科学家利用人类细胞制造微型生物机器人

塔夫茨大学(Tufts University)和哈佛大学(Harvard University)威斯研究所(Wyss Institute)的研究人员利用人类气管细胞制造出了微型生物机器人，他们称之为“人机器人”(Anthrobots，生物通注)。这种机器人可以在表面上移动，并在实验室培养皿中发现，它可以促进神经元在受损区域的生长。

这些多细胞机器人的大小从人类头发的宽度到削尖的铅笔尖不等，它们可以自我组装，并显示出对其他细胞有显着的治疗效果。这一发现是研究人员将患者来源的生物机器人作为再生、愈合和治疗疾病的新治疗工具的一个起点。

这项工作是在塔夫茨大学文理学院Vannevar Bush生物学教授Michael Levin和佛蒙特大学Josh Bongard的实验室进行的早期研究之后进行的，他们用青蛙胚胎细胞制造了多细胞生物机器人Xenobots，能够导航通道，收集材料，记录信息，伤口愈合，甚至可以自己复制几个周期。当时，研究人员并不知道这些能力是否依赖于它们来自两栖动物胚胎，或者是否可以从其他物种的细胞中构建生物机器人。

在目前发表在《高级科学》杂志上的研究中，Levin和博士生Gizem Gumuskaya发现，机器人实际上可以从成人细胞中制造出来，而不需要进行任何基因改造，而且它们展示出的一些能力超出了在Xenobots中观察到的能力。这一发现开始回答实验室提出的一个更广泛的问题——控制细胞如何在体内聚集和协同工作的规则是什么?细胞能否从自然环境中分离出来，重新组合成不同的“身体计划”，以实现设计中的其他功能?

在这种情况下，研究人员给了在气管中安静生活了几十年的人类细胞一个重新启动的机会，并找到了创造新结构和任务的方法。Gumuskaya在进入生物学之前获得了建筑学学位，他说:“我们想要探索细胞除了在身体中创造默认特征之外还能做什么。”“通过重新编程细胞之间的相互作用，可以创建新的多细胞结构，类似于石头和砖可以排列成不同的结构元素，如墙壁、拱门或柱子。”研究人员发现，这些细胞不仅可以创造出新的多细胞形状，而且还可以在实验室培养皿中培养的人类神经元表面以不同的方式移动，并促进新的生长来填补因刮擦细胞层而产生的空白。

人机器人究竟是如何促进神经元生长的尚不清楚，但研究人员证实，神经元在一群人机器人聚集的区域下生长，他们称之为“超级机器人”。

“我们在实验室中构建的细胞组件可以具有超越它们在体内的功能，正常病人的气管细胞在不修改DNA的情况下，可以自己移动，并促进受损区域的神经元生长，这是令人着迷的，也是完全出乎意料的。”“我们现在正在研究愈合机制是如何工作的，并询问这些结构还能做什么。”

使用人类细胞的优点包括能够从患者自己的细胞中构建机器人来进行治疗工作，而不会引发免疫反应或需要免疫抑制剂。它们只能持续几周就会分解，所以在它们的作用完成后很容易被人体重新吸收。

此外，在体外，Anthrobots只能在非常特定的实验室条件下生存，并且没有暴露或意外传播到实验室外的风险。同样，它们不会繁殖，也没有基因编辑、添加或删除，因此不存在超出现有保护措施的进化风险。

人机器人是如何制造的?

每个人都是从一个成年捐献者身上获得的单细胞开始的。这些细胞来自气管表面，上面覆盖着一层毛发状的突起，叫做纤毛，它们来回摆动。纤毛帮助气管细胞排出微小的颗粒，从而进入肺部的空气通道。当我们通过咳嗽或清喉咙排出颗粒和多余液体的最后一步时，我们都经历了纤毛细胞的工作。其他人早期的研究表明，当细胞在实验室中生长时，它们会自发形成微小的多细胞球体，称为类器官。

研究人员开发了一种生长条件，鼓励纤毛在类器官上朝外。几天之内，它们开始四处移动，纤毛就像桨一样驱动着它们。他们注意到不同的形状和运动类型——第一种。观察到的生物机器人平台的重要特征。莱文说，如果人机器人可以添加其他特征(例如，由不同的细胞贡献)，它们就可以被设计成对环境做出反应，并在体内移动和执行功能，或者帮助在实验室中构建工程组织。

在新泽西理工学院的西蒙·卡尼尔的帮助下，该团队对所生产的不同类型的人机器人进行了表征。他们观察到，机器人在形状和运动上分为几个独立的类别，大小从30到500微米不等(从人类头发的厚度到削尖的铅笔尖)，填补了纳米技术和大型工程设备之间的重要空白。

有的呈球形，被纤毛完全覆盖，有的呈不规则或足球状，纤毛覆盖较不均匀，或仅一侧被纤毛覆盖。它们沿着直线行进，绕着小圆圈移动，结合这些动作，或者只是坐着扭动。被纤毛完全覆盖的球形虫倾向于摆动。纤毛分布不均匀的人机器人倾向于在直线或弯曲的道路上向前移动更长的距离。它们通常在实验室条件下存活45-60天，然后自然生物降解。

“人机器人可以在实验室的培养皿中自我组装，与Xenobots不同，它们不需要镊子或手术刀来塑造形状，我们可以使用成人细胞，甚至是老年患者的细胞，而不是胚胎细胞。这是完全可扩展的——我们可以并行生产一群这样的机器人，这是开发治疗工具的良好开端。”

小治疗师

因为Levin和Gumuskaya最终计划让Anthrobots具有治疗应用，他们创建了一个实验室测试，看看机器人如何治愈伤口。该模型涉及培养一个二维的人类神经元层，只需用一根细金属棒刮擦这一层，他们就创造了一个没有细胞的开放“伤口”。

为了确保这个缝隙能够暴露在密集的人机器人中，他们创造了“超级机器人”——当人机器人被限制在一个小空间中时自然形成的集群。这些超级机器人主要由绕圈和摆动的机器人组成，这样它们就不会离开放的伤口太远。

虽然人们可能认为需要对Anthrobot细胞进行基因改造来帮助机器人促进神经的生长，但令人惊讶的是，未经改造的Anthrobot引发了大量的再生，创造了一个与盘子上其他健康细胞一样厚的神经元桥。没有人形机器人的伤口上没有神经元生长。至少在实验室培养皿的简化二维世界中，Anthrobot组件促进了活体神经组织的有效愈合。

根据研究人员的说法，机器人的进一步发展可能会导致其他应用，包括清除动脉粥样硬化患者动脉中的斑块积聚，修复脊髓或视网膜神经损伤，识别细菌或癌细胞，或将药物输送到目标组织。理论上，人机器人可以帮助组织愈合，同时也可以提供促进再生的药物。

Gumuskaya解释说，细胞具有以某些基本方式自我组装成更大结构的天生能力。Gumuskaya说:“这些细胞可以形成层，折叠，形成球体，按类型分类和分离，融合在一起，甚至可以移动。”“与无生命砖块的两个重要区别是，细胞可以相互交流，并动态地创建这些结构，每个细胞都被编程具有许多功能，如运动、分子分泌、信号检测等。我们正在研究如何将这些元素结合起来，创造出不同于自然界的新的生物身体结构和功能。”

利用细胞组装固有的灵活规则可以帮助科学家构建机器人，但它也可以帮助他们了解自然身体计划如何组装，基因组和环境如何共同创造组织，器官和四肢，以及如何通过再生治疗来恢复它们。