Ingeniører lager designer bioboter fra menneskelige lungeceller

Ingeniører lager designer bioboter fra menneskelige lungeceller

En helt ny teknisk tilnærming til utvikling av biologiske "designer"-roboter ved bruk av menneskelige lungeceller er for tiden under utvikling i Ren-laboratoriet ved Carnegie Mellon University. Disse mikroskala levende robotene, kalt AggreBots, kan en dag være i stand til å krysse kroppens komplekse miljøer for å utføre ønskede terapeutiske eller mekaniske intervensjoner når bedre kontroll over bevegelsesmønstrene deres er oppnådd. I en ny studie publisert iVitenskapelige fremskrittGruppen tilbyr en ny vevsteknologiplattform som kan brukes til å oppnå tilpassbar motilitet i AggreBots ved aktivt å kontrollere deres strukturelle parametere.

Bioboter er mikroskopiske, menneskeskapte biologiske maskiner som beveger seg autonomt og er programmerbare for å utføre spesifikke oppgaver eller atferd. Frem til nå har fremme av mobiliteten til bioboter fokusert på å bruke muskelfibre som lar dem bevege seg som ekte muskler gjennom sammentrekning og avslapning.

En ny, alternativ aktiveringsmekanisme kan bli funnet ved bruk av flimmerhår, de nanoskopiske, hårlignende, organiske propellene som kontinuerlig beveger væsker i kroppen (f.eks. i lungene) og hjelper noe vannlevende liv, f.eks.Parameciumeller kam gelé, svøm. Det har imidlertid vist seg vanskelig å finne en pålitelig måte å kontrollere den nøyaktige formen og strukturen til en cilia-drevet biobot (CiliaBot for kort) og derfor dens motilitet.

Ren-laboratoriet var banebrytende for en ny modulær monteringsstrategi for CiliaBots ved bruk av romlig kontrollert aggregering av vevsfæroider som laboratoriet produserer fra lungestamceller. Ved å bruke denne strategien kan disse aggregerte CiliaBots (AggreBots) inkorporere stamcellesfæroider som bærer en genetisk mutasjon som gjør cilia dysfunksjonelle og immobile i visse regioner.

Dhruv Bhattaram, hovedforfatter av papiret og biomedisinsk ingeniør Ph.D. Eleven sammenlignet prosessen med å fjerne årer fra utvalgte punkter på en robåt mens han padler.

Med våre AggreBots fremmer vi en alternativ metode for å levere energi til biobotvev. Gjennom prosessen med å smelte sammen forskjellige sfæroider til forskjellige former og inkorporere ikke-funksjonelle sfæroider, kan vi for første gang nøyaktig kontrollere posisjonen og frekvensen til cilia-propeller på vevsoverflaten for å kontrollere CiliaBots oppførsel. Dette er et kritisk fremskritt som vi og andre kan investere tid i for å oppnå produktive resultater.»

Dhruv Bhattaram, førsteforfatter av artikkelen

"Aggrebots-tilnærmingen bringer en ny designdimensjon til disse typene bioboter og biohybridroboter," la Victoria Webster-Wood, førsteamanuensis i maskinteknikk, til. "Evnen til å modulært kombinere forskjellige cilierte og ikke-cilierte elementer vil tillate fremtidige forskere å lage bioboter med spesifikke tekniske bevegelsesmønstre. Fordi Aggrebots er laget utelukkende av biologiske materialer, er de naturlig biologisk nedbrytbare og biokompatible, noe som kan muliggjøre deres direkte anvendelse i medisinske miljøer i fremtiden."

Ettersom Ren-laben fortsetter å bygge på plattformen, erkjenner de at teknologien kan være til nytte for et bredt publikum, inkludert biorobotmiljøet, klinikere og medisinske forskere som studerer hvordan flimmerhårene fungerer ved sykdommer som primær ciliær dyskinesi eller i det tykke, svært viskøse slimet av cystisk fibrose. Spesielt kan CiliaBots lages fra pasientens egne celler, som kan brukes til å lage personlige terapeutiske bærere uten risiko for immunavstøtning.

Fleksibilitet er viktig fordi kroppen er et komplekst miljø. Cellulær levering av terapeutika har stort potensial, men uten en passende fremdriftsmekanisme kan celler lett sette seg fast. Vi har etablert en vei som folk kan bruke for å kontrollere CiliaBot-motiliteten. CiliaBots hjelper oss å forstå virkningen av miljøfarer på helsen og tilrettelegger for in vivo terapeutisk levering. De har et bredt spekter av potensielle bruksområder, og det er spennende å være en del av deres utvikling."

Xi (Charlie) Ren, førsteamanuensis i biomedisinsk ingeniørfag

Kilder: