ساخت ربات‌های بیولوژیکی کوچک از سلول های انسانی

اخیرا محققان ربات‌های بیولوژیکی چند سلولی ساخته اند که به اطراف حرکت می‌کنند و به بهبود زخم‌های ایجاد شده در نورون‌های پرورش‌یافته کمک می‌کنند.

به گزارش تکناک، محققان دانشگاه تافتس و موسسه Wyss دانشگاه هاروارد اخیرا ربات‌های بیولوژیکی کوچکی را ساخته‌اند که آن‌ها را آنتروبات می‌نامند و از سلول‌های نای انسان مشتق شده اند که می‌توانند در سطح حرکت کنند و رشد نورون‌ها را در ناحیه آسیب‌دیده در ظرف آزمایشگاه تسریع کنند.

این ربات‌های چند سلولی که اندازه آنها از عرض یک تار موی انسان تا نوک یک مداد تیز متغییر است، به‌گونه‌ای ساخته شده‌اند که به‌صورت خودکار مونتاژ شوند و تأثیر شفابخش قابل‌توجهی بر سلول‌های دیگر دارند. این کشف نقطه شروعی برای دیدگاه محققان برای استفاده از ربات های زیستی مشتق شده از بیمار به عنوان ابزارهای درمانی جدید به منظور بازسازی، شفا و درمان بیماری است.

جهش در بیوباتیک

این پیشرفت بر اساس تحقیقات قبلی در آزمایشگاه‌های یک استاد زیست شناسی به نام مایکل لوین و جاش بونگارد در دانشگاه ورمونت است که ربات‌های بیولوژیکی چند سلولی را از سلول‌های جنین قورباغه به نام زنوبات ایجاد کردند که قادر به پیمایش در گذرگاه ها، جمع آوری مطالب، ثبت اطلاعات، بهبودی خود از آسیب و حتی تکرار برای چند چرخه به تنهایی هستند. در آن زمان، محققان نمی‌دانستند که آیا این قابلیت‌ها به مشتق شدن آنها از جنین دوزیستان بستگی دارد یا اینکه می‌توان این ربات‌های زیستی را از سلول‌های گونه‌های دیگر نیز ساخت.

در مطالعه کنونی که در مجله Advanced Science منتشر شده است، لوین به همراه یک دانشجوی دکترا به نام گیزم گوموسکایا کشف کردند که این ربات‌ها در واقع می‌توانند از سلول‌های انسان بالغ بدون هیچ گونه تغییر ژنتیکی ایجاد شوند و آن‌ها برخی از قابلیت‌های فراتر از آنچه در زنوبات مشاهده شد را از خود نشان می‌دهند.

این کشف شروع به پاسخ دادن به یک سوال را گسترده‌تر می‌کند: قوانینی که تعامل و هماهنگی سلول‌ها در بدن را اداره می‌کنند چیست و آیا می‌توان سلول‌ها را از محیط طبیعی خود خارج کرده و به صورت طراحی شده به دیگر ترکیبات بدن برای انجام وظایف دیگر منتقل کرد؟

بررسی قابلیت های آنتروبات ها

در این مورد، محققان به سلول های انسانی پس از چندین دهه زندگی آرام در نای، فرصتی برای راه اندازی مجدد و یافتن راه هایی برای ایجاد ساختارها و وظایف جدید دادند. گوموسکایا که قبل از ورود به زیست شناسی مدرک خود را در رشته معماری دریافت کرده است، می گوید: ما می خواستیم بررسی کنیم که سلول ها علاوه بر ایجاد ویژگی های پیش فرض در بدن چه کارهایی می توانند انجام دهند. با برنامه‌ریزی مجدد فعل و انفعالات بین سلول‌ها، می‌توان ساختارهای چند سلولی جدیدی ایجاد کرد، مشابه نحوه چیدمان سنگ و آجر در عناصر ساختاری مختلف مانند دیوارها، طاق‌ها یا ستون‌ها. محققان فهمیدند که سلول‌ها نه تنها می‌توانند اشکال چند سلولی جدید ایجاد کنند، بلکه می‌توانند به روش‌های مختلف روی سطحی از سلول‌های عصبی انسان رشد کرده، در یک ظرف آزمایشگاهی حرکت کنند و رشد جدید را تشویق کنند تا شکاف‌های ناشی از خراشیدن لایه سلول‌ها را پر کنند.

اینکه آنتروبات‌ها دقیقاً چگونه رشد نورون‌ها را تشویق می‌کنند هنوز مشخص نیست، اما محققان تأیید کردند که نورون‌ها در زیر ناحیه تحت پوشش مجموعه‌ای از آنتروبات‌ها رشد کردند که آن‌ها آن را سوپرربات نامیدند.

