Ingenieurs maken designerbiobots van menselijke longcellen

Ingenieurs maken designerbiobots van menselijke longcellen

Een geheel nieuwe technische benadering voor het ontwikkelen van biologische ‘designer’-robots met behulp van menselijke longcellen wordt momenteel ontwikkeld in het Ren-laboratorium aan de Carnegie Mellon University. Deze levende robots op microschaal, AggreBots genaamd, kunnen op een dag mogelijk de complexe omgevingen van het lichaam doorkruisen om gewenste therapeutische of mechanische interventies uit te voeren zodra een betere controle over hun bewegingspatronen is bereikt. Uit een nieuwe studie gepubliceerd inWetenschappelijke vooruitgangDe groep biedt een nieuw platform voor weefselmanipulatie dat kan worden gebruikt om aanpasbare beweeglijkheid in AggreBots te bereiken door hun structurele parameters actief te controleren.

Biobots zijn microscopisch kleine, door de mens gemaakte biologische machines die autonoom bewegen en programmeerbaar zijn om specifieke taken of gedrag uit te voeren. Tot nu toe heeft het bevorderen van de mobiliteit van biobots zich geconcentreerd op het gebruik van spiervezels die hen in staat stellen om als echte spieren te bewegen door samentrekking en ontspanning.

Een nieuw, alternatief aandrijfmechanisme kan worden gevonden door het gebruik van cilia, de nanoscopische, haarachtige, organische propellers die continu vloeistoffen in het lichaam (bijvoorbeeld in de longen) verplaatsen en bepaalde waterdieren helpen, bijvoorbeeldParameciumof kamgelei, zwem. Het vinden van een betrouwbare manier om de precieze vorm en structuur van een door cilia aangedreven biobot (kortweg CiliaBot) en daarom de beweeglijkheid ervan te controleren, is echter moeilijk gebleken.

Het Ren-lab was een pionier in een nieuwe modulaire assemblagestrategie voor CiliaBots, waarbij gebruik werd gemaakt van ruimtelijk gecontroleerde aggregatie van weefselsferoïden die het laboratorium produceert uit longstamcellen. Met behulp van deze strategie kunnen deze geaggregeerde CiliaBots (AggreBots) stamcel-sferoïden incorporeren die een genetische mutatie dragen die cilia in bepaalde regio's disfunctioneel en immobiel maakt.

Dhruv Bhattaram, hoofdauteur van het artikel en biomedische technologie Ph.D. De student vergeleek het proces met het verwijderen van de roeispanen van geselecteerde punten op een roeiboot tijdens het peddelen.

Met onze AggreBots bevorderen we een alternatieve methode om energie aan biobotweefsels te leveren. Door het proces van het samensmelten van verschillende sferoïden in verschillende vormen en het integreren van niet-functionele sferoïden, kunnen we voor het eerst nauwkeurig de positie en frequentie van cilia-propellers op het weefseloppervlak controleren om het gedrag van CiliaBot te controleren. Dit is een cruciale vooruitgang waarin wij en anderen tijd kunnen investeren om productieve resultaten te bereiken.”

Dhruv Bhattaram, eerste auteur van het artikel

“De aanpak van Aggrebots voegt een nieuwe ontwerpdimensie toe aan dit soort biobots en biohybride robots”, zegt Victoria Webster-Wood, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. "Het vermogen om verschillende trilharen en niet-trilharen elementen modulair te combineren, zal toekomstige onderzoekers in staat stellen biobots te creëren met specifieke technische bewegingspatronen. Omdat de Aggrebots volledig uit biologische materialen zijn gemaakt, zijn ze van nature biologisch afbreekbaar en biocompatibel, wat hun directe toepassing in medische omgevingen in de toekomst mogelijk zou kunnen maken."

Terwijl het Ren-lab verder bouwt aan het platform, erkennen ze dat de technologie ten goede zou kunnen komen aan een breed publiek, waaronder de bioroboticagemeenschap, artsen en medische onderzoekers die bestuderen hoe cilia functioneren bij ziekten zoals primaire ciliaire dyskinesie of in het dikke, zeer stroperige slijm van cystische fibrose. In het bijzonder kunnen CiliaBots worden gemaakt van de eigen cellen van patiënten, die kunnen worden gebruikt om gepersonaliseerde therapeutische dragers te creëren zonder het risico van immuunafstoting.

Flexibiliteit is belangrijk omdat het lichaam een ​​complexe omgeving is. Cellulaire toediening van therapieën heeft een groot potentieel, maar zonder een geschikt voortstuwingsmechanisme kunnen cellen gemakkelijk vastlopen. We hebben een traject ontwikkeld dat mensen kunnen gebruiken om de beweeglijkheid van de CiliaBot onder controle te houden. CiliaBots helpen ons de impact van milieugevaren op de gezondheid te begrijpen en faciliteren in vivo therapeutische toediening. Ze hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen en het is spannend om deel uit te maken van hun ontwikkeling.”

Xi (Charlie) Ren, universitair hoofddocent biomedische technologie

Bronnen: