新研究，利用人類細胞制造微型生物機器人

塔夫茨大學(Tufts University)和哈佛大學(Harvard University)威斯研究所(Wyss Institute)的研究人員利用人類氣管細胞制造出了微型生物機器人，他們稱之為“人機器人”(Anthrobots，生物通注)。這種機器人可以在表面上移動，并在實驗室培養皿中發現，它可以促進神經元在受損區域的生長。

這些多細胞機器人的大小從人類頭發的寬度到削尖的鉛筆尖不等，它們可以自我組裝，并顯示出對其他細胞有顯著的治療效果。這一發現是研究人員將患者來源的生物機器人作為再生、愈合和治療疾病的新治療工具的一個起點。

這項工作是在塔夫茨大學文理學院Vannevar Bush生物學教授Michael Levin和佛蒙特大學Josh Bongard的實驗室進行的早期研究之后進行的，他們用青蛙胚胎細胞制造了多細胞生物機器人Xenobots，能夠導航通道，收集材料，記錄信息，傷口愈合，甚至可以自己復制幾個周期。當時，研究人員并不知道這些能力是否依賴于它們來自兩棲動物胚胎，或者是否可以從其他物種的細胞中構建生物機器人。

在目前發表在《高級科學》雜志上的研究中，Levin和博士生Gizem Gumuskaya發現，機器人實際上可以從成人細胞中制造出來，而不需要進行任何基因改造，而且它們展示出的一些能力超出了在Xenobots中觀察到的能力。這一發現開始回答實驗室提出的一個更廣泛的問題——控制細胞如何在體內聚集和協同工作的規則是什么?細胞能否從自然環境中分離出來，重新組合成不同的“身體計劃”，以實現設計中的其他功能?

在這種情況下，研究人員給了在氣管中安靜生活了幾十年的人類細胞一個重新啟動的機會，并找到了創造新結構和任務的方法。Gumuskaya在進入生物學之前獲得了建筑學學位，他說:“我們想要探索細胞除了在身體中創造默認特征之外還能做什么。”“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，類似于石頭和磚可以排列成不同的結構元素，如墻壁、拱門或柱子。”研究人員發現，這些細胞不僅可以創造出新的多細胞形狀，而且還可以在實驗室培養皿中培養的人類神經元表面以不同的方式移動，并促進新的生長來填補因刮擦細胞層而產生的空白。

人機器人究竟是如何促進神經元生長的尚不清楚，但研究人員證實，神經元在一群人機器人聚集的區域下生長，他們稱之為“超級機器人”。

“我們在實驗室中構建的細胞組件可以具有超越它們在體內的功能，正常病人的氣管細胞在不修改DNA的情況下，可以自己移動，并促進受損區域的神經元生長，這是令人著迷的，也是完全出乎意料的。”“我們現在正在研究愈合機制是如何工作的，并詢問這些結構還能做什么。”

使用人類細胞的優點包括能夠從患者自己的細胞中構建機器人來進行治療工作，而不會引發免疫反應或需要免疫抑制劑。它們只能持續幾周就會分解，所以在它們的作用完成后很容易被人體重新吸收。

此外，在體外，Anthrobots只能在非常特定的實驗室條件下生存，并且沒有暴露或意外傳播到實驗室外的風險。同樣，它們不會繁殖，也沒有基因編輯、添加或刪除，因此不存在超出現有保護措施的進化風險。

人機器人是如何制造的?

