Nghiên cứu Y - Dược Thứ hai, ngày 4/12/2023

Các nhà khoa học chế tạo robot sinh học tí hon từ tế bào người

Các nhà khoa học đã tạo ra những robot sinh học di chuyển cực nhỏ từ các tế bào khí quản của con người, có thể khuyến khích sự phát triển của tế bào thần kinh trên các 'vết thương' nhân tạo trong phòng thí nghiệm.
Ảnh minh họa
Ảnh minh họa
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tufts và Viện Wyss của Đại học Harvard đã tạo ra các robot sinh học nhỏ mà họ gọi là Anthrobots từ các tế bào khí quản của con người có thể di chuyển trên một bề mặt và được phát hiện là có khả năng khuyến khích sự phát triển của tế bào thần kinh trên vùng bị tổn thương trong đĩa thí nghiệm.

Các robot đa bào, có kích thước từ chiều rộng của một sợi tóc người đến đầu nhọn của một cây bút chì, được chế tạo để tự lắp ráp và cho thấy có tác dụng chữa lành đáng kể trên các tế bào khác. Khám phá này là điểm khởi đầu cho tầm nhìn của các nhà nghiên cứu trong việc sử dụng biobots có nguồn gốc từ bệnh nhân làm công cụ trị liệu mới để tái tạo, chữa lành và điều trị bệnh.

Công trình này tiếp nối nghiên cứu trước đó trong phòng thí nghiệm của Michael Levin, Giáo sư Sinh học Vannevar Bush tại Trường Khoa học & Nghệ thuật thuộc Đại học Tufts và Josh Bongard tại Đại học Vermont, trong đó họ đã tạo ra các robot sinh học đa bào từ tế bào phôi ếch có tên là Xenobots, có khả năng điều hướng các lối đi, thu thập tài liệu, ghi lại thông tin, tự chữa lành vết thương và thậm chí tự tái tạo trong một vài chu kỳ. Vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu không biết liệu những khả năng này phụ thuộc vào việc chúng có nguồn gốc từ phôi lưỡng cư hay liệu biobots có thể được tạo ra từ tế bào của các loài khác hay không.

Trong nghiên cứu hiện tại, được xuất bản trên Advanced Science , Levin cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ Gizem Gumuskaya đã phát hiện ra rằng trên thực tế, bot có thể được tạo ra từ tế bào người trưởng thành mà không cần bất kỳ biến đổi gen nào và chúng đang thể hiện một số khả năng vượt xa những gì đã được quan sát thấy với Xenobots. Khám phá này bắt đầu trả lời một câu hỏi rộng hơn mà phòng thí nghiệm đã đặt ra - đâu là những quy tắc chi phối cách các tế bào lắp ráp và hoạt động cùng nhau trong cơ thể, và liệu các tế bào có thể được đưa ra khỏi bối cảnh tự nhiên của chúng và kết hợp lại thành các "sơ đồ cơ thể" khác nhau hay không? để thực hiện các chức năng khác theo thiết kế?


Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã cho các tế bào của con người, sau nhiều thập kỷ sống yên tĩnh trong khí quản, một cơ hội để khởi động lại và tìm cách tạo ra các cấu trúc và nhiệm vụ mới. Gumuskaya, người đã có bằng kiến ​​trúc trước khi bước vào ngành sinh học, cho biết: “Chúng tôi muốn thăm dò xem tế bào có thể làm gì ngoài việc tạo ra những đặc điểm mặc định trong cơ thể”. “Bằng cách lập trình lại các tương tác giữa các tế bào, các cấu trúc đa bào mới có thể được tạo ra, tương tự như cách đá và gạch có thể được sắp xếp thành các thành phần cấu trúc khác nhau như tường, cổng vòm hoặc cột.” Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tế bào không chỉ có thể tạo ra các hình dạng đa bào mới mà còn có thể di chuyển theo nhiều cách khác nhau trên bề mặt tế bào thần kinh của con người được nuôi cấy trong đĩa thí nghiệm và khuyến khích sự phát triển mới để lấp đầy những khoảng trống do trầy xước lớp tế bào.

Vẫn chưa rõ chính xác cách các Anthrobot khuyến khích sự phát triển của tế bào thần kinh, nhưng các nhà nghiên cứu xác nhận rằng các tế bào thần kinh phát triển dưới khu vực được bao phủ bởi một cụm Anthrobots mà họ gọi là "siêu nhân".

Levin, người đồng thời là giám đốc Trung tâm khám phá Allen tại Tufts và là giảng viên của Viện Wyss, cho biết: “Các tổ hợp tế bào mà chúng tôi xây dựng trong phòng thí nghiệm có thể có những khả năng vượt xa những gì chúng làm trong cơ thể”. Levin cho biết: “Thật thú vị và hoàn toàn bất ngờ khi các tế bào khí quản của bệnh nhân bình thường, không cần sửa đổi DNA, lại có thể tự di chuyển và khuyến khích sự phát triển của tế bào thần kinh trên khắp vùng bị tổn thương”. "Bây giờ chúng tôi đang xem xét cơ chế chữa bệnh hoạt động như thế nào và hỏi xem những cấu trúc này có thể làm gì khác."

Ưu điểm của việc sử dụng tế bào người bao gồm khả năng tạo ra robot từ tế bào của chính bệnh nhân để thực hiện công việc điều trị mà không có nguy cơ kích hoạt phản ứng miễn dịch hoặc cần dùng thuốc ức chế miễn dịch. Chúng chỉ tồn tại được vài tuần trước khi phân hủy và do đó có thể dễ dàng được tái hấp thu vào cơ thể sau khi hoàn thành công việc.

Ngoài ra, bên ngoài cơ thể, Anthrobot chỉ có thể tồn tại trong những điều kiện rất cụ thể của phòng thí nghiệm và không có nguy cơ bị phơi nhiễm hoặc lây lan ngoài ý muốn ra bên ngoài phòng thí nghiệm. Tương tự như vậy, chúng không sinh sản và không chỉnh sửa, bổ sung hoặc xóa gen, do đó không có nguy cơ chúng tiến hóa ngoài các biện pháp bảo vệ hiện có.

Anthrobots được tạo ra như thế nào?

Mỗi Anthrobot khởi đầu là một tế bào duy nhất, được lấy từ một người hiến tặng trưởng thành. Các tế bào đến từ bề mặt của khí quản và được bao phủ bởi các phần nhô ra giống như tóc gọi là lông mao, sóng tới lui. Lông mao giúp các tế bào khí quản đẩy ra các hạt nhỏ tìm đường vào đường dẫn khí của phổi. Tất cả chúng ta đều trải qua hoạt động của các tế bào có lông khi chúng ta thực hiện bước cuối cùng là trục xuất các hạt và chất lỏng dư thừa bằng cách ho hoặc hắng giọng. Các nghiên cứu trước đây của những người khác đã chỉ ra rằng khi các tế bào được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, chúng sẽ tự hình thành các khối cầu đa bào nhỏ gọi là các cơ quan.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các điều kiện tăng trưởng khuyến khích lông mao hướng ra ngoài trên các chất hữu cơ. Trong vòng vài ngày, chúng bắt đầu di chuyển xung quanh, được điều khiển bởi các lông mao hoạt động như mái chèo. Họ ghi nhận những hình dạng và kiểu chuyển động khác nhau - lần đầu tiên. tính năng quan trọng được quan sát thấy của nền tảng robot sinh học. Levin nói rằng nếu các tính năng khác có thể được thêm vào Anthrobots (ví dụ: được đóng góp bởi các tế bào khác nhau), chúng có thể được thiết kế để phản ứng với môi trường của chúng, di chuyển và thực hiện các chức năng trong cơ thể hoặc giúp xây dựng các mô được thiết kế trong phòng thí nghiệm. .

Nhóm nghiên cứu, với sự giúp đỡ của Simon Garnier tại Viện Công nghệ New Jersey, đã mô tả các loại Anthrobot khác nhau được sản xuất. Họ quan sát thấy các bot được chia thành một số loại hình dạng và chuyển động riêng biệt, có kích thước từ 30 đến 500 micromet (từ độ dày của sợi tóc người đến đầu nhọn của một cây bút chì), lấp đầy một khoảng trống quan trọng giữa công nghệ nano và các thiết bị kỹ thuật lớn hơn. .

Một số có hình cầu và được bao phủ hoàn toàn bởi lông mao, và một số có hình dạng không đều hoặc hình quả bóng với các lông mao được bao phủ loang lổ hơn hoặc chỉ được bao phủ bởi lông mao ở một bên. Họ di chuyển theo đường thẳng, di chuyển theo vòng tròn chặt chẽ, kết hợp những chuyển động đó hoặc chỉ ngồi xung quanh và ngọ nguậy. Những cái hình cầu được bao phủ hoàn toàn bởi lông mao có xu hướng ngọ nguậy. Các Anthrobot có lông mao phân bố không đều có xu hướng di chuyển về phía trước trong những quãng đường dài hơn theo đường thẳng hoặc đường cong. Chúng thường tồn tại khoảng 45-60 ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm trước khi bị phân hủy sinh học một cách tự nhiên.

Gumuskaya, người đã tạo ra Anthrobot, cho biết: “Các Anthrobot tự lắp ráp trong đĩa thí nghiệm”. "Không giống như Xenobots, chúng không cần nhíp hoặc dao mổ để tạo hình dạng cho chúng và chúng tôi có thể sử dụng tế bào trưởng thành - thậm chí cả tế bào từ bệnh nhân lớn tuổi - thay vì tế bào phôi thai. Nó hoàn toàn có khả năng mở rộng - chúng tôi có thể tạo ra hàng loạt robot này trong song song, đó là một khởi đầu tốt để phát triển một công cụ trị liệu."

Vì Levin và Gumuskaya cuối cùng có kế hoạch tạo ra Anthrobot với các ứng dụng trị liệu nên họ đã tạo ra một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để xem các bot có thể chữa lành vết thương như thế nào. Mô hình này liên quan đến việc phát triển một lớp tế bào thần kinh hai chiều của con người và chỉ cần dùng một thanh kim loại mỏng cào vào lớp đó, họ đã tạo ra một 'vết thương' hở không có tế bào.

Để đảm bảo khoảng trống sẽ tiếp xúc với sự tập trung dày đặc của Anthrobot, họ đã tạo ra các "siêu robot" một cụm hình thành một cách tự nhiên khi các Anthrobot bị giới hạn trong một không gian nhỏ. Các siêu robot được tạo thành chủ yếu từ những người đi vòng tròn và lắc lư, vì vậy chúng sẽ không đi quá xa vết thương hở.

Mặc dù người ta có thể mong đợi rằng cần phải sửa đổi gen của các tế bào Anthrobot để giúp các bot khuyến khích sự phát triển thần kinh, nhưng đáng ngạc nhiên là các Anthrobot không được sửa đổi đã kích hoạt sự tái sinh đáng kể, tạo ra một cầu nối tế bào thần kinh dày như các tế bào khỏe mạnh còn lại trên đĩa. Các tế bào thần kinh không phát triển ở vết thương nơi Anthrobot vắng mặt. Ít nhất là trong thế giới 2D đơn giản của đĩa thí nghiệm, các tổ hợp Anthrobot đã khuyến khích việc chữa lành hiệu quả các mô thần kinh sống.

Theo các nhà nghiên cứu, sự phát triển hơn nữa của robot có thể dẫn đến các ứng dụng khác, bao gồm làm sạch mảng bám tích tụ trong động mạch của bệnh nhân xơ vữa động mạch, sửa chữa tổn thương tủy sống hoặc thần kinh võng mạc, nhận biết vi khuẩn hoặc tế bào ung thư hoặc đưa thuốc đến các mô mục tiêu. Về lý thuyết, Anthrobot có thể hỗ trợ chữa lành các mô, đồng thời cung cấp các loại thuốc hỗ trợ tái tạo.

Gumuskaya giải thích rằng tế bào có khả năng tự lắp ráp bẩm sinh thành các cấu trúc lớn hơn theo những cách cơ bản nhất định. Gumuskaya cho biết: “Các tế bào có thể tạo thành các lớp, gấp lại, tạo thành hình cầu, sắp xếp và phân tách theo loại, hợp nhất với nhau hoặc thậm chí di chuyển”. "Hai điểm khác biệt quan trọng so với những viên gạch vô tri là các tế bào có thể giao tiếp với nhau và tạo ra các cấu trúc này một cách linh hoạt và mỗi tế bào được lập trình với nhiều chức năng, như chuyển động, bài tiết phân tử, phát hiện tín hiệu và hơn thế nữa. Chúng tôi chỉ đang tìm ra cách để kết hợp những yếu tố này để tạo ra các sơ đồ và chức năng sinh học mới của cơ thể - khác với những gì được tìm thấy trong tự nhiên."

Việc tận dụng các quy tắc lắp ráp tế bào vốn đã linh hoạt giúp các nhà khoa học chế tạo robot, nhưng nó cũng có thể giúp họ hiểu cách thức các kế hoạch cơ thể tự nhiên tập hợp lại, cách bộ gen và môi trường phối hợp với nhau để tạo ra các mô, cơ quan và chi cũng như cách phục hồi. chúng bằng các phương pháp điều trị tái tạo.

Nguồn Đại học Tufts
- Thuocbietduoc.com.vn cung cấp thông tin về hơn 30.000 loại thuốc theo toa, thuốc không kê đơn. - Các thông tin về thuốc trên Thuocbietduoc.com.vn cho mục đích tham khảo, tra cứu và không dành cho tư vấn y tế, chẩn đoán hoặc điều trị. - Khi dùng thuốc cần tuyệt đối tuân theo theo hướng dẫn của Bác sĩ
- Chúng tôi không chịu trách nhiệm về bất cứ hậu quả nào xảy ra do tự ý dùng thuốc dựa theo các thông tin trên Thuocbietduoc.com.vn
Thông tin Thuốc và Biệt Dược
- Giấy phép ICP số 235/GP-BC.
© Copyright Thuocbietduoc.com.vn
- Email: contact.thuocbietduoc@gmail.com