Minirobots biológicos que ayudan a curar "heridas" creadas en neuronas cultivadas

Investigadores de la Universidad de Tufts y del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, han creado unos diminutos robots biológicos, a los que llaman antrobots, a partir de células traqueales humanas capaces de moverse por una superficie y de estimular el crecimiento de neuronas en una zona dañada en una placa de laboratorio, según publican en la revista ´Advanced Science´.

Los robots multicelulares, cuyo tamaño oscila entre la anchura de un cabello humano y la punta de un lápiz afilado, se autoensamblaron y demostraron tener un notable efecto curativo sobre otras células. El descubrimiento es un punto de partida para la visión de los investigadores de utilizar biobots derivados de pacientes como nuevas herramientas terapéuticas para la regeneración, la curación y el tratamiento de enfermedades.

El trabajo es la continuación de una investigación anterior realizada en los laboratorios de Michael Levin, catedrático Vannevar Bush de Biología de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad Tufts, y Josh Bongard, de la Universidad de Vermont, en la que crearon robots biológicos multicelulares a partir de células de embriones de rana llamados Xenobots, capaces de navegar por pasillos, recoger material, registrar información, curarse de lesiones e incluso replicarse durante unos cuantos ciclos por sí solos.

En aquel momento, los investigadores no sabían si estas capacidades dependían de que derivaran de un embrión de anfibio o si los biobots podían construirse a partir de células de otras especies.

En el estudio actual Levin, junto con el estudiante de doctorado Gizem Gumuskaya , descubrieron que, de hecho, los robots pueden crearse a partir de células humanas adultas sin ninguna modificación genética y que demuestran algunas capacidades más allá de lo observado con los xenobots.

Los investigadores dieron a las células humanas, tras décadas de vida tranquila en la tráquea, la oportunidad de reiniciarse y encontrar formas de crear nuevas estructuras y tareas.

" Queríamos averiguar qué pueden hacer las células además de crear funciones predeterminadas en el cuerpo --explica Gumuskaya, licenciada en arquitectura antes de dedicarse a la biología--. Reprogramando las interacciones entre células se pueden crear nuevas estructuras multicelulares, análogas a la forma en que la piedra y el ladrillo pueden disponerse en distintos elementos estructurales como muros, arcos o columnas ".

Descubrieron que las células no sólo podían crear nuevas formas multicelulares, sino que podían moverse de diferentes maneras sobre una superficie de neuronas humanas cultivadas en una placa de laboratorio y fomentar un nuevo crecimiento para rellenar los huecos causados al rayar la capa de células.

Aún no está claro exactamente cómo los Anthrobots fomentan el crecimiento de las neuronas, pero los investigadores confirmaron que las neuronas crecían bajo la zona cubierta por un conjunto agrupado de Anthrobots, al que llamaron " superbot ".

" Los ensamblajes celulares que construimos en el laboratorio pueden tener capacidades que van más allá de lo que hacen en el cuerpo ", afirma Levin, que también es director del Allen Discovery Center de Tufts y miembro asociado de la facultad del Instituto Wyss.

" Es fascinante y completamente inesperado que las células traqueales normales de un paciente, sin modificar su ADN, puedan moverse por sí solas y fomentar el crecimiento de neuronas en una región dañada -- prosigue --. Ahora estamos estudiando cómo funciona el mecanismo de curación y preguntándonos qué más pueden hacer estas construcciones ".

Entre las ventajas del uso de células humanas está la posibilidad de construir robots a partir de las propias células del paciente para realizar una labor terapéutica sin riesgo de desencadenar una respuesta inmunitaria ni requerir inmunosupresores. Sólo duran unas semanas antes de descomponerse, por lo que pueden reabsorberse fácilmente en el organismo una vez concluida su labor.

Además, fuera del cuerpo, los Antrobots sólo pueden sobrevivir en condiciones de laboratorio muy específicas, y no hay riesgo de exposición o propagación involuntaria fuera del laboratorio. Asimismo, no se reproducen ni tienen modificaciones, adiciones o supresiones genéticas, por lo que no hay riesgo de que evolucionen más allá de las salvaguardias existentes.

Cada Antrobot comienza como una sola célula, derivada de un donante adulto. Las células proceden de la superficie de la tráquea y están cubiertas de unas proyecciones en forma de pelo llamadas cilios que se ondulan de un lado a otro. Los cilios ayudan a las células de la tráquea a expulsar partículas diminutas que encuentran su camino en los conductos de aire del pulmón.

Los investigadores desarrollaron unas condiciones de crecimiento que animaban a los cilios a mirar hacia fuera en los organoides. A los pocos días empezaron a moverse, impulsados por los cilios que actuaban como remos.

Observaron diferentes formas y tipos de movimiento, la primera característica importante de la plataforma biorobótica. Levin afirma que si se pudieran añadir otras características a los antrobots (por ejemplo, aportadas por células diferentes), podrían diseñarse para responder a su entorno y desplazarse y realizar funciones en el cuerpo, o ayudar a construir tejidos artificiales en el laboratorio.

El equipo, con la ayuda de Simon Garnier del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, caracterizó los distintos tipos de Antrobots que se produjeron. Observaron que los robots se clasificaban en unas pocas categorías discretas de forma y movimiento, con un tamaño que oscilaba entre 30 y 500 micrómetros (desde el grosor de un cabello humano hasta la punta de un lápiz afilado), ocupando un importante nicho entre la nanotecnología y los dispositivos de ingeniería de mayor tamaño.

Algunos eran esféricos y estaban totalmente cubiertos de cilios, y otros tenían forma irregular o de balón de fútbol con una cobertura más irregular de cilios, o sólo estaban cubiertos de cilios por un lado. Viajaban en línea recta, se movían en círculos cerrados, combinaban esos movimientos o simplemente se sentaban y se contoneaban. Los de forma esférica y totalmente cubiertos de cilios solían contonearse.

Los Antrobots con cilios distribuidos de forma irregular tendían a avanzar durante tramos más largos en trayectorias rectas o curvas. Normalmente sobrevivían entre 45 y 60 días en condiciones de laboratorio antes de biodegradarse de forma natural.

" Los Antrobots se autoensamblan en la placa de laboratorio -- explica Gumuskaya, creadora de los Antrobots--. A diferencia de los Xenobots, no necesitan pinzas ni escalpelos para darles forma, y podemos utilizar células adultas -incluso de pacientes ancianos- en lugar de embrionarias. Es totalmente escalable: podemos producir enjambres de estos robots en paralelo, lo que es un buen comienzo para desarrollar una herramienta terapéutica ".

Como Levin y Gumuskaya planean en última instancia fabricar Antrobots con aplicaciones terapéuticas, crearon una prueba de laboratorio para ver cómo los robots podrían curar heridas. Para asegurarse de que la brecha quedaría expuesta a una densa concentración de Antrobots, crearon " superbots ", una agrupación que se forma de forma natural cuando los Antrobots están confinados en un espacio reducido.

Según los investigadores, el desarrollo ulterior de los robots podría dar lugar a otras aplicaciones, como la eliminación de la placa acumulada en las arterias de pacientes con aterosclerosis, la reparación de daños en la médula espinal o los nervios de la retina, el reconocimiento de bacterias o células cancerosas, o la administración de fármacos a tejidos específicos. En teoría, los antrobots podrían ayudar a cicatrizar tejidos y administrar fármacos pro-regenerativos.

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