De minuscules robots biologiques fabriqués à partir de cellules humaines favorisent la croissance des neurones sans modification de l’ADN
Des chercheurs ont utilisé des cellules trachéales humaines pour créer de minuscules robots biologiques capables de se déplacer seuls et de travailler de concert pour favoriser la guérison de neurones endommagés sans nécessiter de modifications génétiques. Ces minuscules robots pourraient transformer la médecine régénérative et le traitement des maladies.
Image d’entête : les minuscules robots mobiles crée par des chercheurs à partir de cellules des voies respiratoires humaines. (Gizem Gumuskaya/ Université Tufts)
Les robots microscopiques créés à partir de cellules vivantes, appelés « biobots », sont en cours de développement pour effectuer diverses tâches à l’intérieur du corps humain, de l’administration de médicaments à la détection de cellules cancéreuses. Des chercheurs de l’université Tufts et de l’institut Wyss de Harvard (États-Unis) ont tenté de créer leur propre biobot à partir de cellules trachéales humaines.
Les chercheurs se sont appuyés sur des travaux antérieurs de l’université Tufts, en collaboration avec l’université du Vermont, qui utilisaient des cellules d’embryon de grenouille pour créer un biobot multicellulaire, appelé Xenobot (lien ci-dessous), capable de naviguer, d’enregistrer des informations et de se guérir lui-même. 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 un biobot pouvait être construit à partir de cellules d’autres espèces.
Dans la présente étude, les chercheurs ont voulu voir si les cellules pouvaient être retirées de leur environnement naturel et recombinées en différents « plans corporels » pour remplir d’autres fonctions. Ils ont découvert que des robots pouvaient être créés à partir de cellules humaines adultes sans modification génétique et avec des capacités améliorées.
Ces images montrent des Anthrobots dont la surface (jaune) est couverte de cils répartis selon différents motifs. Ces motifs de surface sont en corrélation avec différents types de mouvements : circulaires, ondulatoires, longues courbes ou lignes droites. (Gizem Gumuskaya/ Université Tufts)
Selon Gizem Gumuskaya, auteur principal et correspondant de l’étude :
Nous voulions étudier ce que les cellules peuvent faire en plus de créer des caractéristiques par défaut dans le corps. En reprogrammant les interactions entre les cellules, il est possible de créer de nouvelles structures multicellulaires, de la même manière que la pierre et la brique peuvent être agencées en différents éléments structurels tels que des murs, des arcs ou des colonnes.
Les chercheurs ont commencé par utiliser des cellules trachéales prélevées à la surface des voies respiratoires humaines et ils ont mis au point un nouveau protocole qui tire parti de la capacité existante des cellules progénitrices épithéliales bronchiques à former des “sphéroïdes multicellulaires” dotés de cils, des structures microscopiques ressemblant à des poils qui vibrent pour se déplacer. Ils ont modifié ce processus pour obtenir des sphéroïdes recouverts de cils, c’est-à-dire que les structures semblables à des cheveux se trouvaient à l’extérieur plutôt qu’à l’intérieur.
Au bout de quelques jours, les nouvelles cellules, que les chercheurs ont appelées Anthrobots, ont commencé à bouger sous l’impulsion des cils. À l’âge adulte, d’une taille comprise entre 30 et 500 microns, certains bots étaient sphériques et entièrement recouverts de cils, tandis que d’autres étaient irréguliers ou en forme de ballon de football, avec une couverture ciliaire inégale. La répartition des cils détermine la façon dont les bots se déplacent, en faisant des boucles ou en se tortillant sur des trajectoires droites ou courbes. Les Anthrobots ont généralement survécu pendant 45 à 60 jours en laboratoire avant de se biodégrader naturellement.
Un Anthrobot, coloré selon la profondeur, avec une couronne de cils qui assure sa locomotion et lui permet d’explorer son environnement. (Gizem Gumuskaya/ Université Tufts)
Selon Gumuskaya :
Les Anthrobots s’assemblent d’eux-mêmes en laboratoire. Contrairement aux xénobots, il n’est pas nécessaire d’utiliser des pinces ou des scalpels pour leur donner une forme, et nous pouvons utiliser des cellules adultes, même des cellules de patients âgés, au lieu de cellules embryonnaires. Nous pouvons produire des essaims de ces robots en parallèle, ce qui est un bon début pour le développement d’un outil thérapeutique.
Les chercheurs ont cultivé une couche 2D de neurones humains dans une boîte de laboratoire et ils ont gratté les cellules à l’aide d’une fine tige métallique pour créer une « blessure » dépourvue de cellules. Ils ont placé un essaim d’Anthrobots dans la boîte et les ont observés se déplacer à la surface des neurones. Les robots ont encouragé une nouvelle croissance, comblant le vide causé par la blessure et créant un pont de neurones aussi épais que les cellules saines. Les neurones n’ont pas poussé dans la plaie où les Anthrobots étaient absents.
Les cellules de la peau trachéale humaine s’auto-assemblent en organoïdes multicellulaires et mobiles appelés Anthrobots. (Gizem Gumuskaya/ Université Tufts)
Selon Michael Levin, de l’université Tufts et coauteur de l’étude :
Les assemblages cellulaires que nous construisons en laboratoire peuvent avoir des capacités qui vont au-delà de ce qu’ils font dans le corps. Il est fascinant et tout à fait inattendu que des cellules trachéales normales de patients, sans modification de leur ADN, puissent se déplacer d’elles-mêmes et favoriser la croissance des neurones dans une région endommagée. Nous cherchons maintenant à comprendre comment fonctionne le mécanisme de guérison et à savoir ce que ces constructions peuvent faire d’autre.
Les anthrobots s’auto-assemblent et peuvent facilement être produits par milliers, ce qui en fait une bonne plateforme pour la conception et le développement de nouveaux outils thérapeutiques. (Gizem Gumuskaya/ Université Tufts)
L’utilisation de cellules humaines présente l’avantage de pouvoir construire des robots à partir des propres cellules d’un patient afin d’effectuer un travail thérapeutique sans déclencher de réaction immunitaire ni nécessiter de médicaments immunosuppresseurs.
Le développement ultérieur des robots pourrait conduire à d’autres applications, comme l’élimination de la plaque dans les artères, la réparation de la moelle épinière ou des nerfs rétiniens endommagés, la reconnaissance des bactéries ou des cellules cancéreuses, ou l’administration de médicaments à des tissus ciblés. En théorie, les anthrobots pourraient contribuer à la cicatrisation des tissus tout en délivrant des médicaments.
L’étude publiée dans Advanced Science : Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells, présentée sur le site de l’Université Tufts : Scientists Build Tiny Biological Robots from Human Cells et du Wyss Institute : Scientists build tiny biological robots from human cells.