Ingenieure erschaffen Designer-Biobots aus menschlichen Lungenzellen

Ingenieure erschaffen Designer-Biobots aus menschlichen Lungenzellen

Im Ren-Labor der Carnegie Mellon University wird derzeit ein völlig neuer technischer Ansatz zur Entwicklung biologischer „Designer“-Roboter unter Verwendung menschlicher Lungenzellen entwickelt. Diese als AggreBots bezeichneten lebenden Roboter im Mikromaßstab könnten eines Tages in der Lage sein, die komplexen Umgebungen des Körpers zu durchqueren, um gewünschte therapeutische oder mechanische Eingriffe durchzuführen, sobald eine bessere Kontrolle über ihre Bewegungsmuster erreicht wird. In einer neuen Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittestellt die Gruppe eine neuartige Tissue-Engineering-Plattform bereit, mit der durch aktive Steuerung ihrer Strukturparameter eine anpassbare Motilität in AggreBots erreicht werden kann.

Biobots sind mikroskopisch kleine, vom Menschen geschaffene biologische Maschinen, die sich autonom bewegen und programmierbar sind, um bestimmte Aufgaben oder Verhaltensweisen auszuführen. Bisher konzentrierte sich die Förderung der Beweglichkeit von Biobots auf den Einsatz von Muskelfasern, die es ihnen ermöglichen, sich durch Kontraktion und Entspannung wie echte Muskeln zu bewegen.

Ein neuartiger, alternativer Betätigungsmechanismus kann durch die Verwendung von Zilien gefunden werden, den nanoskopischen, haarähnlichen, organischen Propellern, die kontinuierlich Flüssigkeiten im Körper bewegen (z. B. in der Lunge) und einigen Wasserlebewesen helfen, z Paramecium oder Kammgelees, schwimmen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, eine zuverlässige Möglichkeit zu finden, die genaue Form und Struktur eines von Zilien angetriebenen Biobots (kurz CiliaBot) und damit seine Motilitätsergebnisse zu steuern.

Das Ren-Labor war Vorreiter einer neuartigen modularen Montagestrategie für CiliaBots, bei der die räumlich kontrollierte Aggregation von Gewebesphäroiden zum Einsatz kam, die das Labor aus Lungenstammzellen herstellt. Mit dieser Strategie können diese aggregierten CiliaBots (AggreBots) Stammzellsphäroide einbauen, die eine genetische Mutation tragen, die Zilien in bestimmten Regionen funktionsunfähig und unbeweglich macht.

Dhruv Bhattaram, Erstautor der Arbeit und Biomedizintechnik-Ph.D. Der Student verglich den Vorgang mit dem Wegnehmen der Ruder an ausgewählten Stellen auf einem Ruderboot beim Paddeln.

Mit unseren AggreBots treiben wir eine alternative Methode zur Energieversorgung von Biobot-Geweben voran. Durch den Prozess der Verschmelzung verschiedener Sphäroide zu unterschiedlichen Formen und der Einbeziehung nichtfunktionaler Sphäroide können wir erstmals die Position und Häufigkeit von Zilienpropellern auf der Gewebeoberfläche präzise steuern, um das Verhalten von CiliaBot zu steuern. Dies ist ein entscheidender Fortschritt, in den wir und andere Zeit investieren können, um produktive Ergebnisse zu erzielen.“

Dhruv Bhattaram, Erstautor des Artikels

„Der Aggrebots-Ansatz verleiht diesen Arten von Biobots und Biohybridrobotern eine neue Designdimension“, fügte Victoria Webster-Wood, außerordentliche Professorin für Maschinenbau, hinzu. „Die Möglichkeit, verschiedene bewimperte und nicht bewimperte Elemente modular zu kombinieren, wird es zukünftigen Forschern ermöglichen, Biobots mit spezifischen technischen Bewegungsmustern zu schaffen. Da die Aggrebots vollständig aus biologischen Materialien bestehen, sind sie natürlich biologisch abbaubar und biokompatibel, was ihre direkte Anwendung in medizinischen Umgebungen in der Zukunft ermöglichen könnte.“

Während das Ren-Labor weiterhin auf der Plattform aufbaut, erkennen sie an, dass die Technologie einem breiten Publikumskreis zugute kommen könnte, einschließlich der Biorobotik-Gemeinschaft, Klinikern und medizinischen Forschern, die untersuchen, wie Zilien bei Krankheiten wie primärer Ziliardyskinesie oder im dicken, hochviskosen Schleim von Mukoviszidose wirken. Insbesondere können CiliaBots aus patienteneigenen Zellen hergestellt werden, die zur Herstellung personalisierter therapeutischer Träger verwendet werden könnten, ohne das Risiko einer Immunabstoßung einzugehen.

Beweglichkeit ist wichtig, denn der Körper ist eine komplexe Umgebung. Die zelluläre Abgabe von Therapeutika hat großes Potenzial, aber ohne einen geeigneten Antriebsmechanismus können Zellen leicht stecken bleiben. Wir haben einen Weg festgelegt, den Menschen zur Steuerung der CiliaBot-Motilität nutzen können. CiliaBots helfen uns dabei, die Auswirkungen von Umweltgefahren auf die Gesundheit zu verstehen und erleichtern die therapeutische In-vivo-Verabreichung. Sie haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten und es ist spannend, Teil ihrer Entwicklung zu sein.“

Xi (Charlie) Ren, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik

Quellen: