АгрегБоты: Микроскопические живые роботы из клеток лёгких могут доставлять лекарства в организме

В лаборатории Рена Университета Карнеги-Меллон разрабатывают новый инженерный подход для создания «дизайнерских» биологических роботов из человеческих клеток лёгких. Эти микроскопические живые роботы, названные АгрегБотами (AggreBots), в будущем смогут перемещаться в сложной среде организма для доставки терапевтических средств или механических вмешательств, когда будет достигнут больший контроль над их движением. В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, группа представляет новую платформу тканевой инженерии, позволяющую настраивать подвижность АгрегБотов путём активного контроля их структурных параметров.

Биороботы — это микроскопические искусственные биологические машины, способные к автономному движению и программированию для выполнения конкретных задач. Ранее для обеспечения их подвижности в основном использовали мышечные волокна, которые позволяют двигаться за счёт сокращения и расслабления.

Новый альтернативный механизм приведения в действие основан на использовании ресничек — наноскопических волосоподобных органических пропеллеров, которые постоянно перемещают жидкости в организме (например, в лёгких) и помогают некоторым водным организмам, таким как инфузория-туфелька или гребневики, плавать. Однако надёжный способ контролировать точную форму и структуру биоробота на ресничках (CiliaBot) и, как следствие, характер его движения, до сих пор был трудно достижим.

Лаборатория Рена разработала новую модульную стратегию сборки CiliaBots, используя пространственно контролируемую агрегацию тканевых сфероидов, которые инженеры создают из стволовых клеток лёгких. С помощью этой стратегии агрегированные CiliaBots (AggreBots) могут включать сфероиды со стволовыми клетками, несущими генетическую мутацию, которая делает реснички в определённых областях нефункциональными и неподвижными.

Дхрув Бхаттарам, первый автор статьи и аспирант по биомедицинской инженерии, сравнил этот процесс с удалением вёсел в выбранных местах на гребной лодке во время гребли.

«Мы продвигаем альтернативный метод приведения в действие тканей биороботов с помощью наших АгрегБотов, — объяснил Бхаттарам. — Сливая вместе разные сфероиды в разные формы и включая нефункциональные сфероиды, мы можем впервые точно контролировать расположение и количество ресничных пропеллеров на поверхности ткани, чтобы направлять поведение CiliaBot. Это важный шаг вперёд».

«Подход с АгрегБотами добавляет новое измерение в дизайн таких биороботов и биогибридных роботов, — добавила Виктория Вебстер-Вуд, доцент кафедры машиностроения. — Возможность модульного комбинирования реснитчатых и нереснитчатых элементов позволит в будущем создавать биороботов с заданными паттернами подвижности. Поскольку АгрегБоты полностью сделаны из биологических материалов, они естественным образом биодеградируемы и биосовместимы, что может позволить их прямое применение в медицинских целях».

По мере развития этой платформы технология может быть полезна широкому кругу специалистов: сообществу биоробототехники, клиницистам и медицинским исследователям, изучающим работу ресничек при таких заболеваниях, как первичная цилиарная дискинезия или в густой, высоковязкой слизи при муковисцидозе. Важно, что CiliaBots можно создавать из собственных клеток пациента, что позволит генерировать персонализированные средства доставки терапии без риска иммунного отторжения.

«Подвижность важна, потому что организм — это сложная среда, — пояснил Си (Чарли) Рен, доцент кафедры биомедицинской инженерии. — Клеточная доставка терапевтических средств имеет большой потенциал, но без надлежащего механизма движения клетки могут легко застрять. Мы заложили путь, который люди могут использовать для контроля подвижности CiliaBot. От помощи в понимании влияния экологических опасностей на здоровье до содействия доставке терапии in vivo — у CiliaBots есть целый спектр потенциальных применений».