從“智能細胞”到微型生物機器人

李偉

“智能細胞”能夠在實驗室中生長

最新的生物學研究表明，利用人體細胞，可以創造出微型生物機器人，且無須使用任何基因改造技術。對無數的患者來說，這意味著從他們自身衍生出的微型生物機器人，可以幫助他們愈合創傷、治療疾病、恢復健康——這可以說是醫療工具研發史上一個嶄新的起點。

美國塔夫茨大學和哈佛大學的研究人員，利用人類氣管的細胞開發出一種微型生物機器人。這種細胞可以在神經元的表面移動，還能使實驗室培養皿中的受損神經元恢復生長。由這種細胞生成的微型生物機器人，尺寸小到人類發絲的寬度，大到鉛筆尖的寬度。它們可自行組合（也可稱之為“生長”），并發揮對受損細胞的治療作用。

實驗中的每個微型生物機器人，都是從成年捐獻者身上的細胞發展而成的。這些細胞來自氣管表面，上面覆蓋著一層被稱為纖毛的毛發狀突起，它們能來回擺動，幫助氣管細胞清除微小的顆粒，不讓這些顆粒進入肺部的空氣通道。

有研究表明，當某些細胞在實驗室中生長時，會自發生成微小的多細胞球體。在這項新的研究中，研究人員在凝膠中對人類氣管細胞進行了為期兩周的培育，然后將多細胞球體轉移到黏性較小的溶液中培育一周。這一操作可以讓細胞上的纖毛移動到球體的外部，而不是內部。如此一來，纖毛就可以像槳一樣，驅動著細胞移動。

研究人員注意到，通過這一過程生成的微型生物機器人，直徑從30微米到500微米不等，填補了納米技術設備和工程設備之間的一段空白。

含有幾百個細胞的微型生物機器人，在形狀和運動上可以分為不同的類型。從形狀角度分類，有的微型生物機器人呈圓球形，完全被纖毛覆蓋；有的呈不規則的球形，如橄欖形，被纖毛不均勻覆蓋；還有的只有一側被纖毛覆蓋。從運動角度分類，它們有的能沿著直線行進，有的能繞小圓圈移動，有的則將這些運動方式結合，還有的只是“呆坐”或搖擺。被纖毛完全覆蓋的球形微型生物機器人傾向于擺動；被纖毛不均勻覆蓋的微型生物機器人，傾向于在直線或彎曲的路徑上向前移動。它們通常能在實驗室條件下存活45—60天，然后自然降解。

研究人員表示，這些在實驗室中構建的細胞，可以延伸出超越其在人體內的功能。在不修改DNA（脫氧核糖核酸）的情況下，病人的氣管細胞可以自行移動，并促進受損區域的神經元生長。

這種情形令研究人員非常驚訝。人們通常認為，若要微型生物機器人促進神經元細胞的生長，就需要對細胞進行基因改造。而如今，未經改造的微型生物機器人引發了大量的細胞再生，在傷口處創造了一層與其他健康細胞一樣的神經元細胞。在沒有微型生物機器人發生作用的傷口上，則沒有出現神經元生長。這說明，具有治療作用的微型生物機器人，有效促進了活體神經組織的愈合。

為了測試微型生物機器人治療創傷和疾病的潛力，研究人員把幾個微型生物機器人放在一個小培養皿里。這些微型生物機器人融合在一起，形成了一個超級機器人。研究人員把它放在人類神經元組織層上，用一根細金屬棒刮擦這層組織，制造出一個開放的傷口。在超級機器人的作用下，傷口在三天內就愈合了。

研究人員解釋說，有些人體細胞具有與生俱來的能力，能以某些基本方式自行組合成更大、更有效的結構。這些細胞可形成片層、折疊狀和球體，可以分離或融合在一起，甚至定向移動——它們可以被稱為“智能細胞”。

“智能細胞”與一般的細胞有兩個重要區別：一是可以相互“交流”，并動態地創建新結構；二是每個“智能細胞”都具有多項功能，例如運動、分泌分子、檢測信號等等。

“智能細胞”并非一項“發明”，因為它們一直存在于人體內。而且，也不能說“發現”了“智能細胞”，人們只是弄清楚了如何利用它實現新的功能。

相比之下，生物機器人可以稱之為一項發明。在過去的10年間，科學家對于生物結構的興趣激增，生物機器人的概念就是在這一背景下問世的，它是由功能性生物組合而成的可移動結構。早期的生物機器人是細胞和支撐它們的惰性化學物質的混合體。

2021年，生物學家邁克爾·列文與其合作者，用一種新的方法通過模塑青蛙胚胎細胞，制造出了多細胞生物機器人——Xenobot（異種機器人）。這是第一種具有完全生物性的機器人，可以在沒有外部起搏器的情況下自行移動。

異種機器人在醫療方面的應用比較有限，因為它不是人體細胞，而且必須經過人工模塑將其改變成所需的形狀。那時科學家尚不清楚，異種機器人的能力是否依賴于它來自兩棲動物的胚胎這一條件，也不知道利用哺乳動物的細胞是否也可以構建生物機器人。如今的最新研究成果回答了上述問題：利用人體細胞可以開發出微型生物機器人，而且它在人類醫療領域能夠發揮巨大的作用。

研究人員認為，通過調整“智能細胞”之間的相互作用，可以創建新的多細胞結構，類似于石頭和磚塊可排列成不同的結構，如墻壁、拱門或柱子。“智能細胞”不僅能生成多細胞結構，而且能激發細胞生長，以填補因劃傷而造成的間隙。

微型生物機器人的主要研究方向，是拓展其在人類醫療方面的應用，包括清除粥樣硬化動脈中的斑塊，修復脊髓或視網膜神經損傷，識別病菌及癌細胞，將藥物輸送到目標組織，等等。從理論上說，微型生物機器人不但可以幫助人體組織愈合，還能向受損的部位提供促進再生的藥物。

與異種機器人相比，利用人體“智能細胞”開發出的微型生物機器人的優點非常明顯：將這種微型生物機器人用于醫療，不會引發人體的免疫反應。而且它們幾周后就會分解，所以在發揮功能之后可以很容易地被人體吸收。

在人體之外，微型生物機器人只能在特定的實驗室條件下生存，因此沒有暴露或意外傳播到實驗室外的風險。它們不會繁殖，也沒有經歷過基因編輯、添加或者刪除，因此不會產生超越現有安全范圍的風險。

編輯：姚志剛? ? winter-yao@163.com

微型生物機器人修復人體組織想象圖