Minuscoli robot biologici chiamati Anthrobots

Gli scienziati costruiscono piccoli robot biologici partendo da cellule umane che si muovono e aiutano a guarire le “ferite” create nei neuroni in coltura

I ricercatori della Tufts University e del Wyss Institute dell'Harvard University hanno creato da cellule tracheali umane minuscoli robot biologici chiamati Anthrobots, che possono muoversi su una superficie e hanno scoperto che incoraggiano la crescita dei neuroni attraverso una regione danneggiata in una piastra di laboratorio.

I robot multicellulari, di dimensioni variabili dalla larghezza di un capello umano alla punta di una matita appuntita, sono stati fatti per auto-assemblarsi e hanno dimostrato di avere un notevole effetto curativo su altre cellule. La scoperta è un punto di partenza per la visione dei ricercatori di utilizzare i biobot derivati dai pazienti come nuovi strumenti terapeutici per la rigenerazione, la guarigione e il trattamento delle malattie.

Il lavoro fa seguito a precedenti ricerche condotte nei laboratori del dottor Michael Levin (1), professore di biologia presso la Tufts University School of Arts & Sciences, e il dottor Josh Bongard (2), docente presso l'University of Vermont. Essi hanno creato robot biologici multicellulari da cellule embrionali di rana chiamati Xenobots, in grado di di navigare nei passaggi, raccogliere materiale, registrare informazioni, guarire se stessi dalle ferite e persino replicarsi per alcuni cicli da soli. All’epoca, i ricercatori non sapevano se queste capacità dipendessero dal fatto che derivassero da un embrione di anfibio o se i biobot potessero essere costruiti da cellule di altre specie.

Nello studio attuale, pubblicato su Advanced Science (3), il dottor Levin, insieme alla studentessa Gizem Gumuskaya, ha scoperto che i robot possono essere creati da cellule umane adulte senza alcuna modifica genetica e ha dimostrato che hanno alcune capacità oltre a quanto osservato con gli Xenobot.

La scoperta inizia a rispondere a una domanda più ampia posta dal laboratorio: quali sono le regole che governano il modo in cui le cellule si assemblano e lavorano insieme nel corpo, e le cellule possono essere estratte dal loro contesto naturale e ricombinate in diversi “piani corporei” per svolgere altre funzioni in base alla progettazione?

In questo caso, i ricercatori hanno dato alle cellule umane, dopo decenni di vita tranquilla nella trachea, la possibilità di riavviarsi e trovare modi per creare nuove strutture e compiti. «Volevamo sondare cosa possono fare le cellule oltre a creare caratteristiche predefinite nel corpo», ha detto la dottoressa Gumuskaya, che ha conseguito una laurea in architettura prima di dedicarsi alla biologia. «Riprogrammando le interazioni tra le cellule, si possono creare nuove strutture multicellulari, analogamente al modo in cui pietra e mattoni possono essere disposti in diversi elementi strutturali come muri, archi o colonne».

I ricercatori hanno scoperto che non solo le cellule potevano creare nuove forme multicellulari, ma potevano muoversi in modi diversi su una superficie di neuroni umani coltivati in una piastra di laboratorio e incoraggiare una nuova crescita per colmare le lacune dello strato di cellule neuronali.

Non è ancora chiaro come esattamente gli Anthrobot incoraggino la crescita dei neuroni, ma i ricercatori hanno confermato che i neuroni crescevano nell’area coperta da un gruppo di Anthrobot, che hanno chiamato “superbot”.

Il dottor Michael Levin, che è anche direttore dell'Allen Discovery Center presso la Tufts University e membro associato della facoltà del Wyss Institute, spiega: «Gli assemblaggi cellulari che costruiamo in laboratorio possono avere capacità che vanno oltre ciò che fanno nel corpo. È affascinante e del tutto inaspettato che le normali cellule tracheali dei pazienti, senza modificare il loro DNA, possano muoversi da sole e incoraggiare la crescita dei neuroni attraverso una regione danneggiata. Stiamo ora esaminando come funziona il meccanismo di guarigione e chiedendoci cos'altro possono fare questi costrutti».

I vantaggi dell’utilizzo di cellule umane includono la capacità di costruire robot dalle cellule di un paziente per svolgere un lavoro terapeutico senza il rischio di innescare una risposta immunitaria o richiedere immunosoppressori. Durano solo poche settimane prima di scomporsi e quindi possono essere facilmente riassorbiti nel corpo una volta terminato il loro lavoro.

Inoltre, al di fuori del corpo, gli Anthrobot possono sopravvivere solo in condizioni di laboratorio molto specifiche e non vi è alcun rischio di esposizione o diffusione involontaria al di fuori del laboratorio. Allo stesso modo, non si riproducono e non presentano modifiche, aggiunte o eliminazioni genetiche, quindi non vi è alcun rischio che si evolvano oltre le salvaguardie esistenti.

Come sono fatti gli antrobot?

Ogni Anthrobot inizia come una singola cellula, derivata da un donatore adulto. Le cellule provengono dalla superficie della trachea e sono ricoperte da proiezioni simili a capelli chiamate ciglia che ondeggiano avanti e indietro. Le ciglia aiutano le cellule tracheali a espellere minuscole particelle che riescono a penetrare nei passaggi aerei del polmone. Tutti noi sperimentiamo il lavoro delle cellule ciliate quando compiamo il passo finale di espellere le particelle e il liquido in eccesso tossendo o schiarendoci la gola. Studi precedenti condotti da altri avevano dimostrato che quando le cellule vengono coltivate in laboratorio, formano spontaneamente minuscole sfere multicellulari chiamate organoidi.

