Cientistas constroem pequenos robôs biológicos a partir de células traqueais humanas

Pesquisadores da Universidade Tufts e do Instituto Wyss da Universidade de Harvard criaram pequenos robôs biológicos que eles chamam de Anthrobots a partir de células traqueais humanas que podem se mover através de uma superfície e descobriram que estimulam o crescimento de neurônios em uma região danificada em uma placa de laboratório.

Os robôs multicelulares, que variam em tamanho desde a largura de um fio de cabelo humano até a ponta de um lápis afiado, foram feitos para se automontarem e demonstraram ter um efeito curativo notável em outras células. A descoberta é um ponto de partida para a visão dos investigadores de utilizar biobots derivados de pacientes como novas ferramentas terapêuticas para regeneração, cura e tratamento de doenças.

O trabalho segue pesquisas anteriores nos laboratórios de Michael Levin, Vannevar Bush Professor de Biologia na Escola de Artes e Ciências da Universidade Tufts, e Josh Bongard na Universidade de Vermont, nos quais eles criaram robôs biológicos multicelulares a partir de células embrionárias de sapo chamadas Xenobots, capazes de navegar por passagens, coletar material, registrar informações, curar-se de lesões e até mesmo replicar por alguns ciclos por conta própria.

Na altura, os investigadores não sabiam se estas capacidades dependiam do facto de serem derivadas de um embrião de anfíbio ou se os biobots poderiam ser construídos a partir de células de outras espécies.

No estudo atual, publicado em Ciência Avançada, Levin, junto com Ph.D. o estudante Gizem Gumuskaya descobriu que os bots podem de fato ser criados a partir de células humanas adultas sem qualquer modificação genética e estão demonstrando algumas capacidades além do que foi observado com os Xenobots.

A descoberta começa a responder a uma questão mais ampla colocada pelo laboratório – quais são as regras que governam a forma como as células se reúnem e trabalham juntas no corpo, e se as células podem ser retiradas do seu contexto natural e recombinadas em diferentes “planos corporais” para executar outras funções por design?

Neste caso, os investigadores deram às células humanas, após décadas de vida tranquila na traqueia, uma oportunidade de reiniciar e encontrar formas de criar novas estruturas e tarefas.

“Queríamos investigar o que as células podem fazer além de criar características padrão no corpo”, disse Gumuskaya, que se formou em arquitetura antes de ingressar na biologia. “Ao reprogramar as interações entre as células, novas estruturas multicelulares podem ser criadas, de forma análoga à forma como a pedra e o tijolo podem ser organizados em diferentes elementos estruturais, como paredes, arcos ou colunas”.

Os pesquisadores descobriram que as células não apenas poderiam criar novas formas multicelulares, mas também poderiam se mover de maneiras diferentes sobre uma superfície de neurônios humanos cultivados em uma placa de laboratório e estimular um novo crescimento para preencher as lacunas causadas pelo arranhão da camada de células.

Exatamente como os Anthrobots estimulam o crescimento de neurônios ainda não está claro, mas os pesquisadores confirmaram que os neurônios cresceram sob a área coberta por um conjunto agrupado de Anthrobots, que eles chamaram de “superbots”.

“Os conjuntos celulares que construímos no laboratório podem ter capacidades que vão além do que fazem no corpo”, disse Levin, que também atua como diretor do Allen Discovery Center em Tufts e é membro associado do corpo docente do Wyss Institute.

“É fascinante e completamente inesperado que células traqueais normais de pacientes, sem modificar o seu DNA, possam se mover por conta própria e estimular o crescimento de neurônios em uma região danificada”, disse Levin. “Estamos agora analisando como funciona o mecanismo de cura e perguntando o que mais essas construções podem fazer”.

As vantagens do uso de células humanas incluem a capacidade de construir bots a partir das células do próprio paciente para realizar trabalho terapêutico sem o risco de desencadear uma resposta imunológica ou necessitar de imunossupressores. Eles duram apenas algumas semanas antes de se decomporem e, portanto, podem ser facilmente reabsorvidos pelo corpo após a conclusão do trabalho.

Além disso, fora do corpo, os Anthrobots só podem sobreviver em condições laboratoriais muito específicas e não há risco de exposição ou propagação não intencional fora do laboratório. Da mesma forma, não se reproduzem e não possuem edições, acréscimos ou exclusões genéticas, portanto não há risco de que evoluam além das salvaguardas existentes.

Como são feitos os Anthrobots?

Cada Anthrobot começa como uma única célula, derivada de um doador adulto. As células vêm da superfície da traqueia e são cobertas por projeções semelhantes a cabelos, chamadas cílios, que ondulam para frente e para trás. Os cílios ajudam as células traqueais a expulsar pequenas partículas que chegam às passagens de ar do pulmão.

Todos nós experimentamos o trabalho das células ciliadas quando damos o passo final de expelir as partículas e o excesso de líquido tossindo ou pigarreando. Estudos anteriores realizados por outros mostraram que, quando as células são cultivadas em laboratório, elas formam espontaneamente minúsculas esferas multicelulares chamadas organoides.

Os pesquisadores desenvolveram condições de crescimento que encorajaram os cílios a ficarem voltados para fora nos organoides. Em poucos dias eles começaram a se movimentar, impulsionados pelos cílios que agiam como remos. Eles notaram diferentes formas e tipos de movimento – a primeira característica importante observada na plataforma biorobótica. Levin diz que se outros recursos pudessem ser adicionados aos Anthrobots (por exemplo, contribuídos por células diferentes), eles poderiam ser projetados para responder ao seu ambiente e viajar e desempenhar funções no corpo, ou ajudar a construir tecidos projetados no laboratório. .

A equipe, com a ajuda de Simon Garnier, do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey, caracterizou os diferentes tipos de Anthrobots produzidos. Eles observaram que os bots se enquadravam em algumas categorias distintas de forma e movimento, variando em tamanho de 30 a 500 micrômetros (da espessura de um fio de cabelo humano até a ponta de um lápis apontado), preenchendo um nicho importante entre a nanotecnologia e dispositivos de engenharia maiores. .

Alguns eram esféricos e totalmente cobertos por cílios, e alguns eram irregulares ou em forma de bola de futebol, com cobertura mais irregular de cílios, ou apenas cobertos por cílios de um lado. Eles viajavam em linha reta, moviam-se em círculos apertados, combinavam esses movimentos ou simplesmente sentavam-se e se mexiam. Os esféricos totalmente cobertos por cílios tendiam a ser mexidos.

Os Antrobôs com cílios distribuídos de forma desigual tendiam a avançar por trechos mais longos em trajetórias retas ou curvas. Eles geralmente sobreviviam cerca de 45 a 60 dias em condições de laboratório antes de se biodegradarem naturalmente.

“Os Anthrobots se automontam na placa de laboratório”, disse Gumuskaya, que criou os Anthrobots. “Ao contrário dos Xenobots, eles não precisam de pinças ou bisturis para lhes dar forma, e podemos usar células adultas – até mesmo células de pacientes idosos – em vez de células embrionárias. É totalmente escalável – podemos produzir enxames desses bots em paralelo, o que é um bom começo para desenvolver uma ferramenta terapêutica.”

Pequenos curandeiros

Como Levin e Gumuskaya planejam fabricar Anthrobots com aplicações terapêuticas, eles criaram um teste de laboratório para ver como os bots podem curar feridas. O modelo envolveu o crescimento de uma camada bidimensional de neurônios humanos e, simplesmente arranhando a camada com uma fina haste de metal, eles criaram uma “ferida” aberta, desprovida de células.

Para garantir que a lacuna fosse exposta a uma densa concentração de Anthrobots, eles criaram “superbots”, um aglomerado que se forma naturalmente quando os Anthrobots estão confinados a um pequeno espaço. Os superbots eram compostos principalmente de círculos e wigglers, para que não se afastassem muito da ferida aberta.

Embora se pudesse esperar que fossem necessárias modificações genéticas nas células dos Anthrobot para ajudar os bots a estimular o crescimento neural, surpreendentemente os Anthrobots não modificados desencadearam um novo crescimento substancial, criando uma ponte de neurônios tão espessa quanto o resto das células saudáveis ​​na placa. Os neurônios não cresceram na ferida onde os Anthrobots estavam ausentes. Pelo menos no mundo 2D simplificado da placa de laboratório, as montagens do Anthrobot encorajaram a cura eficiente do tecido neural vivo.

De acordo com os investigadores, o desenvolvimento adicional dos bots pode levar a outras aplicações, incluindo a eliminação de placas acumuladas nas artérias de pacientes com aterosclerose, a reparação de danos na medula espinal ou nos nervos da retina, o reconhecimento de bactérias ou células cancerígenas ou a administração de medicamentos aos tecidos-alvo. Os Anthrobots poderiam, em teoria, ajudar na cura de tecidos, ao mesmo tempo que estabelecem drogas pró-regenerativas.

Fazendo novos projetos, restaurando os antigos

Gumuskaya explicou que as células têm a capacidade inata de se automontarem em estruturas maiores de certas maneiras fundamentais. “As células podem formar camadas, dobrar-se, formar esferas, classificar-se e separar-se por tipo, fundir-se ou até mesmo mover-se”, disse Gumuskaya.

“Duas diferenças importantes em relação aos tijolos inanimados são que as células podem se comunicar entre si e criar essas estruturas dinamicamente, e cada célula é programada com muitas funções, como movimento, secreção de moléculas, detecção de sinais e muito mais. Estamos apenas descobrindo como fazer isso. combine esses elementos para criar novos planos e funções do corpo biológico – diferentes daqueles encontrados na natureza.”

Aproveitar as regras inerentemente flexíveis da montagem celular ajuda os cientistas a construir os bots, mas também pode ajudá-los a compreender como os planos naturais do corpo se montam, como o genoma e o ambiente trabalham juntos para criar tecidos, órgãos e membros, e como restaurar com tratamentos regenerativos.