‘Anthrobots’ dibuat untuk Memperbaiki Kerusakan Jaringan Saraf

Boston – Robot multiseluler, dengan ukuran mulai dari selebar rambut manusia hingga ujung pensil runcing, dibuat untuk dirakit sendiri dan terbukti memiliki efek penyembuhan yang luar biasa pada sel lain. Penemuan ini merupakan titik awal bagi visi para peneliti untuk menggunakan biobot yang diturunkan dari sel pasien itu sendiri sebagai alat terapi baru untuk regenerasi, proses penyembuhan, dan pengobatan penyakit.

Para ilmuwan berhasil menciptakan robot biologis kecil yang bergerak dari sel trakea manusia sehingga dapat mendorong pertumbuhan neuron pada ‘luka’ buatan di laboratorium. Bot tersebut dibuat menggunakan sel pasien sendiri, dapat memungkinkan pertumbuhan Anthrobot yang membantu penyembuhan dan regenerasi di masa depan tanpa perlu menekan kekebalan tubuh

Dalam penelitian bot multiseluler itu kemudian terlihat bergerak untuk membantu menyembuhkan ‘luka’ yang tercipta pada neuron yang dikultur.

Para peneliti di Universitas Tufts dan Institut Wyss Universitas Harvard  menciptakan robot biologis kecil yang mereka sebut Anthrobots dari sel trakea manusia yang dapat bergerak melintasi lapisan permukaan. Lewat cawan pengujian laboratorium. bot terbukti mendorong pertumbuhan neuron di wilayah kerusakan.

Upaya ini mengikuti penelitian sebelumnya di laboratorium Michael Levin, Profesor Biologi Vannevar Bush di Sekolah Seni & Sains Universitas Tufts, dan Josh Bongard di Universitas Vermont di mana mereka menciptakan robot biologis multiseluler dari sel embrio katak yang disebut Xenobots, mampu menavigasi lorong, mengumpulkan materi, mencatat informasi, menyembuhkan diri dari cedera, dan bahkan mereplikasi sendiri selama beberapa siklus. Pada saat itu, para peneliti tidak mengetahui apakah kemampuan ini bergantung pada asal usulnya dari embrio amfibi, atau apakah biobot dapat dibuat dari sel spesies lain.

Dalam penelitian terbaru yang dipublikasikan di Advanced Science, Levin, bersama dengan mahasiswa PhD Gizem Gumuskaya menemukan bahwa bot sebenarnya dapat dibuat dari sel manusia dewasa tanpa modifikasi genetik dan mereka menunjukkan beberapa kemampuan di luar dari apa yang diamati dengan Xenobot.

Penemuan ini mulai menjawab pertanyaan yang lebih luas yang diajukan laboratorium – aturan apa yang mengatur bagaimana sel berkumpul dan bekerja sama di dalam tubuh, dan dapatkah sel dikeluarkan dari konteks alaminya dan digabungkan kembali ke dalam “rencana tubuh” yang berbeda. untuk menjalankan fungsi lain berdasarkan desain?

Dalam kasus ini, para peneliti memberi sel manusia, setelah puluhan tahun hidup tenang di trakea, kesempatan untuk melakukan boot ulang dan menemukan cara untuk menciptakan struktur dan tugas baru. “Kami ingin menyelidiki apa yang dapat dilakukan sel selain menciptakan fitur bawaan dalam tubuh,” kata Gumuskaya, yang memperoleh gelar di bidang arsitektur sebelum terjun ke dunia biologi.

“Dengan memprogram ulang interaksi antar sel, struktur multiseluler baru dapat tercipta, serupa dengan cara batu dan bata disusun menjadi elemen struktural berbeda seperti dinding, lengkungan, atau kolom,” jelas Gumuskaya.

Para peneliti kemudian menemukan bahwa sel tidak hanya dapat menciptakan bentuk multiseluler baru, tetapi mereka juga dapat bergerak dengan cara berbeda di permukaan neuron manusia yang tumbuh di piring laboratorium dan mendorong pertumbuhan baru untuk mengisi celah yang disebabkan oleh penggarukan (cacat/luka) lapisan sel.

Bagaimana tepatnya Anthrobots mendorong pertumbuhan neuron masih belum jelas, namun para peneliti memastikan bahwa neuron tumbuh di bawah area yang dicakup oleh kumpulan Anthrobots, yang mereka sebut sebagai “superbot”.

“Perangkat seluler yang kami bangun di laboratorium dapat memiliki kemampuan yang melampaui apa yang mereka lakukan di dalam tubuh,” kata Levin, yang juga menjabat sebagai direktur Allen Discovery Center di Tufts dan anggota fakultas asosiasi di Wyss Institute. “Sangat menarik dan benar-benar tidak terduga bahwa sel-sel trakea pasien yang normal, tanpa memodifikasi DNA mereka, dapat bergerak sendiri dan mendorong pertumbuhan neuron di wilayah yang rusak,” kata Levin.

“Kami sekarang melihat bagaimana mekanisme penyembuhan bekerja, dan bertanya-tanya apa lagi yang bisa dilakukan oleh konstruksi ini.”

Keuntungan menggunakan sel manusia mencakup kemampuan untuk membuat bot dari sel pasien sendiri untuk melakukan pekerjaan terapeutik tanpa risiko memicu respons imun atau memerlukan imunosupresan. Bahan-bahan tersebut hanya bertahan beberapa minggu sebelum rusak, sehingga dapat dengan mudah diserap kembali ke dalam tubuh setelah fungsinya selesai.

Selain itu, di luar tubuh, Anthrobot hanya dapat bertahan hidup dalam kondisi laboratorium yang sangat spesifik, dan tidak ada risiko paparan atau penyebaran yang tidak diinginkan ke luar laboratorium. Demikian pula, mereka tidak bereproduksi, dan tidak mengalami pengeditan, penambahan, atau penghapusan genetik, sehingga tidak ada risiko evolusi mereka melampaui perlindungan yang ada.

Bagaimana Anthrobot Dibuat?

Setiap Anthrobot dimulai sebagai sel tunggal, yang berasal dari donor dewasa. Sel-sel tersebut berasal dari permukaan trakea dan ditutupi dengan tonjolan mirip rambut yang disebut silia yang bergelombang maju mundur. Silia membantu sel trakea mendorong partikel kecil yang masuk ke saluran udara paru-paru. Kita semua mengalami kerja sel bersilia ketika kita mengambil langkah terakhir untuk mengeluarkan partikel dan kelebihan cairan dengan batuk atau berdehem. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh peneliti lain menunjukkan bahwa ketika sel-sel tersebut ditumbuhkan di laboratorium, sel-sel tersebut secara spontan membentuk bola multiseluler kecil yang disebut organoid.

Para peneliti mengembangkan kondisi pertumbuhan yang mendorong silia menghadap ke luar pada organoid. Dalam beberapa hari mereka mulai bergerak, didorong oleh silia yang bertindak seperti dayung. Mereka mencatat berbagai bentuk dan jenis gerakan — yang pertama. fitur penting yang diamati dari platform biorobotika. Levin mengatakan bahwa jika fitur-fitur lain dapat ditambahkan ke Anthrobots (misalnya, disumbangkan oleh sel-sel yang berbeda), mereka dapat dirancang untuk merespons lingkungannya, dan melakukan perjalanan (ke suatu bentuk) dan menjalankan fungsi-fungsi di dalam tubuh, atau membantu membangun jaringan rekayasa di laboratorium.

Tim tersebut, dengan bantuan Simon Garnier di New Jersey Institute of Technology, mengkarakterisasi berbagai jenis Anthrobot yang diproduksi. Mereka mengamati bahwa bot terbagi dalam beberapa kategori bentuk dan pergerakan yang berbeda, dengan ukuran mulai dari 30 hingga 500 mikrometer (dari ketebalan rambut manusia hingga ujung pensil tajam), mengisi ceruk penting antara nanoteknologi dan perangkat rekayasa yang lebih besar.

Ada yang berbentuk bulat dan seluruhnya tertutup silia, dan ada pula yang tidak beraturan atau berbentuk bola dengan cakupan silia yang lebih tidak merata, atau hanya ditutupi silia di satu sisi. Mereka melakukan perjalanan dalam garis lurus, bergerak dalam lingkaran rapat, menggabungkan gerakan-gerakan tersebut, atau hanya duduk-duduk dan bergoyang. Yang berbentuk bola yang seluruhnya tertutup silia cenderung bergerak-gerak. Anthrobot dengan silia yang tersebar tidak merata cenderung bergerak maju dalam rentang yang lebih panjang dalam jalur lurus atau melengkung. Mereka biasanya bertahan sekitar 45-60 hari dalam kondisi laboratorium sebelum terurai secara alami.

“Anthrobot berkumpul sendiri di piringan laboratorium,” kata Gumuskaya, pencipta Anthrobots. “Tidak seperti Xenobot, mereka tidak memerlukan pinset atau pisau bedah untuk membentuknya, dan kita dapat menggunakan sel dewasa — bahkan sel dari pasien lanjut usia — sebagai pengganti sel embrio. Ini sepenuhnya dapat diskalakan — kita dapat menghasilkan kawanan bot ini di paralel, yang merupakan awal yang baik untuk mengembangkan alat terapi.”

Penyembuh Kecil

Karena Levin dan Gumuskaya pada akhirnya berencana membuat Anthrobot dengan aplikasi terapeutik, mereka membuat uji laboratorium untuk melihat bagaimana bot tersebut dapat menyembuhkan luka. Model tersebut melibatkan penumbuhan lapisan dua dimensi neuron manusia, dan hanya dengan menggores lapisan tersebut dengan batang logam tipis, mereka menciptakan ‘luka’ terbuka tanpa sel.

Untuk memastikan kesenjangan tersebut akan terkena konsentrasi Anthrobot yang padat, mereka menciptakan “superbot” sebuah cluster yang secara alami terbentuk ketika Anthrobot terkurung di ruang kecil. Superbot pada dasarnya terdiri dari para penggerek dan jentik-jentik, sehingga mereka tidak akan berkeliaran terlalu jauh dari luka yang terbuka.

Meskipun modifikasi genetik sel Anthrobot mungkin diperlukan untuk membantu bot mendorong pertumbuhan saraf, yang mengejutkan adalah Anthrobot yang tidak dimodifikasi memicu pertumbuhan kembali secara substansial, menciptakan jembatan neuron setebal sel-sel sehat lainnya. Neuron tidak tumbuh pada luka yang tidak memiliki Anthrobot. Setidaknya dalam dunia laboratorium 2D yang disederhanakan, rakitan Anthrobot mendorong penyembuhan jaringan saraf hidup yang efisien.

Menurut para peneliti, pengembangan lebih lanjut dari bot ini dapat mengarah pada aplikasi lain, termasuk membersihkan penumpukan plak di arteri pasien aterosklerosis, memperbaiki kerusakan sumsum tulang belakang atau saraf retina, mengenali bakteri atau sel kanker, atau mengirimkan obat ke jaringan yang ditargetkan. Anthrobot secara teori dapat membantu penyembuhan jaringan, sekaligus memberikan obat pro-regeneratif.

Memanfaatkan aturan fleksibel perakitan sel membantu para ilmuwan membangun bot, tetapi juga dapat membantu mereka memahami bagaimana struktur tubuh alami terbentuk, bagaimana genom dan lingkungan bekerja sama untuk menciptakan jaringan, organ, dan anggota tubuh, dan bagaimana memulihkannya. kerusakan-kerusakan itu dengan perawatan regeneratif. (sciencedaily/GHP)