celulele le „căută” în mod colectiv, mai degrabă decât bucăți oarecum aleatorii de țesut uman care au aparența unor microorganisme.

Davies, care a scris anterior un articol de recenzie despre morfologia sintetică cu Levin, a simțit că există un oarecare interes față de munca inițială cu xenobot, dar nu se declară impresionat de faptul că grupurile de celule umane pot „înota”. Acest lucru, spune el, este aproape inevitabil dacă ai cilii bătători odată ce sferoizii sunt eliberați din matricea de gel. El consideră că este doar mecanică newtoniană și că avem de-a face doar cu o funcție accidentală: „Nu văd cum aceste aglomerări de celule cu cili agitați merită termenul de „roboți”.

Potrivit Salvatore Simmini și Jenna Moccia de la compania de biotehnologie STEMCELL Technologies, care au cultivat și organoide ale căilor respiratorii umane, comportamentul acestor organoizi ilustrează funcționalitatea biologică a celulelor care le cuprind. Dacă mișcările coordonate ale cililor care mătură mucusul din căile respiratorii sunt menținute în organoizi cu cilii orientați spre exterior, au spus Simmini și Moccia, iar cilii vor acționa ca niște vâsle minuscule, care propulsează grupurile de celule prin lichid.

Levin și colegii săi susțin că aceste mișcări nu sunt însă doar aleatorii. După ce au investigat statistic mișcările a sute de antroboți, ei spun că boții par să se încadreze în clase distincte. Într-un grup, structurile – mici și mai mult sau mai puțin sferice – au cili pe toată suprafața lor și nu au tendința de a se mișca deloc. Celelalte grupuri au structuri mai neregulate – oarecum în formă de cartof – care sunt doar parțial acoperite cu cili. Diferă prin faptul că au cili care sunt strâns grupați într-o singură regiune, ceea ce îi determină să înoate pe căi circulare sau au cili mai dispersați care îi fac să se miște în linii drepte.

Cercetătorii spun că fiecare dintre aceste tipuri morfologice și comportamentale poate fi considerată o structură țintă inerentă pentru grupurile de celule, asemănătoare diferitelor tipuri de țesuturi sau organe ale corpului uman.

„Ceea ce nu s-a arătat niciodată până acum este efectul pe care aceste lucruri îl au asupra altor celule”, adaugă Levin. Când cercetătorii i-au pus pe antropoi să rătăcească peste un strat plat de neuroni umani crescuți într-un vas care a fost deteriorat de o zgârietură, au descoperit că roboții ar ajuta neuronii să se regenereze peste gol. Acest lucru nu a fost doar pentru că antroboții au creat o punte pasivă între cele două margini, pentru că bucăți mici de gel polizaharidic inert nu au avut același efect.

„Nu cunoaștem mecanismul și acesta este unul dintre lucrurile de care încercăm să ne dăm seama”, spune Gumuskaya. „Dar știm că nu este doar mecanic”. Levin bănuiește că antroboții trimit semnale – poate și biochimice – neuronilor de la marginile zgârieturii, care îi încurajează să crească în gol.

„Găsirea acestei abilități a fost unul dintre primele lucruri la care ne-am uitat”, spune Levin. „Asta îmi spune că sunt probabil multe alte lucruri care sunt posibile, iar acesta este doar vârful aisbergului. Acest lucru deschide posibilitatea folosirii acestor construcții pentru a afecta alte celule (în organisme vii sau într-un vas de laborator) în multe alte moduri”. Gumuskaya speră să descopere un comportament de „vindecare” similar în modelele de boli neurodegenerative umane, cum ar fi organoizii neuronali care imită creierul. Levin sugerează că antroponii ar putea fi folosiți pentru repararea retinelor sau a măduvelor spinării deteriorate. Dar astfel de idei rămân în întregime speculative pentru moment. – sursa: https://www.scientificamerican.com