I ricercatori hanno sviluppato condizioni di crescita che incoraggiavano le ciglia a guardare verso l'esterno sugli organoidi. Nel giro di pochi giorni cominciarono a muoversi, spinti dalle ciglia che fungevano da remi. Hanno notato diverse forme e tipi di movimento - il primo. Caratteristica importante osservata della piattaforma biorobotica. Levin afferma che se si potessero aggiungere altre caratteristiche agli Anthrobot (ad esempio, apportate da cellule diverse), questi potrebbero essere progettati per rispondere al loro ambiente, viaggiare ed eseguire funzioni nel corpo, o aiutare a costruire tessuti ingegnerizzati in laboratorio.

Il team, con l'aiuto del dottor Simon Garnier (4) del New Jersey Institute of Technology, ha caratterizzato i diversi tipi di Anthrobot prodotti. Hanno osservato che i robot rientrano in alcune categorie distinte di forma e movimento, di dimensioni variabili da 30 a 500 micrometri (dallo spessore di un capello umano alla punta di una matita appuntita), riempiendo un’importante nicchia tra la nanotecnologia e i dispositivi ingegnerizzati più grandi.

Alcuni erano sferici e completamente ricoperti di ciglia, alcuni erano irregolari o a forma di pallone con una copertura più irregolare di ciglia, e alcuni erano ricoperti di ciglia solo su un lato. Viaggiavano in linea retta, si muovevano in cerchi stretti, combinavano quei movimenti o semplicemente si sedevano e si dimenavano. Quelli sferici completamente ricoperti di ciglia tendevano ad essere dimenati. Gli Anthrobot con ciglia distribuite in modo non uniforme tendevano ad avanzare per tratti più lunghi in percorsi rettilinei o curvi. Di solito sopravvivevano circa 45-60 giorni in condizioni di laboratorio prima di biodegradarsi naturalmente.

«Gli Anthrobot si auto-assemblano nel laboratorio», ha detto Gumuskaya, che ha creato gli Anthrobot. «A differenza degli Xenobot, non necessitano di pinzette o bisturi per dargli forma, e possiamo usare cellule adulte, anche cellule di pazienti anziani, invece di cellule embrionali. È completamente scalabile: possiamo produrre sciami di questi robot in parallelo, il che è un buon inizio per sviluppare uno strumento terapeutico».

Piccoli guaritori

Poiché Levin e Gumuskaya intendono infine creare Anthrobot con applicazioni terapeutiche, hanno creato un test di laboratorio per vedere come i robot potrebbero curare le ferite. Il modello prevedeva la crescita di uno strato bidimensionale di neuroni umani e, semplicemente graffiando lo strato con una sottile bacchetta di metallo, hanno creato una “ferita” aperta priva di cellule.

Per garantire che il divario fosse esposto a una densa concentrazione di Anthrobot, hanno creato i “superbot”, un gruppo che si forma naturalmente quando gli Anthrobot sono confinati in un piccolo spazio. I superbot erano costituiti principalmente da cerchi, quindi non si allontanavano troppo dalla ferita aperta.

Anche se ci si potrebbe aspettare che siano necessarie modifiche genetiche delle cellule Anthrobot per aiutare i robot a incoraggiare la crescita neurale, sorprendentemente gli Anthrobot non modificati hanno innescato una sostanziale ricrescita, creando un ponte di neuroni spesso quanto il resto delle cellule sane sulla piastra. I neuroni non sono cresciuti nella ferita dove gli Anthrobot erano assenti. Almeno nel mondo 2D semplificato della piastra da laboratorio, gli assemblaggi di Anthrobot hanno incoraggiato una guarigione efficiente del tessuto neurale vivo.

Secondo i ricercatori l’ulteriore sviluppo dei robot potrebbe portare ad altre applicazioni, tra cui l’eliminazione dell’accumulo di placca nelle arterie dei pazienti affetti da aterosclerosi, la riparazione del midollo spinale o dei danni ai nervi retinici, il riconoscimento di batteri o cellule tumorali o la somministrazione di farmaci ai tessuti mirati. Gli Anthrobot potrebbero in teoria assistere nella guarigione dei tessuti, somministrando anche farmaci pro-rigenerativi.

Realizzare nuovi progetti, ripristinare quelli vecchi

La dottoressa Gizem Gumuskaya ha spiegato che le cellule hanno la capacità innata di autoassemblarsi in strutture più grandi in alcuni modi fondamentali. «Le cellule possono formare strati, piegarsi, creare sfere, ordinarsi e separarsi per tipo, fondersi insieme o addirittura muoversi. Due importanti differenze rispetto ai mattoni inanimati sono che le cellule possono comunicare tra loro e creare queste strutture in modo dinamico, e ogni cellula è programmata con molte funzioni, come il movimento, la secrezione di molecole, il rilevamento di segnali e altro ancora. Stiamo solo cercando di capire come combinare questi elementi per creare nuovi piani e funzioni biologiche del corpo, diverse da quelle che si trovano in natura».

Sfruttare le regole intrinsecamente flessibili dell’assemblaggio cellulare aiuta gli scienziati a costruire i robot, ma può anche aiutarli a capire come si assemblano i piani naturali del corpo, come il genoma e l’ambiente lavorano insieme per creare tessuti, organi e arti e come ripristinarli mediante trattamenti rigenerativi.

Questa ricerca è stata finanziata dalla John Templeton Foundation e Astonishing Labs.

Riferimenti:

(1) Michael Levin

(2) Josh Bongard

(3) Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells

(4) Simon Garnier

Descrizione foto: Un Anthrobot, colorato in profondità, con una corona di ciglia che fornisce la locomozione al bot. - Credit: Gizem Gumuskaya, Tufts University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Build Tiny Biological Robots from Human Cells