لوین گفت: مجموعه‌های سلولی که ما در آزمایشگاه می‌سازیم می‌توانند قابلیت‌هایی فراتر از آنچه در بدن انجام می‌دهند، داشته باشند. جالب و کاملاً غیرمنتظره است که سلول‌های نای بیمار عادی، بدون تغییر DNA خود، می‌توانند به تنهایی حرکت کنند و رشد نورون‌ها را در ناحیه آسیب‌دیده تشویق کنند. ما اکنون در حال بررسی نحوه عملکرد مکانیسم شفا هستیم و می‌پرسیم که این ساختارها چه کارهای دیگری می‌توانند انجام دهند.

مزایای استفاده از سلول‌های انسانی شامل توانایی ساخت ربات‌ها از سلول‌های خود بیمار برای انجام کارهای درمانی بدون خطر تحریک پاسخ ایمنی یا نیاز به سرکوب‌کننده‌های ایمنی است. آنها فقط چند هفته قبل از شکستن دوام می آورند و بنابراین پس از اتمام کار به راحتی می توانند دوباره جذب بدن شوند.

علاوه بر این، آنتروبوت‌ها در خارج از بدن فقط در شرایط آزمایشگاهی بسیار خاص می‌توانند زنده بمانند و خطر قرار گرفتن در معرض یا انتشار ناخواسته در خارج از آزمایشگاه وجود ندارد. به همین ترتیب، آنها تکثیر نمی‌شوند و هیچ ویرایش، مضاعف شدن یا حذف ژنتیکی ندارند، بنابراین هیچ خطری برای تکامل آنها فراتر از پادمان‌های موجود وجود ندارد.

آنتروبات ها چگونه ساخته می شوند؟

هر آنتروبات به عنوان یک سلول منفرد شروع می شود که از یک اهدا کننده بالغ مشتق شده است. سلول‌ها از سطح نای می‌آیند و با برآمدگی‌های مویی به نام مژک پوشیده شده‌اند که به سمت جلو و عقب حرکت می‌کنند. مژک ها به سلول های نای کمک می کنند تا ذرات ریز را که راه خود را به مسیرهای هوایی ریه باز می کنند، بیرون برانند. همه ما زمانی که گام آخر را برای دفع ذرات و مایعات اضافی با سرفه یا پاک کردن گلو برمی داریم، کار سلول های مژک دار را تجربه می کنیم. مطالعات قبلی توسط دیگر محققان نشان داده بود که وقتی سلول ها در آزمایشگاه رشد می کنند، به طور خود به خود کره های چند سلولی کوچکی به نام ارگانوئیدها را تشکیل می دهند.

محققان یک سری شرایط رشدی ایجاد کردند که مژک ها را تشویق می کرد تا به سمت بیرون روی ارگانوئیدها قرار بگیرند. در عرض چند روز آنها شروع به حرکت کردند که توسط مژک هایی که مانند پارو عمل می کنند، رانده شدند. آنها به اشکال و انواع مختلف حرکت اشاره کردند. ویژگی مهم مشاهده شده از پلت فرم بیوروباتیک لوین می‌گوید که اگر بتوان ویژگی‌های دیگری را به آنتروبوت‌ها اضافه کرد، می‌توان آن‌ها را طوری طراحی کرد که به محیط آن‌ها پاسخ دهند و به بدن سفر کنند و عملکردهایی را در آن انجام دهند، یا به ساخت بافت‌های مهندسی شده در آزمایشگاه کمک کنند.

این تیم با کمک سایمون گارنیر در مؤسسه فناوری نیوجرسی، انواع مختلف آنتروبات‌های تولید شده را مشخص کردند. آنها مشاهده کردند که ربات ها در چند دسته بندی مجزا از شکل و حرکت قرار می گیرند که اندازه آنها از 30 تا 500 میکرومتر (از ضخامت موی انسان تا نوک مداد تیز شده) متغیر است، که جایگاه مهمی بین فناوری نانو و دستگاه های مهندسی بزرگتر را پر می کند.

برخی کروی و کاملاً پوشیده از مژک بودند و برخی نامنظم یا توپی شکل با پوشش تکه تکه مژک یا فقط پوشیده از مژک در یک طرف بودند. آنها در خطوط مستقیم سفر می کردند، در دایره های تنگ حرکت می کردند، این حرکات را با هم ترکیب می کردند، یا فقط می نشستند و تکان می خوردند. کروی‌هایی که کاملاً با مژک پوشانده شده‌ بودند، تمایل به یک عامل تکان‌دهنده دارند. آنتروبوت‌ها با مژک‌هایی که به طور ناموزون توزیع شده بودند، تمایل داشتند برای امتداد طولانی‌تری در مسیرهای مستقیم یا منحنی به جلو حرکت کنند. آنها معمولاً حدود 45 تا 60 روز در شرایط آزمایشگاهی قبل از تجزیه طبیعی زیستی زنده ماندند.

