Роботи от човешки клетки се движат сами и лекуват рани

Изследователи са създали „антроботи“ от човешки белодробни клетки, които са способни да се движат независимо и дори да лекуват увредена тъкан

През 2020 г. биологът Майкъл Левин и колегите му съобщиха, че са създали „биологични роботи“, като са оформили клъстери от клетки в малки изкуствени форми, които могат да „се разхождат“ по повърхностите. Екипът на Левин твърди, че тези същества, могат да се считат за нов вид организъм. Изследователите са ги нарекли ксеноботи, защото са направени от клетки на кожата и сърдечния мускул на африканската жаба с нокти Xenopus laevis.

Това твърдение стана може би по-убедително, когато година по-късно изследователите показаха, че ксеноботите могат да се сглобяват спонтанно от клетките на кожата на жабите. Не само, но и да проявяват различно поведение, докато плуват в течност.

Някои изследователи твърдят, че подобно поведение не е толкова изненадващо в клетките на земноводните. Както и, че те са известни със способността си да регенерират части от тялото си, ако бъдат повредени. Но сега Левин и колегите му от университета Туфтс съобщават в Advanced Science, че са създали подобни „роботоподобни“ същества от човешки клетки.

Наричат ги антроботи

Ключът към превръщането на антроботите в мобилни е, че подобно на ксеноботите, тяхната повърхност е покрита с подобни на косми протеинови придатъци. Те са наречени реснички, които се развяват наоколо и задвижват структурите чрез течност. За да стигнат наистина някъде, ресничките трябва да бият заедно по координиран начин.

Антроботите не само могат да плуват, но също така изглежда имат различни форми и начини на поведение. Това са щамове или групи в рамките на един и същ вид организми. Екипът на Туфтс съобщава, че антроботите изглежда са в състояние да предизвикат елементарна форма на заздравяване на рани в слоеве от други човешки клетки. Това повишава възможността за използването им в медицината.

Някои учени твърдят, че значението на тези струпвания на човешки клетки, подобно на оригиналните ксеноботове, е преувеличено. Те се питат дали тези спонтанно формиращи се същества наистина могат да се считат за вид „робот“. Някои не виждат нищо особено ново или изненадващо в идеята, че клетките на жабата могат да образуват малки бучки, които могат да се движат.

„Като цяло, общността на ембрионите на Xenopus, които познават тези клетки, не можеха наистина да разберат за какво става дума“

Джейми Дейвис

Джейми Дейвис е биолог по развитието в Университета на Единбург в Шотландия. Той не е участвал в проучването на Левин от 2020 г. или в неотдавнашното му изследване един. Но също така не е изненадан, че клъстери от човешки клетки като тези ще се движат наоколо.

Промяната в перспективата

Но Левин твърди, че ключът тук е промяната в перспективата. Вместо да разглеждаме клетъчните клъстери като малки парченца тъкан, които могат да се използват за изследване на човешката биология, те трябва да се разглеждат като организмоподобни единици сами по себе си, със специфични форми и поведение. Те могат да се използват като „платформа за биороботика“ за медицински и други приложения. Например чрез систематично модифициране на тези характеристики. Така ще се получи някакво полезно поведение, като възстановяване на увредени тъкани в тялото.

Морфопространството

По-фундаментално, казва Левин, антроботите предлагат поглед към „морфопространството“, достъпно за човешките клетки. Те показват, че могат спонтанно да изграждат не само тъканите и органите на човешкото тяло, но също и доста различни структури, които самата природа никога не е генерирала.

„Ние изследваме аспекти на морфопространството. Еволюцията ви дава малка точка на вариация, но всъщност има много повече.“

обяснява Левин

Тази способност на клетките и тъканите да развиват различни видове структури се нарича пластичност.

Антроботите, са направени от клетки, взети от белодробна тъкан на възрастен човек. Те са всеки с размери между 30 и 500 микрометра и способни да оцелеят до два месеца. Тази тъкан естествено има реснички на повърхността си, които се движат напред-назад, за да транспортират слуз. Тя може да абсорбира и по този начин да изчисти отломките във вдишания въздух. За разлика от това, ресничките на кожата на жаба движат слузта наоколо, за да поддържат кожата влажна.

Органоиди изследват белодробните функции

Вече е известно, че този тип тъкан може да се агрегира в ресничести бучки. В началото на 2010 г. няколко статии съобщиха, че такива агрегати могат да се използват за изследване на белодробната функция. Те често са наричани органоиди. В някои от тях ресничките сочат навътре към кухо вътрешно пространство, както в разклоненията на самите човешки дихателни пътища. Но през последните няколко години изследователите откриха и грубо сферични клъстери от клетки на дихателните пътища (сфероиди). Те са растящи с ресничките, изпъкнали от повърхността им, както правят при антроботите.

