_ Cu roboți vii, oamenii de știință deblochează puterea celulelor de a vindeca

Lângă intrarea în laboratorul lui Michael Levin din Tufts, patru coarne de cerb sunt montate pe cutii de lemn. Ele reprezintă o faptă incredibilă de regenerare la mamifere: căprioarele își aruncă coarnele anual și refac oasele, vasele de sânge, nervii și pielea cu o rată de jumătate de inch pe zi.

Capacitățile de regenerare ale omului sunt mult mai mari. limitat. În timp ce putem crește țesut cicatricial pentru a vindeca rănile, împletește osul fracturat la loc și chiar reface porțiuni ale unor organe, această regenerare nu este la fel de rapidă sau complexă ca cea a coarnelor de cerb - și cu siguranță nu putem reface un picior pierdut. cum pot unii amfibieni. Cel puțin, nu încă.

Levin, A92, profesor de biologie Vannevar Bush la Școala de Arte și Științe, este convins că celulele noastre au capacități regenerative neexploatate, dacă am putea învăța să le vorbim limba. Laboratorul său lucrează pentru a debloca întregul potențial al celulelor noastre, oferind noi modalități de a lupta împotriva cancerului, de a inversa bolile degenerative, de a repara anomaliile congenitale și poate într-o zi chiar de a reface membrele.

Spre deosebire de alte abordări ale medicinei regenerative, care poate implica editarea genelor sau terapia cu celule stem, scopul lui Levin este de a profita de ceea ce știe deja organismul. Pașii implicați în crearea unui ochi sau a unui membru sunt prea complexi pentru a fi microgestionați, a spus el. Dar poate — cu setul potrivit de semnale — putem oferi corpului un nou obiectiv și lăsăm grupuri inteligente de celule să gestioneze detaliile despre cum să-l atingem.

„Nu vrem să încercăm să spunem. fiecare celulă și fiecare genă ce să facă”, a spus Levin. „Nu căutăm să învățăm celulele cum să crească un picior; căutăm să le convingem că asta ar trebui să facă.”

Când Levin vorbește despre inteligența celulelor, el nu o face. menționați creierul. El citează o definiție din William James, un psiholog și filozof american la sfârșitul secolului al XIX-lea, care a descris inteligența ca fiind capacitatea de a atinge același scop în mai multe moduri.

După această definiție, un sistem este inteligent dacă poate avea și atinge obiective, chiar și atunci când se confruntă cu obstacole neașteptate. Sistemul ar putea fi o creatură, o mașină, un organ sau o singură celulă; dacă poate rezolva probleme, are un fel de inteligență.

Celulele individuale pot rezolva probleme simple și au obiective simple — supraviețuirea și reproducerea. Dar odată ce celulele încep să lucreze împreună, ele creează o inteligență colectivă capabilă să-și amintească și să atingă obiective mai mari, cum ar fi formarea sistemelor și organelor care alcătuiesc un corp.

Această inteligență colectivă este pe care Levin spera să o înțeleagă. și ham. Chiar dacă noile descoperiri din laborator creează oportunități de dezvoltare în biomedicină sau în alte domenii, ele oferă informații tentante despre modul în care celulele vorbesc între ele și de ce sunt capabile. Este un puzzle pe care Levin l-a pus cap la cap în cea mai mare parte a carierei sale și unul despre care se așteaptă că va dura cel puțin încă un deceniu pentru a fi finalizat.

„Munca noastră nu este rezolvată”, a spus Levin. „Știm că celulele vorbesc între ele, dar nu știm încă ce spun. Încă trebuie să descifram acel cod.”

Celulele dintr-un embrion în curs de dezvoltare trebuie să fie în comunicare constantă. , lucrând împreună pentru a determina ce să construim și unde să îl construim. Ei stochează și trimit aceste planuri comune în semnale electrice, indicând părțile din stânga și din dreapta, ce țesut ar trebui să devină organe sau când să înceteze construirea degetelor de la picioare.

Cu instrumentele corecte, Levin și colegii săi au reușit să facă Priviți aceste semnale, urmărind mormolocii dezvoltă o „față electrică” – modele de activitate care arată locațiile viitoare ale ochilor, nasului și gurii – cu mult înainte ca celulele să înceapă să formeze acele structuri.

„Bioelectricitatea permite unui grup de celule să se conecteze la o rețea care poate calcula și stoca amintiri ale unor obiective mult mai mari”, a spus Levin. „Celulele tale individuale habar n-au ce este un deget sau câte degete ar trebui să ai, dar un colectiv de celule o face absolut.”

Celulele creează și împărtășesc semnale bioelectrice prin porțile din membrana celulară numite canale ionice. . Canalele ionice permit anumitor molecule încărcate să treacă prin membrană, creând diferite sarcini în interiorul și în exteriorul celulei, asemănătoare părților pozitive și negative ale bateriei. Mișcarea ionilor prin membrană creează curenți electrici minuscule.

Levin descrie bioelectricitatea drept „adezivul cognitiv care ne menține celulele împreună”. În creier, unde grupurile de neuroni amestecă rapid ionii pentru a crea semnale puternice și rapide, bioelectricitatea controlează modul în care procesăm informațiile și ne mișcăm prin spațiu. În alte părți ale corpului nostru, unde semnalele sunt mai mici, mai lente și adesea trecute cu vederea, deține un fel de memorie colectivă care le spune celulelor cum să creeze structurile fizice de care corpul nostru are nevoie și cum să răspundă atunci când acele structuri sunt deteriorate.

Învățând să descifreze și să manipuleze aceste semnale bioelectrice mai subtile, Levin speră să găsească noi modalități de a ne ajuta corpul să se vindece singur.

Laboratorul a făcut o varietate de descoperiri promițătoare care dezvăluie o parte din bioelectricitatea. potențial terapeutic.

Într-un experiment, cercetătorii au reușit să utilizeze un model computațional pentru a prezice tiparele normale de tensiune pentru un embrion de broască în curs de dezvoltare și pentru a determina modul în care aceste modele au fost perturbate de expunerea la nicotină, care provoacă anormale dezvoltarea creierului. Cercetătorii au descoperit un tratament care ar restabili tiparele normale de tensiune. Drept urmare, embrionii de broaște au reușit să se repare și să se recupereze după defecte induse de nicotină.

Echipa lui Levin a explorat, de asemenea, o abordare bioelectrică a tratamentelor pentru cancer. Privite prin prisma bioelectricității, celulele canceroase sunt cele care s-au deconectat de la rețeaua de comunicații celulare și acționează ca indivizi. Levin și colegii săi au arătat că blocarea unor canale ionice și restabilirea tiparelor bioelectrice normale pot reconecta celulele canceroase la rețeaua mai mare și pot controla celulele necinstite. În ciuda mutațiilor canceroase, celulele se comportă normal.

„Ei fac ceea ce trebuie, deoarece își împărtășesc toate amintirile cu alte celule prin aceste sinapse electrice, iar obiectivele lor sunt acum obiective la nivel de organ”, Levin. a spus. „Nu mai doresc doar să facă copii ale lor.”

Cercetătorii au stabilit, de asemenea, că ar putea identifica stadiile incipiente ale formării cancerului la mormoloci prin urmărirea variațiilor neobișnuite ale modelelor electrice ale celulelor individuale. Descoperirea ar putea stimula dezvoltarea de noi instrumente de diagnostic bioelectric.

Echipa a făcut chiar progrese în direcția regenerării părților întregului corp. Levin și David Kaplan, Stern Family Endowed Professor of Engineering, au creat un dispozitiv cu un cocktail de medicamente menit să modifice comportamentul canalelor ionice celulare și să încurajeze creșterea. Dispozitivul a permis unei broaște adulte – care de obicei nu poate regenera membrele – să recrească un picior funcțional.

În mod impresionant, dispozitivul trebuia aplicat doar 24 de ore pentru a porni procesul de regenerare. Cei doi cercetători au creat o companie numită Morphoceuticals pentru a dezvolta această lucrare pentru aplicații clinice, începând cu studierea utilizării acesteia la mamifere.

„Nu folosim nicio stimulare externă; folosim aceeași interfață ca și celulele. și țesuturile se folosesc pentru a sparge unele pe altele în corp”, a spus Levin. „Prin reglarea acestor canale ionice, putem cânta acea interfață ca la pian și putem face ca acesta să aibă diferite tipuri de calcule electrice.”

Provocarea constă în a determina ce melodie trebuie să cânte cercetătorii pentru a obține comportamentele. ei caută.

La mormoloci, Levin și colegii săi pot convinge grupuri de celule să creeze ochi, inimi și membre funcționale. În planaria - viermi plati mici, maro, cu o capacitate remarcabilă de regenerare - echipa lui Levin poate încuraja creșterea mai multor capete și chiar poate determina ca o specie să dezvolte capul unei specii separate, strâns înrudite, dezvăluind tipurile de informații pe care diferitele semnale le pot transmite.

În alte organisme, cercetătorii examinează modelele de tensiune asociate cu îmbătrânirea și încearcă să inverseze aceste efecte. Dar echipa nu are încă o înțelegere coerentă a modului de interpretare a semnalelor specifice pe care celulele le trimit și a modului de a convinge celulele să, de exemplu, să repare organele deteriorate sau să protejeze o boală degenerativă.

" În acest moment, luăm toate aceste fenomene independente care sunt legate prin același proces și încercăm să dezvoltăm o înțelegere mai profundă a biologiei acestuia”, a spus Patrick McMillen, un om de știință care a lucrat în laboratorul lui Levin în ultimele șapte. ani. Fiecare experiment dezvăluie mai multe despre rolul anterior trecut cu vederea al bioelectricității și îi apropie pe cercetători de a putea debloca același potențial în celulele umane.

Timp de mulți ani, cercetătorii care studiază comunicarea bioelectrică în corpul uman s-au concentrat asupra noastră. creier. Comunicarea neuronală este rapidă și puternică: neuronii pot declanșa semnale de 80 de milivolti în câteva milisecunde.

În schimb, semnalele bioelectrice din restul corpului sunt mai aproape de 3 milivolti și pot dura câteva minute sau ore pentru a se dezvolta . Tehnicile consacrate pentru realizarea de imagini ale bioelectricității în neuroni nu pot detecta în mod eficient bioelectricitatea în alte celule. Așadar, importanța comunicării bioelectrice în afara creierului a fost în mare măsură trecută cu vederea până de curând.

„Lucrurile pe care le căutăm sunt foarte, foarte subtile și foarte, foarte lente”, a spus Patrick McMillen, un om de știință în Laboratorul Levin. „Lucrăm de mult timp pentru a găsi instrumente care ne permit să vedem acest tip de semnale.”

Cercetătorii folosesc o tehnică numită microscopie imagistică fluorescentă de viață, colorând celulele cu un colorant fluorescent care strălucește. o serie de culori diferite ca reacție la prezența diferitelor molecule care afectează starea bioelectrică a celulelor. Imaginile curcubeului rezultate permit cercetătorilor să detecteze și să măsoare modificări fiziologice subtile, care indică modificări ale bioelectricității. McMillen a dezvoltat recent o nouă strategie pentru utilizarea acestor tehnici în embrionii de broaște vii.

„Sunt profund optimist că această abordare ne va permite să citim codul bioelectric în dezvoltarea animalelor și a țesuturilor complexe cu o claritate și precizie fără precedent. ”, a spus McMillen.

Abilitatea de a imagina neuronii în timp ce aceștia ne-a ajutat să înțelegem cum funcționează creierul nostru și cum să tratăm bolile care îl afectează. Cercetătorii speră că capacitatea de a detecta semnalele bioelectrice mai subtile care stau la baza comunicării celulare în restul corpului nostru va deschide ușa către progrese similare revoluționare în biomedicină.

Lucrările lui Levin arată continuu că colectivele de celule sunt capabile de mult mai mult decât le acordăm de obicei credit. Sunt mașini care rezolvă probleme și, atunci când li se oferă instrucțiuni noi, pot îndeplini sarcini cu mult peste ceea ce fac în mod normal în organism.

Cel mai clar exemplu în acest sens sunt bioboții din laborator, „roboți” microscopici fabricați. a celulelor vii care au fost desprinse de semnalele bioelectrice ale unui organism pentru a deveni actori independenți. Au fost „eliberați de constrângerile de a fi parte dintr-un corp și li s-a permis să fie orice ar putea fi”, așa cum a spus Levin, iar această libertate le-a permis să dezvolte abilități incredibile și neașteptate.

Xenoboții laboratorului sunt bloburi lățime de milimetri, făcute din mai multe tipuri diferite de celule luate de la Xenopus laevis, broasca africană cu gheare. Xenoboții trăiesc aproximativ o săptămână și se pot repara singuri atunci când sunt deteriorați. Cercetătorii au folosit o combinație de celule musculare și celule ale pielii cu proiecții asemănătoare părului numite cili, care de obicei mișcă mucusul pe pielea broaștei, pentru a proiecta Xenoboții să se propulseze pe o placă Petri și să lucreze împreună pentru a mătura bucăți de resturi într-o grămadă.

„Am învățat o mulțime de reguli noi despre modul în care celulele se autoasamblează în țesuturi, care nu sunt evidente atunci când ne uităm la un sistem intact”, a spus Doug Blackiston, om de știință în cadrul Allen Discovery Center, care a sculptat manual Xenoboții originali. „Mișcând lucrurile și jucându-vă cu biologia, puteți obține o nouă perspectivă asupra științei de bază.”

Blackiston vede posibilități de utilizare a Xenoboților în mediu. Aglomerările minuscule de celule ar putea transporta senzori pentru a măsura poluanții de mediu, cum ar fi BPA (o substanță chimică folosită în unele materiale plastice) sau compușii de medicamente din apele uzate. Sau ar putea fi folosite pentru a colecta și concentra metale rare pentru o extracție mai ușoară. Ele sunt, de asemenea, o piatră de temelie spre alte descoperiri. În noiembrie, laboratorul a anunțat crearea Anthroboților – ciorchine similare active crescute din celulele traheale umane adulte.

Cercetătorii au folosit celule traheale deoarece au cili, asemănătoare cu cele ale celulelor pielii unei broaște, ceea ce face mai ușor. pentru ca Anthroboții să-și dezvolte capacitatea de mișcare. Și la fel ca Xenoboții, celulele Anthrobot prezintă comportamente neașteptate dincolo de ceea ce ar face dacă ar fi o parte a corpului. Când cercetătorii au adăugat un grup de Anthroboți pe o foaie deteriorată de celule nervoase, de exemplu, Anthroboții s-au parcat în zona afectată, iar nervii de sub ei au început să se vindece.

„Acești roboți se pot deplasa peste tot. un loc deteriorat, stați acolo și ajutați efectiv nervii să se împletească, în esență reparând daunele în decurs de trei zile”, a declarat Gizem Gumuskaya, AG23, care este autorul principal al unei lucrări recente și a condus lucrarea ca parte a ei. teză de doctorat în laboratorul lui Levin. „Am putea să luăm celule de la un pacient, să facem Anthroboți personali și să le folosim pentru a ajuta la vindecarea daunelor neuronale? Aceasta este aplicația spre care lucrăm.”

Deoarece Anthroboții ar fi creați din celulele proprii ale pacientului , ar putea să se deplaseze prin corp fără a fi atacați de sistemul imunitar. Iar vindecarea daunelor neuronale este doar începutul a ceea ce ar putea permite. Levin își imaginează Anthroboții aruncând molecule regenerative, urmărind celulele canceroase, curățând placa de pe artere și cine știe ce altceva.

„Am arătat deja că pot vindeca rănile neuronale și asta este doar punctul de referință. Nici măcar nu am început să le programăm încă”, a spus Levin. „Sunt o platformă uimitoare pentru biomedicină și, de asemenea, o cutie de nisip în care ajungem să înțelegem inteligența colectivă a celulelor.”

(Fluierul)