گوموسکایا که آنتروبوت ها را ایجاد کرده است، می گوید: آنتروبات ها خود به خود در ظرف آزمایشگاهی جمع می شوند. برخلاف زنوبات‌ها، آن‌ها برای شکل دادن به آنها به موچین یا چاقوی جراحی نیاز ندارند و ما می‌توانیم از سلول‌های بالغ حتی سلول‌های بیماران مسن به جای سلول‌های جنینی استفاده کنیم. آنتروبات‌ها کاملاً مقیاس پذیر هستند. ما می توانیم دسته هایی از این ربات ها را به صورت موازی تولید کنیم که شروع خوبی برای توسعه یک ابزار درمانی است.

آنتروبات‌ها: آینده شفا و درمان

از آنجایی که لوین و گوموسکایا در نهایت قصد دارند تا آنتروبات‌هایی با کاربردهای درمانی بسازند، آنها یک آزمایش ایجاد کردند تا ببینند چگونه این ربات ها ممکن است زخم ها را التیام بخشند. این مدل شامل رشد یک لایه دو بعدی از نورون های انسانی بود و به سادگی با خراشیدن لایه با یک میله فلزی نازک، آنها یک زخم باز و بدون سلول ایجاد کردند.

برای اطمینان از اینکه این شکاف در معرض غلظت متراکم آنتروبات ها قرار می گیرد، آنها سوپرربات خوشه ای را ایجاد کردند که به طور طبیعی زمانی که آنتروبات ها در یک فضای کوچک محدود می شوند، تشکیل می شود. سوپرربات‌ها عمدتاً از دایره‌ها و تکان‌دهنده‌ها تشکیل می‌شدند، بنابراین نمی‌توانستند خیلی دور از زخم باز شوند.

اگرچه می‌توان انتظار داشت که تغییرات ژنتیکی سلول‌های آنتروبات برای کمک به ربات‌ها برای تشویق رشد عصبی مورد نیاز باشد، اما در کمال تعجب، آنتروبات‌های اصلاح‌نشده باعث رشد مجدد قابل توجهی شدند و پلی از نورون‌ها به ضخامت بقیه سلول‌های سالم روی صفحه ایجاد کردند. نورون ها در زخمی که آنتروبات ها وجود نداشتند، رشد نکردند. حداقل در دنیای دوبعدی ساده شده ظرف آزمایشگاهی، مجموعه های آنتروبات‌ها ترمیم موثر بافت عصبی زنده را تشویق کردند.

به گفته محققان، توسعه بیشتر ربات‌ها می‌تواند به کاربردهای دیگری از جمله پاکسازی تجمع پلاک در شریان‌های بیماران مبتلا به تصلب شرایین، ترمیم آسیب‌های عصبی نخاعی یا شبکیه، شناسایی باکتری‌ها یا سلول‌های سرطانی، یا رساندن دارو به بافت‌های هدف منجر شود. در تئوری آنتروبوا‌ها می‌توانند به بهبود بافت‌ها کمک کنند، در حالی که داروهای احیاکننده را نیز در اختیار مصرف کنندگان قرار می‌دهند.

طرح های سلولی و امکانات بازسازی

گوموسکایا توضیح داد که سلول‌ها این توانایی ذاتی را دارند که به روش‌های اساسی خاصی در ساختارهای بزرگ‌تر جمع شوند. وی می‌گوید: سلول‌ها می‌توانند لایه‌هایی تشکیل دهند، تا شوند، کره بسازند، خود را بر اساس نوع، دسته‌بندی و جدا کنند، با هم ترکیب شوند یا حتی حرکت کنند. دو تفاوت مهم با آجرهای بی جان این است که سلول ها می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و این ساختارها را به صورت پویا ایجاد کنند و هر سلول با عملکردهای زیادی مانند حرکت، ترشح مولکول ها، تشخیص سیگنال ها و غیره برنامه ریزی شده است. ما فقط در حال کشف چگونگی ترکیب این عناصر برای ایجاد برنامه ها و عملکردهای جدید بدن بیولوژیکی هستیم که متفاوت از آنچه در طبیعت یافت می شود، است.

استفاده از قوانین انعطاف‌پذیر مونتاژ سلولی به دانشمندان کمک می‌کند تا ربات‌ها را بسازند، اما همچنین می‌تواند به آنها کمک کند تا بفهمند که چگونه طرح‌های طبیعی  بدن انجام می‌شوند، چگونه ژنوم و محیط با یکدیگر برای ایجاد بافت‌ها، اندام‌ها و نحوه بازیابی آنها با درمان های احیا کننده، همکاری می‌کنند.