科学家用人体细胞制造微型生物机器人

塔夫茨大学和哈佛大学维斯研究所的研究人员利用人类气管细胞创造了一种微型生物机器人，他们称之为“Anthrobots”，这种机器人可以在表面移动，并且被发现可以促进实验室培养皿中受损区域神经元的生长。

这些多细胞机器人的尺寸从人类头发的宽度到削尖的铅笔的尖端不等，可以自我组装，并被证明对其他细胞具有显着的治愈效果。这一发现是研究人员利用源自患者的生物机器人作为再生、治愈和治疗疾病的新治疗工具的愿景的起点。

这项工作是塔夫茨大学艺术与科学学院Vannevar Bush 生物学教授 Michael Levin 和佛蒙特大学 Josh Bongard 实验室的早期研究的基础，他们利用青蛙胚胎细胞创建了名为Xenobots的多细胞生物机器人，能够穿越通道、收集材料、记录信息、治愈自己的伤害，甚至自行复制几个周期。当时，研究人员不知道这些能力是否取决于它们源自两栖动物胚胎，或者生物机器人是否可以用其他物种的细胞构建。

在当前发表在《Advanced Science》上的研究中，Levin 和博士生 Gizem Gumuskaya 发现，机器人实际上可以由成人细胞创建，无需任何基因改造，并且它们展示了一些超出 Xenobot 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，细胞是否可以脱离其自然环境并重新组合成不同的“身体计划”以通过设计执行其他功能?

在这种情况下，研究人员给了在气管中安静生活了几十年的人类细胞一个重新启动的机会，并找到了创造新结构和任务的方法。“我们想探索细胞除了在体内产生默认特征之外还能做什么，”在进入生物学领域之前获得建筑学学位的古穆斯卡亚说。“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。” 研究人员发现，这些细胞不仅可以创造新的多细胞形状，而且可以以不同的方式在实验室培养皿中生长的人类神经元表面移动，并促进新的生长，以填补因刮擦细胞层而造成的间隙。

目前尚不清楚 Anthrobots 是如何促进神经元生长的，但研究人员证实，神经元在 Anthrobots 集群覆盖的区域下生长，他们称之为“超级机器人”。

莱文说：“我们在实验室构建的细胞组件的功能超出了它们在体内的功能。”莱文同时担任塔夫茨大学艾伦发现中心的主任，也是维斯研究所的副教员。Levin 说：“令人着迷且完全出乎意料的是，正常患者气管细胞在不改变 DNA 的情况下，可以自行移动并促进神经元在受损区域生长。” “我们现在正在研究治愈机制是如何工作的，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利用患者自身的细胞构建机器人来执行治疗工作，而无需触发免疫反应或需要免疫抑制剂的风险。它们在分解之前只能持续几周，因此在工作完成后很容易被身体重新吸收。

此外，在体外，Anthrobots只能在非常特定的实验室条件下生存，并且不存在实验室外暴露或意外传播的风险。同样，它们不会繁殖，也不会进行基因编辑、添加或删除，因此不存在进化超出现有保障措施的风险。

机器人是如何制造的?

每个 Anthrobot 都是从一个来自成年捐赠者的单个细胞开始的。这些细胞来自气管表面，覆盖着称为纤毛的毛发状突起，可以来回波动。纤毛帮助气管细胞推出微小颗粒，这些颗粒进入肺部的气道。当我们通过咳嗽或清喉咙排出颗粒和多余液体的最后一步时，我们都会经历纤毛细胞的工作。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。

研究人员开发了鼓励纤毛在类器官上面向外的生长条件。几天之内，它们开始在像桨一样的纤毛驱动下四处移动。他们注意到不同的形状和类型的运动——第一个。生物机器人平台观察到的重要特征。莱文说，如果可以在 Anthrobots 中添加其他功能(例如，由不同的细胞提供)，它们可以被设计为对环境做出反应，并前往体内并执行功能，或者帮助在实验室中构建工程组织。

该团队在新泽西理工学院西蒙·卡尼尔的帮助下，对所生产的不同类型的机器人进行了表征。他们观察到，机器人的形状和运动可分为几个不同的类别，尺寸范围从 30 到 500 微米(从人类头发的厚度到削尖的铅笔的尖端)，填补了纳米技术和大型工程设备之间的重要空白。

有些是球形的，完全被纤毛覆盖，有些是不规则的或足球形状的，有更多斑片状的纤毛覆盖，或者只是一侧被纤毛覆盖。它们沿着直线行进，沿着紧密的圆圈移动，将这些动作组合起来，或者只是坐着扭动。完全被纤毛覆盖的球形的往往是蠕动的。纤毛分布不均匀的机器人倾向于在直线或弯曲的路径上向前移动更长的距离。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。

“人类机器人在实验室培养皿中自我组装，”创造了人类机器人的古穆斯卡亚说。“与 Xenobot 不同的是，它们不需要镊子或手术刀来塑造形状，而且我们可以使用成体细胞——甚至是来自老年患者的细胞——来代替胚胎细胞。它是完全可扩展的——我们可以并行生产大量机器人，这是开发治疗工具的良好开端。”

小小治愈者

由于 Levin 和 Gumuskaya 最终计划制造具有治疗用途的机器人，因此他们创建了一项实验室测试，以了解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，并且只需用细金属棒刮擦该层，他们就创建了一个没有细胞的开放“伤口”。

为了确保该间隙暴露在密集的Anthrobots中，他们创造了“超级机器人”，当Anthrobots被限制在一个狭小的空间内时，它会自然形成一个集群。超级机器人主要由绕圈机器人和摆动机器人组成，因此它们不会距离开放性伤口太远。

尽管可能需要对 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，未经改造的 Anthrobot 却引发了大量的再生，形成了一座与平板上其他健康细胞一样厚的神经元桥。在没有机器人的伤口中，神经元不会生长。至少在实验室培养皿的简化二维世界中，Anthrobot 组件促进了活体神经组织的有效愈合。

研究人员表示，这些机器人的进一步开发可能会带来其他应用，包括清除动脉粥样硬化患者动脉中积聚的斑块、修复脊髓或视网膜神经损伤、识别细菌或癌细胞，或者将药物输送到目标组织。理论上，机器人可以帮助组织愈合，同时还可以提供促再生药物。

制定新蓝图，恢复旧蓝图

Gumuskaya 解释说，细胞具有以某些基本方式自组装成更大结构的天生能力。“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，”古穆斯卡亚说。“与无生命的砖块的两个重要区别是，细胞可以相互通信并动态地创建这些结构，并且每个细胞都被编程为具有许多功能，例如运动、分子分泌、信号检测等。我们只是想办法结合这些元素来创造新的生物体计划和功能——与自然界中发现的不同。”

利用细胞组装固有的灵活规则帮助科学家构建机器人，同时也可以帮助他们了解自然的身体计划如何组装，基因组和环境如何共同创建组织、器官和四肢，以及如何恢复他们接受再生治疗。

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