“活體機器人”先驅再獲突破！ 使用人體細胞制造生物機器人，可在實驗室中修復神經組織創傷

現如今，使用化學合成材料制造的機器人已經屢見不鮮，它們能夠從事運輸、精細操作甚至與人一起協同工作。

近年以來，隨著微型機器人逐步進入生物醫療領域，以其為基礎的微創、無痛且智能化的醫療手段展示出了巨大的應用前景，并且催生出了對于新型生物機器人的迫切需求。

日前，來自美國塔夫茨大學和哈佛大學Wyss研究所的一組研究人員利用人類氣管細胞創造了一種微型生物機器人“Anthrobots”。這種機器人無需進行基因改造，就可以實現自我組裝、移動，并且將其添加到受傷的神經元中時，它們還可以幫助神經元進行自我修復。相關論文《Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells》已發表。

雖然尚不清楚Anthrobots究竟如何促進神經元生長，但該研究結果表明其確實能夠對受損神經元產生治療效果。這種源自人類細胞的生物機器人或將成為再生醫學、神經科學治療領域的一個新的起點。

值得注意的是，本次研究的通訊作者之一、來自塔夫茨大學的發育生物學家邁克爾·列文曾以制造出全球首個可繁殖的“活體機器人”而聞名。除此之外，他還曾利用生物電路成功改造物種和修復器官等。

本次研究的部分資金來自一家名為Astonishing Labs的初創企業，邁克爾·列文是Astonishing Labs的科學聯合創始人。據悉，該公司旨在利用生物機器人技術來治療神經系統疾病以及神經和脊髓損傷，但截至目前，該公司并未披露任何科學及技術相關信息。

1使用成人器官細胞制造機器人

大約四年以前，列文就利用非洲爪蛙的胚胎細胞制造出了他的第一個活體機器人“Xenobots”。該活體機器人帶有纖毛結構，使其能夠自由移動、運載藥物甚至還可以自行復制。

“Xenobots”只是列文研究計劃的第一步，該步驟的成功證明了從頭開始設計并制造生物機器人的想法切實可行。他由此設想道“通過添加額外的生物組件，并將其與計算機設計、3D細胞打印技術結合，人們可以開發出一系列多樣化的活體機器，這些機器能夠輸送藥物、清除小毛細血管的堵塞或收集海洋中的微塑料，等等?！?/p>

然而，考慮到人類免疫系統可能無法接受這種基于兩棲動物的生物機器人，因此，應用于人體的理想生物相容性材料將來自于人類本身。

本次研究中，論文第一作者古姆斯卡亞從成人氣管表面的細胞著手，這些細胞由于具備纖毛結構從而可以來回運動。古姆斯卡亞將單個細胞放入由大鼠組織制成的3D支架中，在此過程中，還需要改變培養基的粘度水平誘導存在于細胞內的纖毛轉向細胞外部。兩周后，細胞繁殖并且形成了形態各異的微小球體。

這種生物機器人由成人細胞制造，并且不需要經過任何基因改造。古姆斯卡亞對此介紹道，“通過重新編程細胞之間的相互作用，可以創建新的多細胞結構，類似于使用石頭和磚塊可以搭建墻壁、拱門或柱子等不同的結構，從而發揮不同的作用。”

盡管具有相同的DNA，但所得球體的大小和形狀各不相同。其中有些是球形的，完全被纖毛覆蓋；有些形狀不規則，但有更多斑片狀的纖毛覆蓋。

并且由于形態不同，這些球體的運動類型也各不相同。受到纖毛的形狀、大小和位置影響，它們有些沿著直線行進，有的沿著圓周移動，或者僅僅只會擺動。

“就像指紋一樣，沒有哪兩個球體是相同的，”古姆斯卡亞對此介紹道，它們通常能夠在實驗室條件下存活約45～60天，然后自然降解。

2“超級機器人”修復神經細胞損傷

在列文的計劃中，他意圖將Anthrobots打造為一種具有治療作用的生物機器人。為了實現這一目標，列文團隊選擇將Anthrobots放置在受損的神經細胞之中，以評估其對于神經細胞的治療作用。

具體而言，研究團隊首先在培養皿中構建了一個人類神經元的二維層，然后用細金屬棒刮擦該層，形成了一個沒有細胞的開放“傷口”。

而當古姆斯卡亞將一群機器人添加到培養皿中時，她發現Anthrobots能夠有效地穿過受損組織。除此之外，具有更高旋轉趨勢、更高速度機器人的運動軌跡也具有明顯差異。

在觀察了機器人在劃痕中的運動行為之后，研究者想到，可以通過促進不同機器人的隨機聚合來形成一個更大的結構，從而能夠讓它們完成一些“集體任務”。他們將這個更大的結構命名為“超級機器人”。

就像是一群螞蟻可以聚集形成一座橋，然后集體跨越一條溝渠一樣。研究者沒有使用任何模具或外部設備，而是將許多個Anthrobots限制在一個相對狹小的區域內，同時保持其他一切不變，這些Anthrobots便自行完成了隨機聚合。

古姆斯卡亞解釋說，細胞本身具有以某些基本方式自組裝成更大結構的能力。 “細胞之間可以相互通信并且動態地創建不同的結構，并且每個細胞都被編程為具有許多功能，例如運動、分子分泌、信號檢測等。我們只是想辦法結合這些元素來創造新的生物體和功能。”

更加令人驚訝的是，在將“超級機器人”接種到組織劃痕后的72小時內，研究者發現原生組織發生了再生行為，從而讓劃痕開始閉合，并且這種閉合的情況僅發生在超級機器人接種部位。

在此之后，列文還增加了一個對照實驗，其結果證實使用淀粉或硅酮等無生命物質搭建類似的“橋”并不能產生治療效果。

列文對此猜測道，作為活體組織，機器人或可幫助劃痕一側的神經細胞感知另一側的位置，以便它們“啟動”生長行為。

“列文的研究證明，經過改造和訓練的細胞可以去做一些它們原本不會做的事情，”麻省理工學院的合成生物學家羅恩·魏斯對此評價道，“研究人員甚至可以通過修改這些機器人的基因組來實現更多所需的功能，例如運輸抗癌藥物等等。總體而言，這些機器人仍有巨大潛力有待挖掘。”

該項工作的研究人員進一步指出，隨著生物機器人技術的逐步進展，其潛在的應用前景十分巨大。包括清除動脈粥樣硬化的斑塊、修復神經損傷、識別和治療癌癥等，各類不同的醫學領域或將在微型生物機器人的幫助下得到革新。（綜合整理報道）（策劃／多洛米）