Menschliche Zellen verwandelten sich in winzige biologische Roboter

Die vielzelligen Bots bewegen sich und helfen dabei, „Wunden“ zu heilen, die in kultivierten Neuronen entstanden sind.

Forscher der Tufts University und des Wyss Institute der Harvard University haben winzige biologische Roboter, die sie Anthrobots nennen, aus menschlichen Luftröhrenzellen geschaffen, die sich über eine Oberfläche bewegen können und nachweislich das Wachstum von Neuronen über einen beschädigten Bereich in einer Laborschale fördern.

Die vielzelligen Roboter, deren Größe von der Breite eines menschlichen Haares bis zur Spitze eines angespitzten Bleistifts reicht, wurden dazu gebracht, sich selbst zu organisieren und zeigten nachweislich eine bemerkenswerte heilende Wirkung auf andere Zellen. Die Entdeckung ist ein Ausgangspunkt für die Vision der Forscher, von Patienten stammende Biobots als neue therapeutische Werkzeuge zur Regeneration, Heilung und Behandlung von Krankheiten einzusetzen.

Menschliche Luftröhrenhautzellen organisieren sich selbst zu vielzelligen, beweglichen Organoiden, sogenannten Anthrobots. Diese Bilder zeigen Anthrobots mit Flimmerhärchen auf ihrer Oberfläche (gelb), die in verschiedenen Mustern verteilt sind. Oberflächenmuster von Flimmerhärchen korrelieren mit verschiedenen Bewegungsmustern: kreisförmig, wackelnd, lange Kurven oder gerade Linien. Bildnachweis: Gizem Gumuskaya, Tufts University

Von Xenobots zu Anthrobots: Ein Sprung in der Biobotik

Dieser Fortschritt baut auf früheren Forschungen in den Laboren von Michael Levin, Vannevar Bush-Professor für Biologie an der Tufts University School of Arts & Sciences, und Josh Bongard an der University of Vermont auf, in denen sie mehrzellige biologische Roboter aus Froschembryozellen namens Xenobots entwickelten B. durch Gänge zu navigieren, Material zu sammeln, Informationen aufzuzeichnen, sich von Verletzungen zu heilen und sogar einige Zyklen lang selbstständig zu reproduzieren. Damals wussten die Forscher nicht, ob diese Fähigkeiten davon abhingen, dass sie aus einem Amphibienembryo gewonnen wurden, oder ob Biobots aus Zellen anderer Tiere konstruiert werden konnten Spezies.

In der aktuellen Studie, veröffentlicht in Fortgeschrittene Wissenschaft, entdeckte Levin zusammen mit dem Doktoranden Gizem Gumuskaya, dass Bots tatsächlich aus erwachsenen menschlichen Zellen ohne jegliche genetische Veränderung erstellt werden können, und sie zeigen einige Fähigkeiten, die über das hinausgehen, was bei den Xenobots beobachtet wurde. Die Entdeckung beginnt damit, eine umfassendere Frage zu beantworten, die das Labor gestellt hat: Welche Regeln regeln, wie sich Zellen im Körper zusammensetzen und zusammenarbeiten, und können die Zellen aus ihrem natürlichen Kontext herausgenommen und zu verschiedenen „Körperplänen“ neu kombiniert werden? andere Funktionen absichtlich ausführen?

Erkundung der Fähigkeiten von Anthrobots

In diesem Fall gaben die Forscher menschlichen Zellen nach Jahrzehnten des ruhigen Lebens in der Luftröhre die Chance, neu zu starten und Wege zu finden, neue Strukturen und Aufgaben zu schaffen. „Wir wollten herausfinden, was Zellen tun können, außer Standardfunktionen im Körper zu schaffen“, sagte Gumuskaya, die einen Abschluss in Architektur machte, bevor sie sich der Biologie zuwandte. „Durch die Neuprogrammierung der Interaktionen zwischen Zellen können neue vielzellige Strukturen geschaffen werden, analog zur Art und Weise, wie Stein und Ziegel zu verschiedenen Strukturelementen wie Wänden, Torbögen oder Säulen angeordnet werden können.“ Die Forscher fanden heraus, dass die Zellen nicht nur neue vielzellige Formen bilden können, sondern sich auch auf unterschiedliche Weise über eine Oberfläche menschlicher Neuronen bewegen können, die in einer Laborschale gezüchtet wurden, und neues Wachstum fördern können, um Lücken zu füllen, die durch das Kratzen der Zellschicht entstanden sind.

Wie genau die Anthrobots das Wachstum von Neuronen fördern, ist noch nicht klar, aber die Forscher bestätigten, dass Neuronen unter dem Bereich wuchsen, der von einer Ansammlung von Anthrobots bedeckt war, die sie „Superbot“ nannten.

„Die Zellanordnungen, die wir im Labor konstruieren, können über Fähigkeiten verfügen, die über das hinausgehen, was sie im Körper bewirken“, sagte Levin, der auch als Direktor des Allen Discovery Center in Tufts fungiert und assoziiertes Fakultätsmitglied des Wyss Institute ist. „Es ist faszinierend und völlig unerwartet, dass normale Trachealzellen von Patienten, ohne ihre Eigenschaften zu verändern DNA„Sie können sich selbstständig bewegen und das Neuronenwachstum in einem geschädigten Bereich fördern“, sagte Levin. „Wir schauen uns jetzt an, wie der Heilungsmechanismus funktioniert, und fragen uns, was diese Konstrukte sonst noch bewirken können.“

Gizem Gumuskaya arbeitet im Labor an der Herstellung von Anthrobots. Bildnachweis: Gizem Gumuskaya, Tufts University

Zu den Vorteilen der Verwendung menschlicher Zellen gehört die Möglichkeit, Bots aus patienteneigenen Zellen zu konstruieren, um therapeutische Arbeit zu leisten, ohne das Risiko einer Immunantwort auszulösen oder Immunsuppressiva zu benötigen. Sie halten nur wenige Wochen an, bevor sie abgebaut werden, und können daher nach getaner Arbeit problemlos wieder vom Körper aufgenommen werden.

Darüber hinaus können Anthrobots außerhalb des Körpers nur unter ganz bestimmten Laborbedingungen überleben, und es besteht kein Risiko einer Exposition oder unbeabsichtigten Ausbreitung außerhalb des Labors. Ebenso vermehren sie sich nicht und weisen keine genetischen Veränderungen, Hinzufügungen oder Löschungen auf, so dass kein Risiko besteht, dass sie sich über bestehende Schutzmaßnahmen hinaus weiterentwickeln.

Wie werden Anthrobots hergestellt?

Jeder Anthrobot beginnt als einzelne Zelle, die von einem erwachsenen Spender stammt. Die Zellen kommen von der Oberfläche der Luftröhre und sind mit haarähnlichen Vorsprüngen, sogenannten Zilien, bedeckt, die hin und her winken. Die Flimmerhärchen helfen den Trachealzellen dabei, winzige Partikel auszustoßen, die in die Luftwege der Lunge gelangen. Wir alle erleben die Arbeit der Flimmerzellen, wenn wir den letzten Schritt unternehmen und die Partikel und überschüssige Flüssigkeit durch Husten oder Räuspern ausstoßen. Frühere Studien anderer hatten gezeigt, dass die Zellen, wenn sie im Labor gezüchtet werden, spontan winzige vielzellige Kügelchen, sogenannte Organoide, bilden.

Die Forscher entwickelten Wachstumsbedingungen, die die Zilien dazu ermutigten, auf Organoiden nach außen zu zeigen. Innerhalb weniger Tage begannen sie, sich fortzubewegen, angetrieben von den Flimmerhärchen, die wie Ruder wirkten. Sie bemerkten verschiedene Formen und Arten von Bewegungen – die erste. wichtiges Merkmal der Biorobotik-Plattform. Levin sagt, wenn den Anthrobots weitere Funktionen hinzugefügt werden könnten (z. B. von verschiedenen Zellen bereitgestellt), könnten sie so gestaltet werden, dass sie auf ihre Umgebung reagieren und zum Körper reisen und dort Funktionen ausführen oder beim Aufbau künstlicher Gewebe im Labor helfen .

Das Team, mit der Hilfe von Simon Garnier am New Jersey Institute of Technologycharakterisierte die verschiedenen Arten von Anthrobots, die hergestellt wurden. Sie beobachteten, dass Bots in einige diskrete Formen- und Bewegungskategorien fallen, deren Größe zwischen 30 und 500 Mikrometern liegt (von der Dicke eines menschlichen Haares bis zur Spitze eines gespitzten Bleistifts) und eine wichtige Nische zwischen Nanotechnologie und größeren technischen Geräten füllen .

Einige waren kugelförmig und vollständig mit Flimmerhärchen bedeckt, andere waren unregelmäßig oder fußballförmig mit einer fleckigeren Flimmerhärchenbedeckung oder nur auf einer Seite mit Flimmerhärchen bedeckt. Sie bewegten sich in geraden Linien, bewegten sich in engen Kreisen, kombinierten diese Bewegungen oder saßen einfach herum und wackelten. Die kugelförmigen, die vollständig mit Flimmerhärchen bedeckt waren, neigten dazu, Wackelpilze zu sein. Die Anthrobots mit ungleichmäßig verteilten Flimmerhärchen neigten dazu, sich über längere Strecken auf geraden oder gekrümmten Bahnen vorwärts zu bewegen. Unter Laborbedingungen überlebten sie normalerweise etwa 45–60 Tage, bevor sie auf natürliche Weise biologisch abgebaut wurden.

„Anthrobots organisieren sich in der Laborschale selbst“, sagte Gumuskaya, der die Anthrobots erschaffen hat. „Im Gegensatz zu Xenobots benötigen sie keine Pinzette oder Skalpelle, um ihnen Form zu geben, und wir können erwachsene Zellen – sogar Zellen älterer Patienten – anstelle von embryonalen Zellen verwenden. Es ist vollständig skalierbar – wir können Schwärme dieser Bots parallel produzieren, was ein guter Anfang für die Entwicklung eines therapeutischen Werkzeugs ist.“

Eine Ansammlung von Anthrobots oder Superbots (grün) stimuliert das Wachstum von Neuronen (rot) dort, wo sie mechanisch entfernt wurden. Bildnachweis: Gizem Gumuskaya, Tufts University

Anthrobots: Die Zukunft der Heilung und Therapie

Da Levin und Gumuskaya letztendlich planen, Anthrobots mit therapeutischen Anwendungen herzustellen, haben sie einen Labortest erstellt, um zu sehen, wie die Bots Wunden heilen könnten. Bei dem Modell wurde eine zweidimensionale Schicht menschlicher Neuronen gezüchtet, und durch einfaches Kratzen der Schicht mit einem dünnen Metallstab entstand eine offene „Wunde“ ohne Zellen.

Um sicherzustellen, dass die Lücke einer dichten Konzentration von Anthrobots ausgesetzt ist, haben sie „Superbots“ geschaffen, eine Gruppe, die sich auf natürliche Weise bildet, wenn die Anthrobots auf einen kleinen Raum beschränkt sind. Die Superbots bestanden hauptsächlich aus Kreisern und Wackelnden, damit sie sich nicht zu weit von der offenen Wunde entfernten.

Obwohl zu erwarten war, dass genetische Modifikationen der Anthrobot-Zellen nötig wären, um den Bots zu helfen, das neuronale Wachstum zu fördern, lösten die unveränderten Anthrobots überraschenderweise ein erhebliches Nachwachsen aus und bildeten eine Brücke aus Neuronen, die so dick war wie der Rest der gesunden Zellen auf der Platte. In der Wunde, in der es keine Anthrobots gab, wuchsen keine Neuronen. Zumindest in der vereinfachten 2D-Welt der Laborschale förderten die Anthrobot-Baugruppen die effiziente Heilung von lebendem Nervengewebe.

Den Forschern zufolge könnte die Weiterentwicklung der Bots zu anderen Anwendungen führen, darunter die Beseitigung von Plaqueablagerungen in den Arterien von Arteriosklerosepatienten, die Reparatur von Rückenmarks- oder Netzhautnervenschäden, die Erkennung von Bakterien oder Krebszellen oder die Abgabe von Medikamenten an Zielgewebe. Die Anthrobots könnten theoretisch bei der Heilung von Gewebe helfen und gleichzeitig proregenerative Medikamente abgeben.

Zelluläre Blaupausen und regenerative Möglichkeiten

Gumuskaya erklärte, dass Zellen die angeborene Fähigkeit besitzen, sich auf bestimmte grundlegende Weise selbst zu größeren Strukturen zusammenzufügen. „Die Zellen können Schichten bilden, sich falten, Kugeln bilden, sich nach Typ sortieren und trennen, miteinander verschmelzen oder sich sogar bewegen“, sagte Gumuskaya. „Zwei wichtige Unterschiede zu unbelebten Ziegeln bestehen darin, dass Zellen miteinander kommunizieren und diese Strukturen dynamisch erzeugen können und jede Zelle mit vielen Funktionen programmiert ist, wie Bewegung, Sekretion von Molekülen, Erkennung von Signalen und mehr.“ Wir finden gerade heraus, wie wir diese Elemente kombinieren können, um neue biologische Körperpläne und -funktionen zu schaffen – anders als diejenigen, die in der Natur vorkommen.“

Die Nutzung der inhärent flexiblen Regeln des Zellaufbaus hilft den Wissenschaftlern bei der Konstruktion der Bots, kann ihnen aber auch dabei helfen, zu verstehen, wie natürliche Körperpläne zusammengesetzt werden, wie Genom und Umwelt zusammenarbeiten, um Gewebe, Organe und Gliedmaßen zu bilden, und wie diese wiederhergestellt werden sie mit regenerativen Behandlungen.

Referenz: „Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells“ von Gizem Gumuskaya, Pranjal Srivastava, Ben G. Cooper, Hannah Lesser, Ben Semegran, Simon Garnier und Michael Levin, 30. November 2023, Fortgeschrittene Wissenschaft.
DOI: 10.1002/advs.202303575