科学家利用活体机器人释放细胞的治愈能力

在塔夫茨大学迈克尔·莱文实验室的入口附近，四个鹿角安装在木箱上。它们代表了哺乳动物令人难以置信的再生壮举：鹿每年都会脱落鹿角，并以每天半英寸的速度重新长出骨头、血管、神经和皮肤。人类的再生能力更加有限。虽然我们可以生长疤痕组织来治愈伤口，将骨折的骨头重新缝合在一起，甚至重新长出某些器官的一部分，但这种再生并不像鹿角那样快速或复杂，而且我们当然无法重新长出失去的腿有些两栖动物可以。至少现在还没有。

Levin，A92，文理学院VannevarBush生物学教授，相信我们的细胞具有尚未开发的再生能力，只要我们能够学会说它们的语言。他的实验室正在努力释放我们细胞的全部潜力，提供新的方法来对抗癌症、逆转退行性疾病、修复先天异常，也许有一天甚至可以重新长出四肢。

与其他可能涉及基因编辑或干细胞治疗的再生医学方法不同，莱文的目标是利用身体已知的知识。他说，创造眼睛或肢体的步骤太复杂，无法进行微观管理。但也许，通过正确的信号集，我们可以给身体一个新的目标，并让智能细胞群管理如何实现它的细节。

“我们不想试图告诉每个细胞和每个基因该做什么，”莱文说。“我们并不是要教细胞如何长出一条腿;我们只是想让它们相信这是它们应该做的。”

当莱文谈论细胞的智能时，他没有提到大脑。他引用了19世纪末美国心理学家、哲学家威廉·詹姆斯的定义，他将智力描述为以多种方式实现同​​一目标的能力。

根据这个定义，如果一个系统即使面临意想不到的障碍也能拥有并实现目标，那么它就是智能的。该系统可以是一个生物、一台机器、一个器官或一个细胞;如果它能够解决问题，它就具有一种智能。

单个细胞可以解决简单的问题并有简单的目标——生存和繁殖。但是，一旦细胞开始协同工作，它们就会创造出一种集体智慧，能够记住并实现更大的目标，例如形成构成身体的系统和器官。

莱文希望理解和利用这种集体智慧。尽管实验室的新发现为生物医学或其他领域的发展创造了机会，但它们也提供了关于细胞如何相互交谈以及它们的能力的诱人信息。这是莱文在其职业生涯的大部分时间里一直在拼凑的一个谜题，他预计至少还需要十年才能完成。

“我们的工作还没有解决，”莱文说。“我们知道细胞正在相互交谈，但我们还不知道它们在说什么。我们仍然需要破解这些密码。”

细胞的认知粘合剂

发育中的胚胎中的细胞需要不断沟通，共同努力确定构建什么以及在哪里构建。它们以电信号的形式存储和发送这些公共蓝图，指示左侧和右侧、哪些组织应该成为器官，或者何时停止构建脚趾。

借助正确的工具，莱文和他的同事们已经能够观察到这些信号，观察蝌蚪在细胞开始形成之前就形成了一张“电脸”——显示眼睛、鼻子和嘴巴未来位置的活动模式。那些结构。

莱文说：“生物电允许一堆细胞连接到一个网络中，该网络可以计算和存储更大目标的记忆。”“你的单个细胞不知道一根手指是什么，也不知道你应该有多少根手指，但细胞的集合绝对知道。”

细胞通过细胞膜上称为离子通道的通道产生和共享生物电信号。离子通道允许某些带电分子穿过膜，在电池内部和外部产生不同的电荷，类似于电池的正极和负极。离子穿过膜的运动产生微小的电流。

莱文将生物电描述为“将我们的细胞粘在一起的认知粘合剂”。在大脑中，神经元群快速地移动离子以产生强烈、快速的信号，生物电控制着我们处理信息和在空间中移动的方式。在我们身体的其他部位，信号较小、较慢且经常被忽视，它拥有一种集体记忆，告诉细胞如何创建我们身体所需的物理结构，以及当这些结构受损时如何反应。

