美國(guó)塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員在2023年11月30日的《先進(jìn)科學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性的研究成果。他們利用人類氣管細(xì)胞創(chuàng)造了一種微型生物機(jī)器人，稱為人類機(jī)器人（Anthrobots）。
新的微型生物機(jī)器人有幾個(gè)特點(diǎn)。一是采用人的細(xì)胞合成，二是可以運(yùn)動(dòng)，三是可以修復(fù)受損的細(xì)胞。這幾個(gè)特點(diǎn)加在一起，為人類有效利用生物機(jī)器人打下了堅(jiān)實(shí)基矗
微型生物機(jī)器人在血管中游走的藝術(shù)想象圖。視覺中國(guó)/圖
長(zhǎng)期以來，研究人員都在嘗試研發(fā)生物機(jī)器人以診治疾病，但是首先局限在采用哪種生物來研發(fā)機(jī)器人。2020年美國(guó)塔夫茨大學(xué)生物學(xué)教授邁克爾萊文 (Michael Levin) 的研究團(tuán)隊(duì)利用青蛙胚胎細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)多細(xì)胞生物機(jī)器人，命名為異種機(jī)器人（Xenobot）。這種機(jī)器人是一種活的、可編程的有機(jī)體，大小不到1毫米，具有多種生命特質(zhì)，可以在水性介質(zhì)中移動(dòng)、具有自我修復(fù)能力、可自行生物降解。最厲害的是，即便把生物機(jī)器人切成兩半，它不僅能把自己縫合起來，還能繼續(xù)活動(dòng)。而且，它們不只是能直線行進(jìn)，也能轉(zhuǎn)圈。
但是，之后有研究人員提出，異種機(jī)器人的合成和可以移動(dòng)是否因?yàn)橛猛茴惖呐咛ゼ?xì)胞合成，其他生物，如人類的而且非胚胎細(xì)胞是否也可以合成微型機(jī)器人。為了解答這個(gè)問題，同樣是萊文團(tuán)隊(duì)與其他研究團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，創(chuàng)造了現(xiàn)在的人類機(jī)器人。之所以取這個(gè)名稱是因?yàn)椋撐⑿蜋C(jī)器人是由人類肺上皮細(xì)胞創(chuàng)造的新型、多細(xì)胞、完全生物、自我構(gòu)建、可移動(dòng)的生命結(jié)構(gòu)，它起源于人類，并具有作為生物機(jī)器人平臺(tái)的潛力。從這個(gè)解釋可以區(qū)分機(jī)器人、人形機(jī)器人、異種機(jī)器人，Anthrobots就是用人類細(xì)胞生成的非人形微型生物機(jī)器人。
研究人員是在實(shí)驗(yàn)室的器皿中培養(yǎng)微型機(jī)器人的。他們從人體氣管表面提取支氣管上皮細(xì)胞，其中含有支氣管上皮祖細(xì)胞。祖細(xì)胞是存在于成體組織中具有較為明確分化目標(biāo)的干細(xì)胞（成體干細(xì)胞），是細(xì)胞在徹底分化前能轉(zhuǎn)化成某種細(xì)胞的中間細(xì)胞，也稱前體細(xì)胞，有一定的分化功能，但比胚胎干細(xì)胞的分化功能低。
研究人員利用支氣管上皮祖細(xì)胞現(xiàn)有的分化能力，合成帶有纖毛的多細(xì)胞球體，纖毛是一種微小的毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)，可以振動(dòng)移動(dòng)。而且，研究人員培養(yǎng)出的是纖毛結(jié)構(gòu)位于球體外部的人類機(jī)器人。這些機(jī)器人完全長(zhǎng)成后的體積是從30微米到500微米不等（類似人類頭發(fā)到削尖的鉛筆尖端的厚度），它們有的呈球形并完全被纖毛覆蓋，有的則呈不規(guī)則形狀或足球狀，纖毛覆蓋不均勻。
纖毛的分布決定了人類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，它們既可以做直線運(yùn)動(dòng)，也可以做曲線運(yùn)動(dòng)和環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，或擺動(dòng)。人類機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室條件下可存活45至60天，然后自然降解。
最重要的是，人類機(jī)器人具有治療功能。研究人員對(duì)生成的人類機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)，讓其修復(fù)用金屬棒刮擦過的一塊受傷的神經(jīng)組織。把人類機(jī)器人放置于一個(gè)狹小的空間內(nèi)，它們會(huì)自然形成一個(gè)集群，然后把它們放在距離受損神經(jīng)組織不遠(yuǎn)的地方。人類機(jī)器人可移動(dòng)到受損的神經(jīng)組織之處，引發(fā)大量的組織再生，修復(fù)了受損的神經(jīng)元。
與之對(duì)照的是，在沒有人類機(jī)器人的受傷神經(jīng)組織中，神經(jīng)元不會(huì)生長(zhǎng)。這表明，至少在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿的二維世界中，人類機(jī)器人促進(jìn)了活體神經(jīng)組織的有效愈合。不過，研究人員目前尚無法解釋為何人類機(jī)器人能修復(fù)受損的神經(jīng)組織。一個(gè)可能的推測(cè)是，人類機(jī)器人是由支氣管干細(xì)胞培養(yǎng)的，因而有一定的修復(fù)組織的能力。
現(xiàn)在看來，人類機(jī)器人具有幾方面的優(yōu)勢(shì)。一是，培養(yǎng)人類機(jī)器人這種微型機(jī)器人幾乎沒有什么倫理限制，因?yàn)椴粨p害DNA和基因，而且沒有像胚胎干細(xì)胞那樣的限制，可以從成人的氣管和支氣管提取進(jìn)行培養(yǎng)。其次，人類機(jī)器人易于培養(yǎng)，不需要研究人員用鑷子或手術(shù)刀來塑造形狀，只要用成人的細(xì)胞在器皿中就可以培養(yǎng)。此外，培養(yǎng)形成的人類機(jī)器人能運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自自身的纖毛的推進(jìn)，因此可以做定向運(yùn)動(dòng)，向靶目標(biāo)靠近。更重要的是，由于人類機(jī)器人有修復(fù)功能，在靠近靶目標(biāo)，如受損的器官后，可對(duì)其精準(zhǔn)修復(fù)。
而且，人類機(jī)器人的安全性較高，它只能在非常特定的實(shí)驗(yàn)室條件下生存，不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室外暴露或意外傳播，它們也不會(huì)繁殖，更不會(huì)對(duì)人的基因進(jìn)行編輯、添加或刪除而造成意外傷害，不像基因剪刀CRISPR/Cas9那樣有脫靶的危險(xiǎn)。
有了這些特點(diǎn)，就可以利用人類機(jī)器人診治疾病，如修復(fù)受損的組織，尤其是修復(fù)受傷的脊髓或視網(wǎng)膜神經(jīng)損傷。對(duì)于阿爾茨海默�。ɡ夏晷园V呆）可能會(huì)發(fā)展為一種有效的治療技術(shù)。阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)理有多種假說，如遺傳說、β-淀粉樣蛋白斑塊說、tau蛋白說、神經(jīng)炎癥說等，但無論是哪種假說，都存在一種現(xiàn)象，患者大腦特定區(qū)域中有大量神經(jīng)元被破壞，腦細(xì)胞萎縮死亡。如果利用患者的氣管、支氣管細(xì)胞培養(yǎng)人類機(jī)器人，并輸入到患者大腦特定部位，就有可能修復(fù)受損的神經(jīng)元，緩解癥狀，或治愈阿爾茨海默病患者。
不僅可以治療阿爾茨海默病，人類機(jī)器人還可以幫助其他組織，如肌肉、血管的修復(fù)和愈合，同時(shí)還可借用其可以運(yùn)動(dòng)的功能輸送藥物到目標(biāo)組織，以及識(shí)別細(xì)菌或癌細(xì)胞。由于它們通常在 45-60天后自然生物降解，因此不會(huì)造成目標(biāo)組織或器官的增生。
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責(zé)編 朱力遠(yuǎn)
