Pesquisadores da Universidade de Harvard e da Universidade Tufts, nos Estados Unidos, criaram pequenos robôs biológicos a partir de células traqueais humanas.
Os robôs foram chamados de Anthrobots (ou antrorrobôs). Eles podem se mover através de uma superfície e estimulam o crescimento de neurônios em uma região danificada em um experimento realizado em laboratório.
Os robôs multicelulares, cujos tamanhos variam desde a largura de um fio de cabelo humano até a ponta de um lápis afiado, foram feitos para se automontarem e demonstraram ter um efeito curativo significativo em outras células.
A descoberta é um ponto de partida para a perspectiva dos pesquisadores de utilizar os biorrobôs derivados de pacientes como novas ferramentas terapêuticas para regeneração, cura e tratamento de doenças.
O trabalho dá prosseguimento a pesquisas anteriores nos laboratórios da Escola de Artes e Ciências da Universidade Tufts, e da Universidade de Vermont, nos quais os cientistas criaram robôs biológicos multicelulares a partir de células embrionárias de sapo chamadas xenobots, capazes de navegar por passagens, coletar material, registrar informações, curar-se de lesões e até mesmo replicar por alguns ciclos por conta própria.
Naquela altura, os investigadores não sabiam se essas capacidades dependiam de serem derivadas de um embrião de anfíbio, ou se os biorrobôs poderiam ser construídos a partir de células de outras espécies.
Mas no estudo atual, publicado na revista Advanced Science, o professor Michael Levin, juntamente com o estudante de doutorado Gizem Gumuskaya, descobriram que os robôs podem de fato ser criados a partir de células humanas adultas sem qualquer modificação genética, e estão demonstrando algumas capacidades além do que foi observado com os xenobots.
Como trabalhar com células humanas?
A descoberta começa a responder a uma questão mais ampla colocada pelo laboratório: quais são as regras que regem a forma como as células se reúnem e trabalham juntas no corpo, e se as células podem ser retiradas do seu contexto natural e recombinadas em diferentes “planos corporais” para executar outras funções por design?
Neste caso, os investigadores deram às células humanas, após décadas de vida tranquila na traqueia, uma oportunidade de reiniciar e encontrar formas de criar novas estruturas e tarefas.
“Queríamos investigar o que as células podem fazer além de criar características padrão no corpo”, disse Gumuskaya, que se formou em arquitetura antes de ingressar na biologia.
“Ao reprogramar as interações entre as células, novas estruturas multicelulares podem ser criadas, análogas à forma como a pedra e o tijolo podem ser organizados em diferentes elementos estruturais, como paredes, arcos ou colunas.”
Os pesquisadores descobriram que as células não apenas poderiam criar novas formas multicelulares, mas também poderiam se mover de diferentes maneiras sobre uma superfície de neurônios humanos cultivados em uma placa de laboratório e estimular um novo crescimento para preencher as lacunas causadas pelo arranhão da camada de células.
Exatamente como os antrorrobôs estimulam o crescimento de neurônios ainda não está claro, mas os pesquisadores confirmaram que os neurônios cresceram sob a área coberta por um conjunto agrupado de antrorrobôs, que eles chamaram de “superbot”.
“Os conjuntos celulares que construímos no laboratório podem ter capacidades que vão além do que fazem no corpo”, disse Levin, que também atua como diretor do Allen Discovery Center em Tufts e é membro associado do corpo docente do Wyss Institute.
“É fascinante e completamente inesperado que células traqueais normais de pacientes, sem modificar seu DNA, possam se mover por conta própria e estimular o crescimento de neurônios em uma região danificada”, disse Levin. “Agora estamos analisando como funciona o mecanismo de cura e perguntando o que mais essas construções podem fazer.”
Vantagens das células humanas
As vantagens do uso de células humanas incluem a capacidade de construir robôs a partir das células do próprio paciente para realizar trabalho terapêutico sem o risco de desencadear uma resposta imunológica ou necessitar de imunossupressores.
Eles duram apenas algumas semanas antes de se decomporem e, portanto, podem ser facilmente reabsorvidos pelo corpo após a conclusão do trabalho.
Além disso, fora do corpo, os antrorrobôs só podem sobreviver em condições laboratoriais muito específicas e não há risco de exposição ou propagação não intencional fora do laboratório. Da mesma forma, não se reproduzem e não possuem edições, acréscimos ou exclusões genéticas, portanto não há risco de que evoluam além das salvaguardas existentes.
Como são feitos os antrorrobôs?
Cada antrorrobôs começa como uma única célula, derivada de um doador adulto. As células vêm da superfície da traqueia e são cobertas por projeções semelhantes a cabelos, chamadas cílios, que ondulam para frente e para trás.
Os cílios ajudam as células traqueais a expulsar pequenas partículas que chegam às passagens de ar do pulmão. Todos nós experimentamos o trabalho das células ciliadas quando damos o passo final de expelir as partículas e o excesso de líquido tossindo ou pigarreando.