通过学习破译和操纵这些更微妙的生物电信号，莱文希望找到新的方法来帮助我们的身体自我修复。

该实验室取得了各种有希望的发现，揭示了生物电的一些治疗潜力。

在一项实验中，研究人员能够使用计算模型来预测发育中的青蛙胚胎的正常电压模式，并确定这些模式如何因接触尼古丁而被破坏，尼古丁会导致大脑发育异常。研究人员找到了一种可以恢复正常电压模式的治疗方法。结果，青蛙胚胎能够修复尼古丁引起的缺陷并恢复。

莱文的团队还一直在探索癌症治疗的生物电方法。从生物电的角度来看，癌细胞是那些与细胞通讯网络断开并以个体的形式发挥作用的细胞。莱文和他的同事们已经证明，阻断一些离子通道并恢复正常的生物电模式可以将癌细胞重新连接到更大的网络并控制流氓细胞。尽管发生癌性突变，细胞仍表现正常。

“他们做了正确的事情，因为他们通过这些电突触与其他细胞分享所有记忆，他们的目标现在是器官水平的目标，”莱文说。“他们不再只想复制自己。”

研究人员还确定，他们可以通过跟踪单个细胞电模式的异常变化来识别蝌蚪癌症形成的早期阶段。这一发现可能会刺激新生物电诊断工具的开发。

该团队甚至在再生全身部位的目标方面取得了进展。莱文和斯特恩家族捐赠工程教授大卫·卡普兰创造了一种装有多种药物的装置，旨在调整细胞离子通道的行为并促进生长。该装置使通常无法再生四肢的成年青蛙能够重新长出有功能的腿。

令人印象深刻的是，该装置只需使用24小时即可启动再生过程。两位研究人员创建了一家名为Morphoceuticals的公司来开发这项工作的临床应用，首先研究其在哺乳动物中的应用。

莱文说：“我们没有使用任何外部刺激;我们使用的是细胞和组织在体内彼此侵略的相同界面。”“通过调整这些离子通道，我们可以像钢琴一样弹奏该界面，并使其具有不同类型的电气计算。”

面临的挑战在于确定研究人员需要播放的曲调以获取他们想要的行为。

在蝌蚪中，莱文和他的同事可以说服细胞群创造出有功能的眼睛、心脏和四肢。在平面中，莱文团队可以鼓励多个头部的生长，甚至导致一个物种发展出一个单独的，紧密相关的物种的头，从而揭示不同信息的种类可以携带不同的信息。

在其他生物体中，研究人员正在检查与衰老相关的电压模式，并试图扭转这些影响。但该团队尚未对如何解释细胞发送的特定信号以及如何说服细胞修复受损器官或抵御退行性疾病等问题有一个统一的理解。

“目前，我们正在研究所有这些通过同一过程联系在一起的独立现象，并试图对其生物学有更深入的了解，”最后在莱文实验室工作的科学家帕特里克·麦克米伦(PatrickMcMillen)说。7年。每项实验都更多地揭示了以前被忽视的生物电的作用，并使研究人员更接近能够释放人体细胞中的相同潜力。

学习解码生物电信号

多年来，研究人体生物电交流的研究人员集中在我们的大脑上。神经通讯快速而强大：神经元可以在几毫秒内发射80毫伏信号。

相比之下，身体其他部位的生物电信号接近3毫伏，可能需要几分钟或几小时才能形成。用于制作神经元生物电图像的现有技术无法有效检测其他细胞中的生物电。因此，直到最近，大脑外部生物电通讯的重要性在很大程度上还被忽视了。

莱文实验室的科学家帕特里克·麦克米伦说：“我们正在寻找的东西非常非常微妙，而且非常非常缓慢。”“我们已经工作了很长时间，以找到使我们可以看到这类信号的工具。”