每個人都是從一個成年捐獻者身上獲得的單細胞開始的。這些細胞來自氣管表面，上面覆蓋著一層毛發狀的突起，叫做纖毛，它們來回擺動。纖毛幫助氣管細胞排出微小的顆粒，從而進入肺部的空氣通道。當我們通過咳嗽或清喉嚨排出顆粒和多余液體的最后一步時，我們都經歷了纖毛細胞的工作。其他人早期的研究表明，當細胞在實驗室中生長時，它們會自發形成微小的多細胞球體，稱為類器官。

研究人員開發了一種生長條件，鼓勵纖毛在類器官上朝外。幾天之內，它們開始四處移動，纖毛就像槳一樣驅動著它們。他們注意到不同的形狀和運動類型——**種。觀察到的生物機器人平臺的重要特征。萊文說，如果人機器人可以添加其他特征(例如，由不同的細胞貢獻)，它們就可以被設計成對環境做出反應，并在體內移動和執行功能，或者幫助在實驗室中構建工程組織。

在新澤西理工學院的西蒙·卡尼爾的幫助下，該團隊對所生產的不同類型的人機器人進行了表征。他們觀察到，機器人在形狀和運動上分為幾個獨立的類別，大小從30到500微米不等(從人類頭發的厚度到削尖的鉛筆尖)，填補了納米技術和大型工程設備之間的重要空白。

有的呈球形，被纖毛完全覆蓋，有的呈不規則或足球狀，纖毛覆蓋較不均勻，或僅一側被纖毛覆蓋。它們沿著直線行進，繞著小圓圈移動，結合這些動作，或者只是坐著扭動。被纖毛完全覆蓋的球形蟲傾向于擺動。纖毛分布不均勻的人機器人傾向于在直線或彎曲的道路上向前移動更長的距離。它們通常在實驗室條件下存活45-60天，然后自然生物降解。

“人機器人可以在實驗室的培養皿中自我組裝，與Xenobots不同，它們不需要鑷子或手術刀來塑造形狀，我們可以使用成人細胞，甚至是老年患者的細胞，而不是胚胎細胞。這是完全可擴展的——我們可以并行生產一群這樣的機器人，這是開發治療工具的良好開端。”

小治療師

因為Levin和Gumuskaya最終計劃讓Anthrobots具有治療應用，他們創建了一個實驗室測試，看看機器人如何治愈傷口。該模型涉及培養一個二維的人類神經元層，只需用一根細金屬棒刮擦這一層，他們就創造了一個沒有細胞的開放“傷口”。

為了確保這個縫隙能夠暴露在密集的人機器人中，他們創造了“超級機器人”——當人機器人被限制在一個小空間中時自然形成的集群。這些超級機器人主要由繞圈和擺動的機器人組成，這樣它們就不會離開放的傷口太遠。

雖然人們可能認為需要對Anthrobot細胞進行基因改造來幫助機器人促進神經的生長，但令人驚訝的是，未經改造的Anthrobot引發了大量的再生，創造了一個與盤子上其他健康細胞一樣厚的神經元橋。沒有人形機器人的傷口上沒有神經元生長。至少在實驗室培養皿的簡化二維世界中，Anthrobot組件促進了活體神經組織的有效愈合。

根據研究人員的說法，機器人的進一步發展可能會導致其他應用，包括清除動脈粥樣硬化患者動脈中的斑塊積聚，修復脊髓或視網膜神經損傷，識別細菌或癌細胞，或將藥物輸送到目標組織。理論上，人機器人可以幫助組織愈合，同時也可以提供促進再生的藥物。

Gumuskaya解釋說，細胞具有以某些基本方式自我組裝成更大結構的天生能力。Gumuskaya說:“這些細胞可以形成層，折疊，形成球體，按類型分類和分離，融合在一起，甚至可以移動。”“與無生命磚塊的兩個重要區別是，細胞可以相互交流，并動態地創建這些結構，每個細胞都被編程具有許多功能，如運動、分子分泌、信號檢測等。我們正在研究如何將這些元素結合起來，創造出不同于自然界的新的生物身體結構和功能。”

利用細胞組裝固有的靈活規則可以幫助科學家構建機器人，但它也可以幫助他們了解自然身體計劃如何組裝，基因組和環境如何共同創造組織，器官和四肢，以及如何通過再生治療來恢復它們。

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