Roboty z ludzkich komórek. Potrafią leczyć uszkodzoną tkankę

Anthroboty to malutkie roboty zbudowane z ludzkich komórek tchawicy. Mogą się poruszać i organizują się w większe struktury. Co więcej, potrafią one leczyć uszkodzoną tkankę. Dalszy rozwój tych biologicznych robotów może dodać im więcej funkcji, które pozwolą je wykorzystać chociażby do usuwania osadów z tętnic pacjentów z miażdżycą, naprawy uszkodzeń rdzenia kręgowego lub wykrywania komórek nowotworowych.

Anthroboty zostały opracowane przy dużym udziale Michaela Levina z Tufts University oraz Josha Bongarda z University of Vermont. Uczeni w 2020 roku opracowali xenoboty - malutkie roboty z komórek żaby. Były one w stanie się poruszać, a nawet przenosić niewielkie ładunki. W miarę postępów badań xenoboty zyskiwały nowe funkcje. Druga generacja poruszała się szybciej, potrafiła wykonywać zadania w grupach i została wyposażona w coś na kształt pamięci. Ostatnie ulepszenia dodały im możliwość replikacji.

Jednak medyczne zastosowania xenobotów były ograniczone, przede wszystkim dlatego, że nie pochodziły one z komórek ludzkich. Dlatego też naukowcy wzięli na warsztat ludzkie komórki tchawicy. Stworzyli z nich maleńkie roboty, które nazwali anthrobotami. Te bioboty potrafią się poruszać i jak stwierdzono, potrafią zregenerować uszkodzone neurony.

Wyniki i opis badań nad anthrobotami ukazał się na łamach pisma "Advanced Science" (DOI: 10.1002/advs.202303575).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wielokomórkowe roboty, składające się z komórek tchawicy, mają rozmiary szerokości ludzkiego włosa. Zostały zaprojektowane tak, aby mogły się samoorganizować. Co więcej, w badaniach wykazano, że mają niezwykły efekt leczniczy na inne komórki. Odkrycie to stanowi punkt wyjścia dla wizji badaczy polegającej na wykorzystaniu biobotów stworzonych z komórek pacjentów jako nowych narzędzi terapeutycznych do regeneracji i leczenia różnych chorób.

W badaniach na xenobotach uczeni tak naprawdę nie wiedzieli, czy ich możliwości zależą od tego, że pochodzą z embrionu płaza, czy też podobne bioboty można skonstruować z komórek dowolnego gatunku. W nowych pracach Levin wraz z Gizem Gumuskayą z Tufts University udowodnili, że bioboty z powodzeniem można wykonać z dorosłych komórek ludzkich i to bez żadnych modyfikacji genetycznych. Co więcej, wykazują one pewne możliwości wykraczające poza to, co zaobserwowano w przypadku xenobotów.

Naukowcy w badaniach chcieli też odpowiedzieć na kilka pytań. Chodzi m.in. o to, jakie zasady rządzą sposobem, w jaki komórki łączą się i współpracują w organizmie? Albo czy można je wyrwać z ich naturalnego kontekstu i ponownie połączyć w różne struktury, aby realizować inne funkcje?

- Chcieliśmy sprawdzić, co komórki mogą zrobić poza tworzeniem domyślnych cech w organizmie – powiedziała Gumuskaya, która przed zajęciem się biologią uzyskała dyplom z architektury. - Przeprogramowując interakcje między komórkami, można stworzyć nowe struktury wielokomórkowe, analogicznie do sposobu, w jaki kamień i cegła mogą być układane w różne elementy konstrukcyjne, takie jak ściany, łuki czy kolumny – dodała.

W prowadzonych badaniach uczeni dostrzegli, że komórki nie tylko potrafią tworzyć nowe wielokomórkowe kształty, ale mogą poruszać się na różne sposoby po powierzchni ludzkich neuronów hodowanych w naczyniu laboratoryjnym i pobudzać ich wzrost w celu wypełnienia luk spowodowanych uszkodzeniem.

Nie jest jeszcze jasne, w jaki dokładnie sposób bioboty stymulują wzrost neuronów, ale badacze potwierdzili, że neurony rozwijały się w obszarze objętym grupą anthrobotów, którą nazwali "superbotem".

- Zespoły komórkowe, które konstruujemy w laboratorium, mogą mieć możliwości wykraczające poza to, co robią w organizmie – powiedział Levin. - To fascynujące i całkowicie nieoczekiwane, że normalne komórki tchawicy pacjenta, bez żadnych modyfikacji, mogą poruszać się samodzielnie i pobudzać wzrost neuronów w obszarze uszkodzenia. Teraz przyglądamy się, jak działa mechanizm uzdrawiania i zadajemy sobie pytanie, co jeszcze mogą zrobić te konstrukty – podkreślił.

Do zalet skonstruowanej przez badaczy biologicznej maszynerii należy możliwość tworzenia botów z komórek pacjenta w celu wykorzystania ich w pracy terapeutycznej bez ryzyka wywołania odpowiedzi immunologicznej lub konieczności stosowania leków immunosupresyjnych. Anthroboty wytrzymują tylko kilka tygodni, zanim się rozpadną, więc po zakończeniu pracy organizm powinien je wchłonąć. Do tego poza ciałem boty przetrwają jedynie w bardzo specyficznych warunkach i nie ma ryzyka ich niezamierzonego rozprzestrzenienia się poza laboratorium. Ich twórcy zaznaczają, że ich dzieło "nie potrafi się namnażać, nie podlega zmianom genetycznym, dodatkom ani usunięciom, zatem nie ma ryzyka, że wyewoluują poza istniejące zabezpieczenia".

Każdy z biobotów zaczyna jako pojedyncza komórka pochodząca od dorosłego dawcy. Komórki pochodzą z powierzchni tchawicy i są pokryte włoskowatymi wypustkami zwanymi rzęskami. Rzęski pomagają komórkom tchawicy wyłapywać drobne cząsteczki pyłu, które przedostały się do dróg oddechowych. Wszyscy doświadczamy pracy tych komórek, kiedy wykonujemy ostatni krok, jakim jest wydalenie złapanych przez nie cząsteczek i nadmiaru płynu, poprzez kaszel lub odchrząknięcie.

Wcześniejsze prace przeprowadzone przez inne zespoły badawcze wykazały, że komórki hodowane w laboratorium spontanicznie samoorganizują się tworząc maleńkie, wielokomórkowe zbitki zwane organoidami.

Naukowcy opracowali specjalne warunki wzrostu dla komórek urzęsionych. W ciągu kilku dni hodowli zaczęły one się poruszać za pomocą rzęsek. Uczeni dostrzegli, że komórki te łączą się w różne kształty. Zaobserwowali też różne rodzaje ruchu. Levin stwierdził, że gdyby dodać do nich inne komórki posiadające inne funkcje, można by je projektować tak, aby reagowały na otoczenie i pełniły różne funkcje w organizmie lub pomagały w budowaniu zmodyfikowanych tkanek w laboratorium.

Komórki w laboratorium łączyły się na różne sposoby. Osiągały rozmiary od 30 do 500 mikrometrów. Niektóre były kuliste i całkowicie pokryte rzęskami, a inne miały nieregularny kształt lub były niejednolicie pokryte rzęskami. Jeszcze inne były pokryte rzęskami po jednej stronie, a po drugiej nie. Jedne poruszały w linii prostej, inne chaotycznie. Te kuliste, w pełni pokryte rzęskami, siedziały w miejscu i wierciły się, jak to określili badacze. Te z rzęskami rozmieszczonymi nierównomiernie miały tendencję do poruszania się do przodu na dłuższych odcinkach po prostych lub zakrzywionych ścieżkach. Zwykle przeżywały około 45-60 dni w warunkach laboratoryjnych, zanim uległy naturalnej biodegradacji.

- W przeciwieństwie do xenobotów nie wymagają pęsety ani skalpela, aby nadać im kształt, a zamiast komórek embrionalnych możemy wykorzystywać komórki dorosłe – nawet komórki pochodzące od starszych pacjentów. Jest to w pełni skalowalny system. Możemy równolegle produkować roje tych botów, co jest dobrym początkiem do opracowania narzędzia terapeutycznego - powiedziała Gumuskaya.

Levin i Gumuskaya opracowali test, aby zobaczyć, czy boty mogą leczyć rany. Wyhodowali w laboratorium warstwę ludzkich neuronów i po prostu przez zadrapanie tej warstwy cienkim metalowym prętem utworzyli otwartą ranę. W ten obszar wpuścili rój anthrobotów, które utworzyły gęste skupisko, czyli "superbota"

Uczeni spodziewali się, że potrzebne będę modyfikacje genetyczne ich biobotów, by te uleczyły ranę. Ale okazało się to niekonieczne. Anthroboty spowodowały znaczny odrost neuronów na stworzonej ranie. Neurony nie rosły tylko tam, gdzie nie było anthrobotów.

Zdaniem naukowców dalszy rozwój botów może prowadzić do innych zastosowań, w tym do usuwania osadów w tętnicach pacjentów z miażdżycą, naprawy uszkodzeń rdzenia kręgowego lub nerwu siatkówki, rozpoznawania bakterii lub komórek nowotworowych czy dostarczania leków do docelowych tkanek. Antroboty mogłyby teoretycznie pomagać w gojeniu tkanek, jednocześnie wytwarzając leki proregeneracyjne.

Gumuskaya wyjaśniła, że komórki mają wrodzoną zdolność do samoorganizowania się w większe struktury w określony sposób. - Komórki mogą tworzyć warstwy, łączyć się, tworzyć kule, rozdzielać według typu, a nawet poruszać. Dwie istotne różnice w porównaniu z nieożywionymi cegłami polegają na tym, że komórki mogą komunikować się ze sobą i dynamicznie tworzyć te struktury, a każda komórka ma zaprogramowane wiele funkcji, takich jak ruch, wydzielanie cząsteczek, wykrywanie sygnałów i nie tylko. Zastanawiamy się, jak połączyć te elementy, aby stworzyć nowe biologiczne plany i funkcje organizmu – inne niż te występujące w naturze – powiedziała Gumuskaya.