Forscher entwickeln derzeit winzige Bioroboter aus lebenden Zellen, die eine Vielzahl von Aufgaben im menschlichen Körper übernehmen sollen, von der Medikamentenabgabe bis zur Identifizierung von Krebszellen. Bei der neuesten Entwicklung ist es Forschern der Tufts University und des Wyss Institute der Harvard University gelungen, unter Verwendung menschlicher Luftröhrenzellen einen neuen Typ eines biologischen Roboters zu entwickeln.
Forscher haben menschliche Atemwegszellen verwendet, um winzige biologische Roboter zu erschaffen, die sich selbstständig bewegen und zusammenarbeiten können, um die Heilung beschädigter Neuronen zu fördern, ohne Gene zu verändern. Dieser winzige Roboter hat das Potenzial, die regenerative Medizin und die Behandlung von Krankheiten zu verändern.
Zuvor arbeitete die Tufts University mit der University of Vermont zusammen, um mithilfe embryonaler Froschzellen einen mehrzelligen biologischen Roboter namens „Xenobot“ zu entwickeln, der navigieren, Informationen aufzeichnen und sich selbst reparieren kann. Damals waren sich die Forscher nicht sicher, ob diese Fähigkeiten darauf zurückzuführen waren, dass der Xenobot aus Froschzellen hergestellt wurde, oder ob der Biobot aus Zellen anderer Arten hergestellt werden konnte.
In der aktuellen Studie wollten die Forscher herausfinden, ob Zellen aus ihrer natürlichen Umgebung entfernt und in verschiedene „Körperpläne“ wieder zusammengesetzt werden können, um andere Funktionen zu erfüllen. Sie fanden heraus, dass sie mithilfe erwachsener menschlicher Zellen leistungsfähigere Roboter erschaffen könnten, ohne dass eine genetische Veränderung erforderlich wäre.
„Wir wollten erforschen, was Zellen tun können, außer Standardfunktionen im Körper zu schaffen“, sagte Gizem Gumuskaya, Erstautor und korrespondierender Autor der Studie. „Durch die Neuprogrammierung der Interaktionen zwischen Zellen können neue vielzellige Strukturen geschaffen werden, genauso wie Steine und Ziegel zu unterschiedlichen Strukturelementen wie Wänden, Bögen oder Säulen angeordnet werden können.“
Sie extrahierten zunächst Trachealzellen aus der Oberfläche der menschlichen Luftröhre und entwickelten dann ein neues Protokoll, das die vorhandenen Fähigkeiten bronchialer Epithel-Vorläuferzellen nutzt, um mehrzellige Sphäroide mit Zilien zu bilden, winzigen haarähnlichen Strukturen, die vibrieren und sich bewegen können. Sie modifizierten diesen Prozess, um mit Zilien umwickelte Kugeln herzustellen; Das heißt, die Flimmerstrukturen befinden sich eher außerhalb der Kugeln als innerhalb.
Innerhalb weniger Tage begannen die neuen Zellen, die die Forscher „Anthrobots“ nennen, angetrieben von Zilien, sich zu bewegen. Die Größe der Roboter variiert im ausgewachsenen Zustand zwischen 30 Mikrometern und 500 Mikrometern. Einige sind kugelförmig und vollständig mit Flimmerhärchen bedeckt, während andere unregelmäßig oder fußballförmig und ungleichmäßig mit Flimmerhärchen bedeckt sind. Die Verteilung der Flimmerhärchen bestimmt, wie sich der Roboter bewegt, entweder in Schleifen oder auf geraden oder gekrümmten Bahnen. Anthrobots überleben unter Laborbedingungen normalerweise 45 bis 60 Tage, bevor sie auf natürliche Weise abgebaut werden.
„Anthrobots können sich in einer Laborschale zusammensetzen“, sagte Gumuskaya. „Im Gegensatz zu Xenobots benötigen sie keine Pinzette oder Skalpelle, um sie zu formen, und wir können erwachsene Zellen oder sogar Zellen älterer Patienten anstelle von embryonalen Zellen verwenden. Es ist vollständig skalierbar – wir können Schwärme dieser Roboter parallel produzieren, was ein guter Anfang für die Entwicklung therapeutischer Werkzeuge ist.“
Die Forscher züchteten eine Schicht zweidimensionaler menschlicher Neuronen in einer Laborschale und kratzten die Zellen dann mit einem dünnen Metallstab, wodurch eine „Wunde“ ohne Zellen entstand. Sie platzierten einen Schwarm Anthrobots in einer Petrischale und beobachteten, wie sie sich über die Oberfläche von Neuronen bewegten. Die Roboter förderten das Wachstum neuer Zellen, füllten durch Wunden entstandene Lücken und bildeten neuronale Brücken, so dick wie gesunde Zellen. In Wunden ohne Anthrobots wuchsen die Neuronen nicht.
Michael Levin, ein weiterer korrespondierender Autor, sagte: „Die Zellanordnungen, die wir im Labor erstellt haben, können Funktionen haben, die über ihre Fähigkeiten im Körper hinausgehen. Es ist faszinierend und völlig unerwartet, dass sich normale Atemwegszellen von Patienten selbstständig bewegen und das Wachstum von Neuronen im beschädigten Bereich fördern können, ohne ihre DNA zu verändern. Wir untersuchen jetzt, wie dieser Heilungsmechanismus funktioniert und erforschen, was diese Konstrukte sonst noch bewirken können.“
Einer der Vorteile der Verwendung menschlicher Zellen ist die Möglichkeit, die eigenen Zellen des Patienten zu nutzen, um Roboter zu bauen, die Behandlungen durchführen können, ohne eine Immunantwort auszulösen oder Immunsuppressiva einnehmen zu müssen.
Die Weiterentwicklung solcher Roboter könnte zu anderen Anwendungen führen, beispielsweise zur Beseitigung von Plaqueablagerungen in Arterien, zur Reparatur beschädigter Rückenmarks- oder Netzhautnerven, zur Identifizierung von Bakterien oder Krebszellen oder zur Abgabe von Medikamenten an Zielgewebe. Theoretisch könnten Anthrobots bei der Heilung von Gewebe helfen und gleichzeitig Medikamente verabreichen, die die Regeneration fördern.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.