Микророботы из человеческих клеток запустили регенерацию нервной ткани в пробирке

Американские исследователи создали сфероидных подвижных микророботов из немодифицированных живых человеческих клеток. В эксперименте in vitro с их помощью удалось запустить быстрое заживление нервной ткани. Работа доступна в качестве препринта на ресурсе bioRxiv.

Идея использовать живые клетки для создания биороботов весьма привлекательна, поскольку такие структурные компоненты обладают готовым набором органелл, сигнальных путей и рецепторов, которые позволяют реагировать на биохимические, биомеханические и биоэлектрические стимулы, а также генерировать их и обмениваться ими. Зачастую при создании подобных конструкций клетки сочетают с неживыми компонентами, например, полимерными подложками, проволочными и пластиковыми каркасами.

Сотрудники лаборатории Майкла Левина (Michael Levin) из Университета Тафтса решили избрать путь синтетической биологии — кооперируясь с коллегами из других научных центров США, они уже несколько лет создают органоидных биоботов. В 2020 исследователи представили эволюционный алгоритм для разработки подобных конструкций и создали с его помощью миллиметровых биороботов из эмбриональных клеток гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), названных ксеноботами. За год их усовершенствовали и научили передвигаться по площадке, поворачивать в лабиринтах, запоминать опыт встречи с синим светом и расчищать площадку от мусора, сгребая его в кучи, а также успешно восстанавливаться от травм.

Сейчас та же научная группа при участии Саймона Гарниэра (Simon Garnier) из Технологического института Нью-Джерси перешла к экспериментам на человеческих тканях. В качестве исходного материала исследователи использовали мерцательный эпителий трахеи, полученный из образцов мокроты пациентов. Причиной подобного выбора стало то, что его клетки обладают подвижными ресничками (в организме они служат для очистки легких, продвигая бронхиальный секрет наружу).

Выделенные прогениторные эпителиальные клетки культивировали в гелевом внеклеточном матриксе с факторами дифференцировки. Через 14 дней из каждой клетки образовались моноклональные многоклеточные сфероидные органоиды с ресничками клеток, обращенными внутрь, как в дыхательных путях. Их извлекли из матрикса и поместили в жидкую низкоадгезивную питательную среду. Воспринимая ее как трахеобронхиальный секрет, клетки в течение семи дней развернулись ресничками наружу (произошла апико-базальная транслокация), образовав сфероидные органоиды размером от 30 до 500 микрометров, многие из которых были подвижными. Время их жизни составило от 45 до 60 дней. Авторы назвали их антроботами (от древнегреческого ἄνθρωπος — «человек»).

Примерно 200 случайно выбранных подвижных органоидов в течение пяти часов снимали таймлапсом группами по четыре-пять штук, фиксируя координаты перемещений. Запись разбили на 30-секундные интервалы для большей детализации и запустили алгоритм кластеризации без учителя по индексам прямоты и закругления движения. Он выявил среди антроботов четыре обособленных кластера по типу движения: прямолинейное, криволинейное, круговое и эклектичное.

После этого иммуноцитохимическим методом определили форму около 350 органоидов и подвергли ее облачному PCA-анализу по восьми параметрам: пропорции, максимальный радиус, гладкость формы, гомогенность и полярность распределения ресничек, доля покрытой ими поверхности и количество точечных ресничек, движущихся независимо от кластера («точки шума»). По результатам среди антроботов выявились три морфотипа: к первому отнесли наиболее мелких, гладко сферических, густо и равномерно покрытых ресничками; ко второму — самых крупных и бесформенных с менее густым и равномерным распределением ресничек; к третьему — промежуточных по форме с наиболее поляризованным реснитчатым покровом.

Затем к PCA-облаку добавили параметры паттернов движений, чтобы выявить их взаимосвязь с морфологическими характеристиками. 62 процента неподвижных (включая колеблющихся на одном месте) органоидов полностью представили первый морфотип, остальные 38 процентов попали во второй. Соответственно, все подвижные были обнаружены среди второго и третьего морфотипов, причем около 85 процентов антроботов с прямолинейным движением выявлены во втором, а 88 процентов с циркулярным — в третьем. Так была показана четкая корреляция между морфологией и типом движений.

Чтобы оценить способности антроботов к перемещению в живой ткани исследователи вырастили из человеческих индуцированных нейральных стволовых клеток образец ткани, состоящей из прилегающих двумерных слоев нейронов. В ней прорезали «микротравму» и поместили органоиды на расстоянии нескольких их диаметров от нее. Произвольно передвигаясь, антроботы через некоторое время «обследовали» повреждение, причем наибольшего успеха достигли те, которые двигались умеренно криволинейно со скоростью не менее 10 микрометров в секунду.

После этого наиболее подходящие органоиды поместили в достаточно тесное пространство, чтобы добиться их самоаггрегации в более крупные кластеры — «суперботы». Их поместили по разные края поврежденного участка выращенной нервной ткани так, чтобы они сформировали мостик между ними. Через 72 часа без дополнительных воздействий под этим мостиком наблюдалось существенное разрастание исходной ткани, «сшивающее» края повреждения. В других местах рана оставалась интактной. Количественный анализ показал, что нейронная плотность «сшивки» неотличима от остальной ткани.

Таким образом, генетически немодифицированные, иммунно нейтральные, несамовоспроизводящиеся и биоразлагаемые в течение ограниченного времени органоиды запустили регенерацию нервной ткани после повреждения. По мнению авторов работы, перспективные области их применения включают доставку регенеративных молекул в место повреждений, прицельное уничтожение злокачественных клеток в кишечнике, создание биоинженерных тканей для трансплантации и персонализированные испытания лекарств.

Ранее китайским исследователям удалось модифицировать живые тромбоциты так, что они прицельно доставили одновременно фототермальные наночастицы и иммунопрепарат в злокачественную опухоль для проведения комбинированной терапии.