Les chercheurs développent actuellement de minuscules biorobots fabriqués à partir de cellules vivantes pour effectuer diverses tâches dans le corps humain, depuis l'administration de médicaments jusqu'à l'identification des cellules cancéreuses. Dans le dernier développement, des chercheurs de l'Université Tufts et du Wyss Institute de l'Université Harvard ont réussi à créer un nouveau type de robot biologique utilisant des cellules trachéales humaines.
Les chercheurs ont utilisé des cellules des voies respiratoires humaines pour créer de minuscules robots biologiques capables de se déplacer seuls et de travailler ensemble pour favoriser la guérison des neurones endommagés sans modifier les gènes. Ce petit robot a le potentiel de transformer la médecine régénérative et le traitement des maladies.
Auparavant, l'Université Tufts avait collaboré avec l'Université du Vermont pour utiliser des cellules embryonnaires de grenouille afin de créer un robot biologique multicellulaire appelé « Xenobot » capable de naviguer, d'enregistrer des informations et de se réparer. À l’époque, les chercheurs ne savaient pas si ces capacités étaient dues au fait que le Xenobot était fabriqué à partir de cellules de grenouille, ou si le biobot pouvait être fabriqué à partir de cellules d’autres espèces.
Dans la présente étude, les chercheurs voulaient voir si les cellules pouvaient être retirées de leur environnement naturel et réassemblées dans différents « plans corporels » pour remplir d’autres fonctions. Ils ont découvert qu’en utilisant des cellules humaines adultes, ils pouvaient créer des robots plus performants sans avoir recours à des modifications génétiques.
"Nous voulions explorer ce que les cellules peuvent faire en plus de créer des fonctions par défaut dans le corps", a déclaré Gizem Gumuskaya, premier auteur correspondant de l'étude. "En reprogrammant les interactions entre les cellules, de nouvelles structures multicellulaires peuvent être créées, tout comme les pierres et les briques peuvent être disposées en différents éléments structurels tels que des murs, des arcs ou des colonnes."
Ils ont d’abord extrait les cellules trachéales de la surface de la trachée humaine, puis ont développé un nouveau protocole qui exploite les capacités existantes des cellules progénitrices épithéliales bronchiques pour former des sphéroïdes multicellulaires avec des cils, de minuscules structures ressemblant à des cheveux qui peuvent vibrer et se déplacer. Ils ont modifié ce processus pour produire des sphères enveloppées de cils ; c'est-à-dire que les structures ciliées se trouvent à l'extérieur des sphères plutôt qu'à l'intérieur.
En quelques jours, les nouvelles cellules, que les chercheurs appellent « Anthrobots », ont commencé à se déplacer, poussées par les cils. La taille des robots varie de 30 microns à 500 microns à maturité, et certains sont sphériques et entièrement recouverts de cils, tandis que d'autres sont irréguliers ou en forme de ballon de football et inégalement recouverts de cils. La répartition des cils détermine la façon dont le robot se déplace, soit en boucle, soit en oscillant sur des trajectoires droites ou courbes. Les anthrobots survivent généralement dans des conditions de laboratoire pendant 45 à 60 jours avant de se dégrader naturellement.
"Les anthropobots peuvent s'assembler dans une assiette de laboratoire", a déclaré Gumuskaya. "Contrairement aux Xenobots, ils n'ont pas besoin de pinces ou de scalpels pour les façonner, et nous pouvons utiliser des cellules adultes, ou même des cellules de patients plus âgés, au lieu de cellules embryonnaires. C'est totalement évolutif : nous pouvons produire des essaims de ces robots en parallèle, ce qui est un bon début pour développer des outils thérapeutiques."
Les chercheurs ont développé une couche de neurones humains bidimensionnels dans une boîte de laboratoire, puis ont gratté les cellules avec une fine tige métallique, créant ainsi une « plaie » sans cellules. Ils ont placé un essaim d’Anthrobots dans une boîte de Pétri et les ont observés se déplacer à la surface des neurones. Les robots ont favorisé la croissance de nouvelles cellules, comblant les lacunes créées par les blessures et formant des ponts neuronaux aussi épais que des cellules saines. Dans les blessures sans Anthrobots, les neurones ne se sont pas développés.
Michael Levin, un autre auteur correspondant, a déclaré : « Les assemblages cellulaires que nous avons créés en laboratoire peuvent avoir des fonctions dépassant leurs capacités dans le corps. Il est fascinant et complètement inattendu que les cellules normales des voies respiratoires d'un patient puissent se déplacer d'elles-mêmes et favoriser la croissance des neurones dans la zone endommagée sans modifier leur ADN. Nous étudions maintenant le fonctionnement de ce mécanisme de guérison et explorons ce que ces constructions peuvent faire d'autre.
L'un des avantages de l'utilisation de cellules humaines est la possibilité d'utiliser les propres cellules du patient pour construire des robots capables d'effectuer des traitements sans déclencher de réponse immunitaire ni avoir besoin de prendre d'immunosuppresseurs.
Le développement ultérieur de ces robots pourrait conduire à d'autres applications, telles que l'élimination de l'accumulation de plaque dans les artères, la réparation de la moelle épinière ou des nerfs rétiniens endommagés, l'identification de bactéries ou de cellules cancéreuses ou l'administration de médicaments aux tissus cibles. En théorie, les Anthrobots pourraient aider à guérir les tissus tout en fournissant des médicaments favorisant la régénération.
La recherche a été publiée dans la revue Advanced Science.