Ingenjörer skapar designade biobotar från mänskliga lungceller

Ingenjörer skapar designade biobotar från mänskliga lungceller

En helt ny teknisk metod för att utveckla biologiska "designer"-robotar som använder mänskliga lungceller utvecklas för närvarande i Ren-laboratoriet vid Carnegie Mellon University. Dessa mikroskaliga levande robotar, kallade AggreBots, kan en dag kunna korsa kroppens komplexa miljöer för att utföra önskade terapeutiska eller mekaniska ingrepp när bättre kontroll över deras rörelsemönster har uppnåtts. I en ny studie publicerad iVetenskapliga framstegGruppen tillhandahåller en ny vävnadsteknisk plattform som kan användas för att uppnå anpassningsbar motilitet i AggreBots genom att aktivt kontrollera deras strukturella parametrar.

Biobotar är mikroskopiska, mänskligt tillverkade biologiska maskiner som rör sig autonomt och är programmerbara för att utföra specifika uppgifter eller beteenden. Fram till nu har främjandet av rörligheten hos biobotar fokuserat på att använda muskelfibrer som gör att de kan röra sig som riktiga muskler genom sammandragning och avslappning.

En ny, alternativ aktiveringsmekanism kan hittas genom användning av flimmerhår, de nanoskopiska, hårliknande, organiska propellrarna som kontinuerligt förflyttar vätskor i kroppen (t.ex. i lungorna) och hjälper en del vattenlevande liv, t.ex.Parameciumeller kamma geléer, simma. Det har dock visat sig svårt att hitta ett tillförlitligt sätt att kontrollera den exakta formen och strukturen hos en cilia-driven biobot (CiliaBot förkortat) och därför dess motilitetseffekter.

Ren-labbet var pionjär med en ny modulär monteringsstrategi för CiliaBots med hjälp av rumsligt kontrollerad aggregering av vävnadssfäroider som labbet producerar från lungstamceller. Med denna strategi kan dessa aggregerade CiliaBots (AggreBots) inkorporera stamcellssfäroider som bär på en genetisk mutation som gör cilia dysfunktionella och orörliga i vissa regioner.

Dhruv Bhattaram, huvudförfattare till uppsatsen och biomedicinsk teknik Ph.D. Eleven jämförde processen med att ta bort årorna från utvalda punkter på en roddbåt medan han paddlade.

Med våra AggreBots utvecklar vi en alternativ metod för att tillföra energi till biobotvävnader. Genom processen att smälta samman olika sfäroider till olika former och införliva icke-funktionella sfäroider kan vi för första gången exakt kontrollera positionen och frekvensen av ciliapropellrar på vävnadsytan för att kontrollera CiliaBots beteende. Detta är ett avgörande framsteg som vi och andra kan investera tid i för att uppnå produktiva resultat."

Dhruv Bhattaram, första författare till artikeln

"Aggrebots tillvägagångssätt ger en ny designdimension till dessa typer av biobotar och biohybridrobotar", tillade Victoria Webster-Wood, docent i maskinteknik. "Möjligheten att modulärt kombinera olika cilierade och icke-cilierade element kommer att göra det möjligt för framtida forskare att skapa biobotar med specifika tekniska rörelsemönster. Eftersom Aggrebots är gjorda helt av biologiska material är de naturligt biologiskt nedbrytbara och biokompatibla, vilket skulle kunna möjliggöra deras direkta tillämpning i medicinska miljöer i framtiden."

När Ren-labbet fortsätter att bygga vidare på plattformen inser de att tekniken kan gynna en bred publik, inklusive biorobotsamhället, kliniker och medicinska forskare som studerar hur flimmerhåren fungerar vid sjukdomar som primär ciliär dyskinesi eller i det tjocka, högviskösa slemmet av cystisk fibros. I synnerhet kan CiliaBots tillverkas av patientens egna celler, som kan användas för att skapa personliga terapeutiska bärare utan risk för immunavstötning.

Flexibilitet är viktigt eftersom kroppen är en komplex miljö. Cellulär leverans av terapeutika har stor potential, men utan en lämplig framdrivningsmekanism kan celler lätt fastna. Vi har etablerat en väg som människor kan använda för att kontrollera CiliaBots motilitet. CiliaBots hjälper oss att förstå effekterna av miljörisker på hälsan och underlättar in vivo terapeutisk leverans. De har ett brett utbud av potentiella användningsområden och det är spännande att vara en del av deras utveckling."

Xi (Charlie) Ren, docent i biomedicinsk teknik

Källor: