Des scientifiques construisent de minuscules robots biologiques à partir de cellules trachéales humaines

Des chercheurs de l’Université Tufts et du Wyss Institute de l’Université Harvard ont créé de minuscules robots biologiques qu’ils appellent Anthrobots à partir de cellules trachéales humaines qui peuvent se déplacer sur une surface et qui encouragent la croissance des neurones dans une région endommagée dans une assiette de laboratoire.

Les robots multicellulaires, dont la taille varie de la largeur d’un cheveu humain à la pointe d’un crayon bien taillé, ont été conçus pour s’auto-assembler et ont montré qu’ils avaient un effet curatif remarquable sur d’autres cellules. Cette découverte constitue le point de départ de la vision des chercheurs consistant à utiliser des biobots issus de patients comme de nouveaux outils thérapeutiques pour la régénération, la guérison et le traitement des maladies.

Ces travaux font suite à des recherches antérieures menées dans les laboratoires de Michael Levin, professeur de biologie Vannevar Bush à la Tufts University School of Arts & Sciences, et de Josh Bongard de l’Université du Vermont, dans lesquels ils ont créé des robots biologiques multicellulaires à partir de cellules d’embryons de grenouille appelés Xenobots, capables de naviguer dans les passages, de collecter du matériel, d’enregistrer des informations, de se guérir d’une blessure et même de reproduire pendant quelques cycles par eux-mêmes.

À l’époque, les chercheurs ne savaient pas si ces capacités dépendaient de leur origine dans un embryon d’amphibien ou si les biobots pouvaient être construits à partir de cellules d’autres espèces.

Dans la présente étude, publiée dans Science avancée, Levin, avec un doctorat. L’étudiant Gizem Gumuskaya a découvert que les robots peuvent en fait être créés à partir de cellules humaines adultes sans aucune modification génétique et qu’ils démontrent certaines capacités au-delà de ce qui a été observé avec les Xenobots.

Cette découverte commence à répondre à une question plus large posée par le laboratoire : quelles sont les règles qui régissent la façon dont les cellules s’assemblent et travaillent ensemble dans le corps, et les cellules peuvent-elles être sorties de leur contexte naturel et recombinées dans différents « plans corporels » pour remplir d’autres fonctions par conception ?

Dans ce cas, les chercheurs ont donné aux cellules humaines, après des décennies de vie tranquille dans la trachée, une chance de redémarrer et de trouver des moyens de créer de nouvelles structures et tâches.

“Nous voulions explorer ce que les cellules peuvent faire en plus de créer des caractéristiques par défaut dans le corps”, a déclaré Gumuskaya, qui a obtenu un diplôme en architecture avant de se lancer dans la biologie. “En reprogrammant les interactions entre les cellules, de nouvelles structures multicellulaires peuvent être créées, de la même manière que la pierre et la brique peuvent être disposées en différents éléments structurels comme des murs, des arcades ou des colonnes.”

Les chercheurs ont découvert que non seulement les cellules pouvaient créer de nouvelles formes multicellulaires, mais qu’elles pouvaient également se déplacer de différentes manières sur une surface de neurones humains cultivés dans une boîte de laboratoire et encourager une nouvelle croissance pour combler les lacunes causées par le grattage de la couche de cellules.

La manière exacte dont les Anthrobots encouragent la croissance des neurones n’est pas encore claire, mais les chercheurs ont confirmé que les neurones se développaient sous la zone couverte par un assemblage groupé d’Anthrobots, qu’ils ont appelé un « superbot ».

“Les assemblages cellulaires que nous construisons en laboratoire peuvent avoir des capacités qui vont au-delà de ce qu’ils font dans le corps”, a déclaré Levin, qui est également directeur du Allen Discovery Center à Tufts et membre associé du corps professoral du Wyss Institute.

“Il est fascinant et complètement inattendu que les cellules trachéales normales d’un patient, sans modifier leur ADN, puissent se déplacer d’elles-mêmes et favoriser la croissance des neurones dans une région endommagée”, a déclaré Levin. “Nous examinons maintenant comment fonctionne le mécanisme de guérison et nous nous demandons ce que ces constructions peuvent faire d’autre.”

Les avantages de l’utilisation de cellules humaines incluent la possibilité de construire des robots à partir des propres cellules d’un patient pour effectuer un travail thérapeutique sans risque de déclencher une réponse immunitaire ou de nécessiter des immunosuppresseurs. Ils ne durent que quelques semaines avant de se décomposer et peuvent donc être facilement réabsorbés par l’organisme une fois leur travail terminé.

De plus, à l’extérieur du corps, les Anthrobots ne peuvent survivre que dans des conditions de laboratoire très spécifiques, et il n’y a aucun risque d’exposition ou de propagation involontaire en dehors du laboratoire. De même, ils ne se reproduisent pas et ne subissent aucune modification, ajout ou suppression génétique, il n’y a donc aucun risque qu’ils évoluent au-delà des garanties existantes.

Comment sont fabriqués les Anthrobots ?

Chaque Anthrobot est au départ une cellule unique, issue d’un donneur adulte. Les cellules proviennent de la surface de la trachée et sont couvertes de projections ressemblant à des poils appelées cils qui ondulent d’avant en arrière. Les cils aident les cellules trachéales à expulser de minuscules particules qui se frayent un chemin dans les voies respiratoires des poumons.

Nous faisons tous l’expérience du travail des cellules ciliées lorsque nous franchissons la dernière étape consistant à expulser les particules et l’excès de liquide en toussant ou en nous raclant la gorge. Des études antérieures menées par d’autres avaient montré que lorsque les cellules sont cultivées en laboratoire, elles forment spontanément de minuscules sphères multicellulaires appelées organoïdes.

Les chercheurs ont développé des conditions de croissance qui encourageaient les cils à se tourner vers l’extérieur sur les organoïdes. Au bout de quelques jours, ils commencèrent à se déplacer, poussés par les cils agissant comme des rames. Ils ont noté différentes formes et types de mouvements, première caractéristique importante observée sur la plateforme de biorobotique. Levin dit que si d’autres caractéristiques pouvaient être ajoutées aux Anthrobots (par exemple, apportées par différentes cellules), ils pourraient être conçus pour réagir à leur environnement, voyager et remplir des fonctions dans le corps, ou aider à construire des tissus modifiés en laboratoire. .

L’équipe, avec l’aide de Simon Garnier du New Jersey Institute of Technology, a caractérisé les différents types d’Anthrobots produits. Ils ont observé que les robots se répartissaient en quelques catégories distinctes de forme et de mouvement, allant de 30 à 500 micromètres (de l’épaisseur d’un cheveu humain à la pointe d’un crayon bien taillé), occupant une niche importante entre la nanotechnologie et les appareils plus grands. .

Certains étaient sphériques et entièrement recouverts de cils, et certains étaient irréguliers ou en forme de ballon de football avec une couverture plus inégale de cils, ou simplement recouverts de cils sur un côté. Ils voyageaient en lignes droites, se déplaçaient en cercles serrés, combinaient ces mouvements ou simplement s’asseyaient et se tortillaient. Les sphériques entièrement recouverts de cils avaient tendance à être remuants.

Les Anthrobots dont les cils étaient inégalement répartis avaient tendance à avancer sur de plus longues distances selon des trajectoires droites ou courbes. Ils survivent généralement environ 45 à 60 jours dans des conditions de laboratoire avant de se biodégrader naturellement.

“Les Anthrobots s’auto-assemblent dans le laboratoire”, a déclaré Gumuskaya, qui a créé les Anthrobots. “Contrairement aux Xenobots, ils n’ont pas besoin de pinces ou de scalpels pour leur donner forme, et nous pouvons utiliser des cellules adultes – même des cellules de patients âgés – au lieu de cellules embryonnaires. C’est entièrement évolutif : nous pouvons produire des essaims de ces robots en parallèle, ce qui est un bon début pour développer un outil thérapeutique.

Petits guérisseurs

Parce que Levin et Gumuskaya envisagent à terme de créer des Anthrobots dotés d’applications thérapeutiques, ils ont créé un test en laboratoire pour voir comment les robots pourraient guérir les blessures. Le modèle impliquait la croissance d’une couche bidimensionnelle de neurones humains, et simplement en grattant la couche avec une fine tige métallique, ils créaient une « plaie » ouverte dépourvue de cellules.

Pour garantir que l’espace soit exposé à une concentration dense d’Anthrobots, ils ont créé des « superbots », un groupe qui se forme naturellement lorsque les Anthrobots sont confinés dans un petit espace. Les superbots étaient principalement constitués de cercles et de remueurs, afin qu’ils ne s’éloignent pas trop de la plaie ouverte.

Bien que l’on puisse s’attendre à ce que des modifications génétiques des cellules Anthrobot soient nécessaires pour aider les robots à encourager la croissance neuronale, les Anthrobots non modifiés ont étonnamment déclenché une repousse substantielle, créant un pont de neurones aussi épais que le reste des cellules saines de la plaque. Les neurones ne se sont pas développés dans la plaie où les Anthrobots étaient absents. Au moins dans le monde 2D simplifié de la parabole de laboratoire, les assemblages Anthrobot encourageaient une cicatrisation efficace des tissus neuronaux vivants.

Selon les chercheurs, le développement ultérieur des robots pourrait conduire à d’autres applications, notamment l’élimination de l’accumulation de plaque dans les artères des patients atteints d’athérosclérose, la réparation de lésions de la moelle épinière ou du nerf rétinien, la reconnaissance de bactéries ou de cellules cancéreuses ou l’administration de médicaments dans des tissus ciblés. Les Anthrobots pourraient en théorie aider à guérir les tissus, tout en développant des médicaments pro-régénératifs.

Créer de nouveaux plans, restaurer les anciens

Gumuskaya a expliqué que les cellules ont la capacité innée de s’auto-assembler en structures plus grandes de certaines manières fondamentales. “Les cellules peuvent former des couches, se plier, former des sphères, se trier et se séparer par type, fusionner ou même se déplacer”, a déclaré Gumuskaya.

“Deux différences importantes par rapport aux briques inanimées sont que les cellules peuvent communiquer entre elles et créer ces structures de manière dynamique, et chaque cellule est programmée avec de nombreuses fonctions, comme le mouvement, la sécrétion de molécules, la détection de signaux et bien plus encore. Nous sommes juste en train de découvrir comment combinez ces éléments pour créer de nouveaux plans et fonctions biologiques du corps, différents de ceux trouvés dans la nature.

Tirer parti des règles intrinsèquement flexibles de l’assemblage cellulaire aide les scientifiques à construire les robots, mais cela peut également les aider à comprendre comment les plans naturels du corps s’assemblent, comment le génome et l’environnement travaillent ensemble pour créer des tissus, des organes et des membres, et comment restaurer les robots. eux avec des traitements régénérateurs.