研究人员使用一种称为荧光寿命成像显微镜的技术，用荧光染料染色细胞，该染料会在影响细胞的生物电态的各种分子的情况下发光不同的颜色。由此产生的彩虹图像使研究人员可以检测并测量细微的生理变化，这表明生物电性的变化。麦克米伦最近开发了一种在活青蛙胚胎中使用这些技术的新策略。

麦克米伦说：“我非常乐观地认为，这种方法将使我们能够以前所未有的清晰度和精确度阅读开发动物和复杂组织的生物电量。”

对神经元放电时进行成像的能力帮助我们了解大脑如何工作以及如何治疗影响大脑的疾病。研究人员希望，能够检测到支撑我们身体其他部位细胞通讯的更微妙的生物电信号，将为生物医学领域类似的革命性进步打开大门。

生物机器人及以后

莱文的工作不断表明，细胞群体的能力远远超出我们通常认为的范围。它们是解决问题的机器，当接受新的指令时，它们可以完成远远超出它们通常在体内完成的任务。

最清楚的例子是实验室的生物机器人，是由活细胞制成的微观“机器人”，这些细胞已从生物体的生物电信号中散发出来，成为独立参与者。正如莱文所说，他们已经“摆脱了成为身体一部分的限制，并允许成为自己的一切”，这种自由使他们能够发展出令人难以置信的意外能力。

该实验室的Xenobot是毫米宽的斑点，由取自非洲爪蛙(Xenopuslaevis)的几种不同类型的细胞制成。Xenobots活了大约一个星期，可以在损坏时修复自身。研究人员将肌肉细胞和皮肤细胞与称为纤毛的肌肉细胞和皮肤细胞结合在一起，通常会在青蛙的皮肤上移动粘液，以设计Xenobots，以推动自己穿过培养皿，并一起工作，以将碎片扫描成一堆。

艾伦发现中心的高级科学家道格·布莱克斯顿(DougBlackiston)说：“我们已经了解了许多新规则，这些细胞如何在查看完整系统时并不明显的组织中如何组装。”“通过移动事物并研究生物学，你可以获得对基础科学的新见解。”

Blackiston看到了在环境中使用Xenobot的可能性。这些微小的细胞团可以携带传感器来测量环境污染物，例如BPA(某些塑料中使用的化学物质)或废水中的药物化合物。或者它们可用于收集和浓缩稀有金属，以便于提取。它们也是其他发现的垫脚石。11月，该实验室宣布创建Anthrobots——从成人气管细胞中培育出的类似活性簇。

研究人员使用气管细胞，因为它们具有类似于青蛙皮肤细胞的纤毛，使机器人更容易发展出移动能力。像Xenobot一样，炭疽菌细胞也表现出意外的行为，超出了它们是身体的一部分。例如，当研究人员在受损的神经细胞中添加了一群人类动物，例如，炭疽菌将自己停放在受损区域中，它们下面的神经开始愈合。

“这些机器人可以坐在那里，坐在那里，实际上有助于神经编织，从本质上修复了三天的损害，”AG23的GizemGumuskaya说，他是最近的论文，并进行了。这项工作是她在列文实验室中博士学位论文的一部分。“我们能否从患者身上获取细胞，制造个人机器人，并用它们来帮助治愈神经损伤?这就是我们正在努力的应用。”

由于拟人机器人将是由患者自己的细胞创建的，因此它们将能够在不受免疫系统攻击的情况下移动体内。治愈神经损伤只是它们所能实现的一切的开始。莱文(Levin)想象拟人机构掉落了再生分子，追逐癌细胞，清洁动脉的斑块，以及谁知道还有什么。

莱文说：“我们已经表明它们可以治愈神经伤口，这只是基准。我们甚至还没有开始编程它们。”“它们是一个令人惊叹的生物医学平台，也是我们了解细胞集体智慧的沙箱。”