Estudos anteriores realizados por outros pesquisadores mostraram que, quando as células são cultivadas em laboratório, elas formam espontaneamente minúsculas esferas multicelulares chamadas organoides.
Os pesquisadores desenvolveram condições de crescimento que encorajaram os cílios a ficarem voltados para fora nos organoides. Em poucos dias eles começaram a se movimentar, impulsionados pelos cílios que agiam como remos.
Eles notaram diferentes formas e tipos de movimento, em um primeiro momento, uma importante característica observada da plataforma biorobótica.
Levin avalia que se outros recursos pudessem ser adicionados aos antrorobôs, eles poderiam ser projetados para responder ao seu ambiente e viajar e desempenhar funções no corpo, ou ajudar a construir tecidos projetados no laboratório.
A equipe, com a ajuda de Simon Garnier, do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey, caracterizou os diferentes tipos de antrorobôs produzidos.
Eles observaram que os bots se enquadravam em algumas categorias distintas de forma e movimento, variando em tamanho de 30 a 500 micrômetros (da espessura de um fio de cabelo humano até a ponta de um lápis apontado), preenchendo um nicho importante entre a nanotecnologia e dispositivos de engenharia maiores.
Alguns eram esféricos e totalmente cobertos por cílios, e alguns eram irregulares ou em forma de bola de futebol, com cobertura mais irregular de cílios, ou apenas cobertos por cílios de um lado.
Eles viajavam em linha reta, moviam-se em círculos apertados, combinavam esses movimentos ou simplesmente sentavam-se e se mexiam. Os esféricos totalmente cobertos por cílios tendiam a ser mexidos.
Os antrorrobôs com cílios distribuídos de forma desigual tendiam a avançar por trechos mais longos em trajetórias retas ou curvas. Eles geralmente sobreviviam cerca de 45 a 60 dias em condições de laboratório antes de se biodegradarem naturalmente.
“Os antrorrobôs se automontam na placa de laboratório”, disse Gumuskaya. “Ao contrário dos xenobots, eles não necessitam de pinças ou bisturis para lhes dar forma, e podemos usar células adultas – até mesmo células de pacientes idosos – em vez de células embrionárias. É totalmente escalável – podemos produzir enxames desses bots em paralelo, o que é um bom começo para desenvolver uma ferramenta terapêutica.”
Robôs curandeiros
Como Levin e Gumuskaya planejam fabricar Antrorobôs com aplicações terapêuticas, eles criaram um teste de laboratório para ver como os bots podem curar feridas. O modelo envolveu o crescimento de uma camada bidimensional de neurônios humanos e, simplesmente arranhando a camada com uma fina haste de metal, eles criaram uma “ferida” aberta, desprovida de células.
Para garantir que a lacuna fosse exposta a uma densa concentração de antrorrobôs, eles criaram os “superbots” (ou superobôs), um aglomerado que se forma naturalmente quando os antrorrobôs estão confinados a um espaço pequeno.
Os superbots eram compostos principalmente de círculos e wigglers, para que não se afastassem muito da ferida aberta.
Embora se pudesse esperar que fossem necessárias modificações genéticas nas células dos antrorrobôs para ajudar os bots a estimular o crescimento neural, surpreendentemente os robôs não modificados desencadearam um novo crescimento substancial, criando uma ponte de neurônios tão espessa quanto o resto das células saudáveis na placa.
Os neurônios não cresceram na ferida onde os antrorrobôs estavam ausentes. Pelo menos no mundo 2D simplificado da placa de laboratório, as montagens encorajaram a cura eficiente do tecido neural vivo.
De acordo com os cientistas, o desenvolvimento adicional dos bots pode levar a outras aplicações, incluindo a eliminação de placas acumuladas nas artérias de pacientes com aterosclerose, a reparação de danos na medula espinal ou nos nervos da retina, o reconhecimento de bactérias ou células cancerígenas ou a administração de medicamentos aos tecidos-alvo.
Os antrorrobos poderiam, em teoria, ajudar na cura de tecidos, ao mesmo tempo que estabelecem drogas pró-regenerativas.
Usos diferentes para a nova tecnologia
Gumuskaya explicou que as células têm a capacidade inata de se automontarem em estruturas maiores de certas maneiras fundamentais.
“As células podem formar camadas, dobrar-se, formar esferas, classificar-se e separar-se por tipo, fundir-se ou até mesmo mover-se”, disse Gumuskaya.
“Duas diferenças importantes dos tijolos inanimados são que as células podem se comunicar entre si e criar essas estruturas dinamicamente, e cada célula é programada com muitas funções, como movimento, secreção de moléculas, detecção de sinais e muito mais. Estamos apenas descobrindo como combinar esses elementos para criar novos planos e funções do corpo biológico – diferentes daqueles encontrados na natureza.”
Aproveitar as regras inerentemente flexíveis da montagem celular ajuda os cientistas a construir os bots, mas também pode ajudá-los a compreender como os planos naturais do corpo se montam, como o genoma e o ambiente trabalham juntos para criar tecidos, órgãos e membros, e como restaurar com tratamentos regenerativos.
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