Тъй като предишното изследване се е занимавало с правенето на органоиди като модели на човешката дихателна система, тя не включвала никакво изследване на поведението на клетъчните структури. Като цяло проучванията поддържат сфероидите на дихателните пътища вградени и неподвижни в богат на протеини гел, наречен Matrigel.

„Нашата основна цел беше да разработим органоидна система на дихателните пътища за идентифициране на потенциални лекарствени терапии за лечение на кистозна фиброза. Това е вродено белодробно заболяване, казва патологът Уолтър Финкбайнер от Калифорнийския университет в Сан Франциско. Той е и един от авторите на по-ранните проучвания.

За разлика от това, екипът на Левин искал да освободи сфероидите.

„Трудната стъпка е да разтворите Matrigel внимателно, така че да се отървете от протеините в гела, но не и от тези, които държат ботовете заедно“

… Обясни Гизем Гумуская от Туфтс, която е и водещият автор на новата статия. Тя поясни, че два от трите предишни подхода за създаване на сфероиди на дихателните пътища са формирали клъстерите, като са ги направили в малки ямки, вместо да им позволят да се сглобят сами, както направи нейният екип, като по този начин изследва вродената пластичност на клетките. Тя добавя, че последният метод прави сфероидите по-бързи и по-ефикасни.

Предизвикателствата пред учените

Първото предизвикателство за екипа на Туфтс ще бъде да убеди другите, че антроботите са независими единици сами по себе си, с форми и поведение, които клетките колективно „търсят“, а не просто донякъде произволни парчета човешка тъкан, които изглеждат повърхностно като микроорганизми.

Дейвис, който преди това е бил съавтор на обзорна статия за синтетичната морфология с Левин, смята, че има известен интерес към първоначалната работа на ксеноботите. Но той не е впечатлен, че човешките клетъчни клъстери могат да „плуват“ с ресничките си. Това, казва той, е почти неизбежно, ако имате биещи реснички, след като сфероидите са освободени от матрицата на гела. Това е просто нютонова механика и е чисто случайна функция, казва той, добавяйки: „Не виждам как тези купчини клетки с развяващи се реснички заслужават термина „ботове“.

Поведението на органоидите

Поведението на тези органоиди илюстрира биологичната функционалност на клетките, които ги съставят, според Салвадор Симини и Джена Мочия от биотехнологичната компания STEMCELL Technologies. Те също са отгледали човешки органоиди на дихателните пътища. Ако координираните движения на ресничките, които измиват слузта от дихателните пътища, ресничките ще действат като малки гребла, задвижващи клетъчните клъстери през течността. Обясняват Симини и Мочия.

Левин и колегите му обаче твърдят, че тези движения не са просто произволни. След статистическо разследване на движенията на стотици антроботи, те казват, че ботовете изглежда попадат в различни класове. В една група структурите – малки и повече или по-малко сферични – имат реснички по цялата си повърхност и изобщо не са склонни да се движат. Другите групи имат по-неправилни — донякъде с форма на картофи — структури, които са само частично покрити с реснички. Те се различават по това, че имат реснички, които са плътно групирани в една област, което ги кара да плуват в кръгови пътеки, или имат по-хлабаво разпръснати реснички, които ги карат да се движат по прави линии.

Изследователите казват, че всеки от тези морфологични и поведенчески типове може да се счита за присъща целева структура за групите клетки - по-скоро като различните видове тъкани или органи на човешкото тяло.

„Това, което никога не е било показвано преди, е ефектът, който тези неща имат върху други клетки“, добавя Левин.

Когато изследователите накарали антроботите да се скитат над плосък слой от човешки неврони, израснали в чиния, която била повредена от драскотина, те открили, че ботовете ще помогнат на невроните да израснат отново през празнината. Това не било само защото антроботите предоставили пасивен мост между двата ръба, а защото малки парченца инертен полизахариден гел нямал същия ефект.

„Не знаем механизма и това е едно от нещата, които се опитваме да разберем“, казва Гумуская. „Но знаем, че не е просто механично.“

Антроботите изпращат сигнали

Левин подозира, че антроботите изпращат сигнали – може би биохимични – към невроните в краищата на драскотината, които ги насърчават да растат в празнината.

„Намирането на тази способност беше едно от първите неща, които разгледахме“, казва Левин. „Което ми казва, че вероятно има много други неща, които са възможни, и това е само върхът на айсберга. Това отваря възможността за използване на тези конструкции за въздействие върху други клетки [в живи организми или в лабораторна чиния] по много други начини. Гумуская се надява да търси подобно „лечебно“ поведение в модели на човешки невродегенеративни заболявания, като невронни органоиди, които имитират мозъка. Левин предполага, че антроботите могат да се използват за възстановяване на повредени ретини или гръбначен мозък. Но подобни идеи засега остават изцяло спекулативни.

Хапче за рак намалява риска от смърт