Ingeniører skaber designer biobots fra menneskelige lungeceller

Ingeniører skaber designer biobots fra menneskelige lungeceller

En helt ny teknisk tilgang til udvikling af biologiske "designer"-robotter ved hjælp af menneskelige lungeceller er i øjeblikket ved at blive udviklet i Ren-laboratoriet på Carnegie Mellon University. Disse mikroskala levende robotter, kaldet AggreBots, kan en dag være i stand til at krydse kroppens komplekse miljøer for at udføre ønskede terapeutiske eller mekaniske indgreb, når der er opnået bedre kontrol over deres bevægelsesmønstre. I en ny undersøgelse offentliggjort iVidenskabelige fremskridtGruppen leverer en ny platform for vævsteknologi, der kan bruges til at opnå tilpasset motilitet i AggreBots ved aktivt at kontrollere deres strukturelle parametre.

Biobots er mikroskopiske, menneskeskabte biologiske maskiner, der bevæger sig autonomt og er programmerbare til at udføre specifikke opgaver eller adfærd. Indtil nu har fremme af mobiliteten af ​​biobots fokuseret på at bruge muskelfibre, der giver dem mulighed for at bevæge sig som rigtige muskler gennem sammentrækning og afslapning.

En ny, alternativ aktiveringsmekanisme kan findes gennem brugen af ​​cilia, de nanoskopiske, hårlignende, organiske propeller, der kontinuerligt flytter væsker i kroppen (f.eks. i lungerne) og hjælper noget vandlevende liv, f.eks.Parameciumeller kam geléer, svøm. Det har imidlertid vist sig vanskeligt at finde en pålidelig måde at kontrollere den præcise form og struktur af en cilia-drevet biobot (CiliaBot for kort) og derfor dens motilitetsoutput.

Ren-laboratoriet var banebrydende for en ny modulær samlingsstrategi for CiliaBots ved hjælp af rumligt kontrolleret aggregering af vævssfæroider, som laboratoriet producerer fra lungestamceller. Ved at bruge denne strategi kan disse aggregerede CiliaBots (AggreBots) inkorporere stamcellesfæroider, der bærer en genetisk mutation, der gør cilia dysfunktionelle og immobile i visse regioner.

Dhruv Bhattaram, hovedforfatter af papiret og biomedicinsk ingeniør Ph.D. Eleven sammenlignede processen med at fjerne årerne fra udvalgte punkter på en robåd under padling.

Med vores AggreBots fremmer vi en alternativ metode til at levere energi til biobotvæv. Gennem processen med at fusionere forskellige sfæroider til forskellige former og inkorporere ikke-funktionelle sfæroider, kan vi for første gang præcist kontrollere placeringen og frekvensen af ​​cilia propeller på vævsoverfladen for at kontrollere CiliaBots adfærd. Dette er et kritisk fremskridt, som vi og andre kan investere tid i for at opnå produktive resultater."

Dhruv Bhattaram, artiklens første forfatter

"Aggrebots tilgang bringer en ny designdimension til disse typer biobots og biohybride robotter," tilføjede Victoria Webster-Wood, lektor i maskinteknik. "Evnen til modulært at kombinere forskellige cilierede og ikke-cilierede elementer vil give fremtidige forskere mulighed for at skabe biobots med specifikke tekniske bevægelsesmønstre. Fordi Aggrebots udelukkende er lavet af biologiske materialer, er de naturligt bionedbrydelige og biokompatible, hvilket kunne muliggøre deres direkte anvendelse i medicinske miljøer i fremtiden."

Da Ren-laboratoriet fortsætter med at bygge på platformen, erkender de, at teknologien kan være til gavn for et bredt publikum, herunder biorobotmiljøet, klinikere og medicinske forskere, der studerer, hvordan cilia fungerer ved sygdomme som primær ciliær dyskinesi eller i det tykke, meget viskøse slim af cystisk fibrose. Især CiliaBots kan fremstilles af patienters egne celler, som kan bruges til at skabe personlige terapeutiske bærere uden risiko for immunafstødning.

Fleksibilitet er vigtigt, fordi kroppen er et komplekst miljø. Cellulær levering af terapeutika har et stort potentiale, men uden en passende fremdriftsmekanisme kan celler let sætte sig fast. Vi har etableret en vej, som folk kan bruge til at kontrollere CiliaBots motilitet. CiliaBots hjælper os med at forstå virkningen af ​​miljøfarer på sundheden og letter in vivo terapeutisk levering. De har en bred vifte af potentielle anvendelser, og det er spændende at være en del af deres udvikling."

Xi (Charlie) Ren, lektor i biomedicinsk teknik

Kilder: