Τι είναι μικροσκοπικό – με μέγεθος που κυμαίνεται από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας ως τη μύτη ενός καλοξυσμένου μολυβιού – φτιαγμένο από ανθρώπινα κύτταρα, ικανό να «κωπηλατεί» και να «κολυμπά» σε επιφάνειες αλλά και να «επιδιορθώνει» κατεστραμμένους ιστούς; Είναι το Anthrobot, το πρώτο ανθρώπινο βιορομπότ που «γεννήθηκε» στο εργαστήριο του καθηγητή Βιολογίας Μάικλ Λέβιν στο Πανεπιστήμιο Ταφτς στη Μασαχουσέτη.

Τα Αnthrobots, τα οποία παρουσιάστηκαν πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό «Advanced Science», δημιουργήθηκαν από ενήλικα κύτταρα της ανθρώπινης τραχείας και, σύμφωνα με τους «γονείς» τους όταν μεγαλώσουν ελπίζεται ότι θα αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία της εξατομικευμένης Ιατρικής επουλώνοντας κατεστραμμένους ιστούς ή μεταφέροντας απαραίτητα φάρμακα σε περιοχές-στόχους του ανθρώπινου οργανισμού.

Προς το παρόν, σε πειράματα στο εργαστήριο τα μικροσκοπικά αυτά βιορομπότ κατάφεραν να επιδιορθώσουν νευρικό ιστό που είχε υποστεί βλάβη, όπως ανέφερε στο ΒΗΜΑ-Science o καθηγητής Λέβιν.

Αποδοτική καλλιέργεια

Ο δρ Λέβιν και οι συνεργάτες του καλλιέργησαν τα ανθρώπινα κύτταρα της τραχείας σε ένα ειδικό τζελ επί δύο εβδομάδες και στη συνέχεια μετέφεραν τις μικροσκοπικές δομές κυττάρων που δημιουργήθηκαν σε ένα λιγότερο ιξώδες διάλυμα για μία επιπλέον εβδομάδα. Αυτή η διαδικασία οδήγησε τα μικροσκοπικά τριχίδια των κυττάρων που ονομάζονται κροσσοί να μετακινηθούν από το εσωτερικό των δομών που αποτελούνταν από μερικές εκατοντάδες κύτταρα η καθεμία στο εξωτερικό τους λειτουργώντας ως «κουπιά» που τους επέτρεπαν να πλοηγούνται επάνω σε επιφάνειες.

«Είναι εκπληκτικό και μη αναμενόμενο ότι φυσιολογικά κύτταρα της τραχείας, χωρίς καμία παρέμβαση στο DNA τους, μπορούν να κινούνται μόνα τους και να ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων σε μια περιοχή που έχει υποστεί βλάβη».

Οι δομές που αυθορμήτως δημιουργήθηκαν είχαν διαφορετικά σχήματα: κάποιες ήταν σφαιρικές και πλήρως καλυμμένες με κροσσούς, άλλες είχαν ακανόνιστο σχήμα και καλύπτονταν από κροσσούς στη μια πλευρά τους, άλλες έφεραν «μπαλώματα» από  κροσσούς στην επιφάνειά τους. Επίσης δεν ακολουθούσαν όλες τον ίδιο ίσιο δρόμο: ορισμένες κινούνταν σε ευθεία γραμμή, άλλες σχημάτιζαν κύκλους, άλλες αψίδες, ενώ κάποιες κινούνταν χαοτικά.

Τα πλεονεκτήματα των κροσσών

Ο καθηγητής μάς εξήγησε ότι επελέγησαν για το πείραμα κύτταρα της τραχείας ακριβώς επειδή φέρουν φυσικά τους πολύτιμους για τη δημιουργία των Anthrobots κροσσούς. «Οι κροσσοί επιτρέπουν στα κύτταρα της τραχείας να απομακρύνουν μικροσκοπικά σωματίδια που εισέρχονται στους αεραγωγούς των πνευμόνων. Ολοι έχουμε την εμπειρία της σημαντικής δουλειάς που κάνουν οι κροσσοί κάθε φορά που βήχουμε ή καθαρίζουμε τον λαιμό μας». Προηγούμενες μελέτες άλλων ερευνητών είχαν δείξει πως όταν τα κύτταρα αυτά καλλιεργούνται στο εργαστήριο, σχηματίζουν αυθόρμητα μικροσκοπικές πολυκύτταρες σφαίρες που ονομάζονται οργανίδια.

Μιλώντας στο ΒΗΜΑ-Science, η πρώτη συγγραφέας της μελέτης Γκιζέμ Γκουμούσκαγια, υποψήφια διδάκτορας Αναπτυξιακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Ταφτς που εργάζεται με τον καθηγητή Λέβιν και η οποία ήταν ουσιαστικώς η «μητέρα» των Anthrobots, σημείωσε ότι η αρχή μπορεί να έγινε με τα κύτταρα της τραχείας, ωστόσο «στο μέλλον θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν προγονικά κύτταρα άλλων κυτταρικών τύπων που φέρουν κροσσούς στο ανθρώπινο σώμα, όπως τα κύτταρα των κοιλιών του εγκεφάλου ή του επιθηλίου των γυναικείων σαλπίγγων.

Σχεδιάζουμε να δοκιμάσουμε τη δημιουργία βιορομπότ με χρήση τέτοιων ειδών κυττάρων, αλλά ξεκινήσαμε με το επιθήλιο των αεραγωγών, καθώς υπήρχε μεγαλύτερη διαθεσιμότητα ιστών από δότες».

Δυναμικές δομές

Η ομάδα θέλησε να δοκιμάσει και τη θεραπευτική δυναμική των Αnthrobots. Τοποθέτησε έτσι κάποια σε ένα τρυβλίο Petri. Τα βιορομπότ ακολουθώντας το «η ισχύς εν τη ενώσει» σχημάτισαν όλα μαζί ένα superbot, το οποίο και τοποθετήθηκε επάνω σε ένα στρώμα νευρικού ιστού που είχε υποστεί τραυματισμό.

Οπως είδαν οι ερευνητές, μέσα σε μόλις τρεις ημέρες ο νευρικός ιστός έγινε σαν καινούργιος χάρη στο superbot. Και αυτό ήταν αναπάντεχο, κατά την κυρία Γκουμούσκαγια. Για ποιον λόγο; «Επειδή τα ενωμένα βιορομπότ μπόρεσαν να επιτελέσουν το έργο της επιδιόρθωσης χωρίς να απαιτηθεί καμία γενετική τροποποίηση» είπε η ερευνήτρια, η οποία πριν από τη Βιολογία σπούδασε αρχιτεκτονική (και αυτό δεν είναι τυχαίο), και εξήγησε:

«Δώσαμε στα κύτταρα ύστερα από δεκαετίες μιας ήρεμης ζωής στην τραχεία τη δυνατότητα να ανασυνταχθούν και να βρουν τρόπους δημιουργίας νέων δομών. Αναπρογραμματίζοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, είδαμε ότι μπορούν να δημιουργηθούν νέες πολυκύτταρες δομές, ανάλογες με τον τρόπο με τον οποίο οι πέτρες και τα τούβλα δημιουργούν διαφορετικά δομικά στοιχεία όπως έναν τοίχο, μια αψίδα ή μια κολόνα».

Δομές που τελικώς αποκτούν ικανότητες πολύ μεγαλύτερες από τον βασικό «ρόλο» που θα είχαν εντός του ανθρώπινου σώματος, σημείωσε από την πλευρά του ο δρ Λέβιν, ο οποίος είναι επίσης διευθυντής του Κέντρου Allen για τις Ανακαλύψεις στο Πανεπιστήμιο Ταφτς και συμπλήρωσε πως «είναι εκπληκτικό και μη αναμενόμενο ότι φυσιολογικά κύτταρα της τραχείας, χωρίς καμία παρέμβαση στο DNA τους, μπορούν να κινούνται μόνα τους και να ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων σε μια περιοχή που έχει υποστεί βλάβη. Μελετούμε τώρα πώς λειτουργούν οι μηχανισμοί επούλωσης που χρησιμοποιούν τα Αnthrobots καθώς και τι άλλο μπορούν να κάνουν αυτές οι κυτταρικές δομές». 

Πλεονεκτήματα και προοπτικές

Σίγουρα πάντως, ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματά τους, σύμφωνα με τον καθηγητή, είναι το γεγονός ότι προέρχονται από κύτταρα του ίδιου του ασθενούς και θα μπορούν να επιτελούν το θεραπευτικό έργο τους χωρίς να υπάρχει κίνδυνος ανοσολογικής απόρριψης ή ανάγκη χρήσης ανοσοκατασταλτικών φαρμάκων.

Η διάρκεια ζωής των Αnthrobots δεν ξεπερνά τις λίγες εβδομάδες – έτσι αφού εκτελέσουν το καθήκον τους τα βιορομπότ θα διασπώνται και θα επαναπορροφώνται από τον ανθρώπινο οργανισμό.

«Στόχος είναι κάποια ημέρα να λαμβάνονται κύτταρα από έναν ασθενή, να μετατρέπονται στο κατάλληλο είδος βιορομπότ in vitro – μέσω καθοδήγησής μας ώστε να έχουν το σωστό σχήμα και συμπεριφορά, ανάλογα με τις ανάγκες – και στη συνέχεια τα βιορομπότ αυτά να εισάγονται και πάλι στον ασθενή, όπου θα ζουν για μερικές εβδομάδες επιτελώντας το έργο τους προτού βιοδιασπαστούν» υπογράμμισε ο καθηγητής.

Στο ερώτημα αν υπάρχει κίνδυνος από τη δράση των βιορομπότ μέσα στο ανθρώπινο σώμα και οι δύο ερευνητές σημείωσαν ότι δεν έχει προκύψει τίποτα τέτοιο από τα μέχρι στιγμής πειράματά τους. «Πρόκληση προβλημάτων όπως η καρκινογένεση θα μπορούσε να συνδέεται με άλλες διαδικασίες όπως ο αναπρογραμματισμός κυττάρων με γενετική παρέμβαση.

Στην περίπτωση των βιορομπότ τα οποία δημιουργούνται αυθόρμητα χωρίς γενετική τροποποίηση δεν έχουμε παρατηρήσει τίποτα τέτοιο» είπε ο δρ Λέβιν και η κυρία Γκουμούσκαγια συμπλήρωσε ότι «εξετάσαμε τους μηχανισμούς διάσπασης των Anthrobots – η σχετική μελέτη αναμένεται να δημοσιευθεί σύντομα – και, όπως είδαμε, δεν παρατηρήθηκε καμία περίπτωση κατά την οποία το bot θα μπορούσε να προαγάγει την ανάπτυξη όγκων».

Σε όσους, δε, «ντύνουν» ήδη τα Αnthrobots με θεωρίες συνωμοσίας περί «διαβολικών» ρομπότ που θα θέσουν σε κίνδυνο το ανθρώπινο είδος, ο δρ Λέβιν απάντησε ότι εκτός του σώματος οι δομές αυτές μπορούν να επιβιώσουν σε πολύ συγκεκριμένες εργαστηριακές συνθήκες και έτσι δεν υπάρχει κίνδυνος μαζικής έκθεσης σε εκείνες ή ακούσιας «διαρροής» τους από το εργαστήριο.

Αντιθέτως, το έργο των Anthrobots αναμένεται να είναι καλό και αγαθό για τον άνθρωπο, όπως οραματίζονται οι ερευνητές του Ταφτς: τα ανθρώπινα βιορομπότ θα καθαρίζουν αρτηρίες ασθενών με αθηροσκλήρωση από την αθηρωματική πλάκα, θα εξαφανίζουν την περιττή βλέννα, θα επιδιορθώνουν βλάβες του νωτιαίου μυελού ή του οπτικού νεύρου, θα αναγνωρίζουν βακτήρια ή καρκινικά κύτταρα, θα μεταφέρουν φάρμακα σε στοχευμένους ιστούς ή θα αναγεννούν ιστούς, όπως για παράδειγμα ακρωτηριασμένα άκρα.

Είναι από τις φορές που η επιστημονική φαντασία πραγματικά οργιάζει υποσχόμενη τα Anthrobots να προσφέρουν στη… σύντομη ζωή τους οφέλη διαρκείας για τον ανθρώπινο οργανισμό. «Ουσιαστικώς μιλάμε για μια νέα πλατφόρμα εξατομικευμένης Ιατρικής» κατέληξε η κυρία Γκουμούσκαγια.

Χenobots: οι «πρόγονοι» των Αnthrobots

Η ομάδα του καθηγητή Λέβιν πριν περάσει στα ανθρώπινα μικρο-ρομπότ είχε δημιουργήσει ρομπότ βατραχίσια, τα Χenobots (μάλιστα ο καθηγητής είχε παραχωρήσει συνέντευξη για τη δημιουργία τους το 2020 στο ΒΗΜΑ-Science).

Ωστόσο οι ιατρικές εφαρμογές των Χenobots ήταν περιορισμένες. Και αυτό διότι, όπως εξήγησε η κυρία Γκουμούσκαγια, «τα Χenobots δημιουργούνται από κύτταρα βατράχου και όχι από ανθρώπινα κύτταρα, όπως τα Anthrobots, και έτσι είναι επόμενο ότι δεν μπορούν να είναι τόσο συμβατά για ιατρικές εφαρμογές στους ανθρώπους, χωρίς να προκαλείται φλεγμονή ή ισχυρή ανοσολογική απόκριση».

Ενα άλλο μειονέκτημα των Xenobots είναι ότι «λαμβάνουν το επιθυμητό σχήμα μόνο με έξωθεν παρέμβαση ενώ τα Anthrobots είναι δομές που δημιουργούνται αυτόνομα. Για αυτό και σε αντίθεση με τα Xenobots, τα Αnthrobots μπορούν να δημιουργηθούν σε μεγάλους αριθμούς ταυτοχρόνως» είπε η ερευνήτρια.

Πάντως και τα Χenobots, στη δημιουργία των οποίων καταλυτικό ρόλο έπαιξε ο Τζος Μπόνγκαρντ από το Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, είναι πολυκύτταρα βιολογικά ρομπότ, ικανά να πλοηγηθούν, να συλλέξουν υλικό, να καταγράψουν πληροφορίες, να αυτο-επουλωθούν μετά από τραυματισμό, ακόμη και να «αναπαραχθούν» για μερικούς κύκλους. Και παρότι έχουν πράγματι μειονεκτήματα σε σύγκριση με τα ανθρώπινα βιο-ρομπότ, ήταν εκείνα που άνοιξαν τον δρόμο για τη δημιουργία της ανθρώπινης εκδοχής των μικρο-ρομπότ, μέσω της πολύτιμης γνώσης που παρείχαν στους ερευνητές.

Μηχανές εμπνευσμένες από το ζωικό βασίλειο

Μπορεί ένα σαλιγκάρι να καθαρίσει τις θάλασσες από μικροπλαστικά; Μπορεί μια αράχνη να γίνει βοηθός των διασωστών σε φυσικές (και μη) καταστροφές; Ναι, είναι η απάντηση και στα δύο ερωτήματα αν μιλάμε για ρομπότ! Δύο διαφορετικές ερευνητικές ομάδες εμπνεύστηκαν από το ζωικό βασίλειο και δημιούργησαν ρομπότ που επιτελούν σωτήρια έργα. Ας τα δούμε:

To σαλιγκάρι

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Κορνέλ ανέπτυξαν ένα ρομπότ το οποίο αντιγράφει τις κινήσεις που κάνει ένα μικρό χαβανέζικο σαλιγκάρι του γλυκού νερού (Pomacea canaliculate) προκειμένου να βρει την τροφή του. Το συγκεκριμένο σαλιγκάρι χρησιμοποιεί τα πόδια του για να δημιουργήσει κυματισμό στο νερό και με αυτόν τον τρόπο φέρνει κοντά του τα σωματίδια της τροφής ώστε να τα «καταβροχθίσει».

Οι επιστήμονες του Κορνέλ σκέφτηκαν να μιμηθούν τη μέθοδο του σαλιγκαριού ώστε το ρομπότ τους να «τρώει» τα επικίνδυνα μικροπλαστικά που έχουν κατακλύσει τις θάλασσες και τους ωκεανούς και έχουν περάσει στην τροφική αλυσίδα φθάνοντας ως τον άνθρωπο, όπως ανέφεραν στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications.

Το ρομπότ-σαλιγκάρι, «τέκνο» ενός τριδιάστατου εκτυπωτή, αποτελείται από ένα εύκαμπτο φιλμ που λειτουργεί σαν χαλί το οποίο κινείται και προκαλεί κυματισμούς στην επιφάνεια του νερού. Κάτω από το «χαλί» υπάρχει μια σπειροειδής δομή, παρόμοια με ένα τιρμπουσόν, η οποία βοηθά στον σχηματισμό των κυμάτων.

Το ρομπότ βρίσκεται ακόμη σε στάδιο πρωτοτύπου – είναι πολύ μικρό και λειτουργεί με μπαταρία χωρίς να καταναλώνει πολλή ηλεκτρική ενέργεια (μόλις 5 βολτ είναι αρκετά). Ωστόσο δείχνει άκρως αποτελεσματικό.

Η επόμενη μεγάλη πρόκληση για τους ερευνητές αφορά το να λύσουν το ζήτημα του βάρους της μπαταρίας και του κινητήρα του ρομπότ-σαλιγκαριού. Σκέφτονται να του ενσωματώσουν μια συσκευή-«σωσίβιο» η οποία δεν θα το αφήνει να βυθιστεί επιτρέποντάς του έτσι να «χορταίνει» όσο περισσότερο γίνεται με μικροπλαστικά για το καλό όλων μας.

«Tα Χenobots δημιουργούνται από κύτταρα βατράχου και όχι από ανθρώπινα κύτταρα, όπως τα Anthrobots, και έτσι είναι επόμενο ότι δεν μπορούν να είναι τόσο συμβατά για ιατρικές εφαρμογές στους ανθρώπους, χωρίς να προκαλείται φλεγμονή ή ισχυρή ανοσολογική απόκριση».

H αράχνη-βοηθός

Το mCLARI είναι ένα μικροσκοπικό ρομπότ που μοιάζει με αράχνη και κινείται σαν αράχνη. Εχει μήκος μόλις δύο εκατοστά, βάρος που δεν ξεπερνά το γραμμάριο και πιάνει ταχύτητες της τάξεως των 6 εκατοστών το δευτερόλεπτο.

Αναπτύχθηκε από μηχανολόγους μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Κολοράντο, οι οποίοι ελπίζουν ότι στο μέλλον το ρομπότ τους θα μπορεί να «τρυπώνει» στα χαλάσματα ύστερα από καταστροφές (φυσικές και μη) αναζητώντας διασωθέντες ή θα διεξάγει επεμβάσεις σε ασθενείς ταξιδεύοντας μέσα στον οργανισμό τους (π.χ. θα απομακρύνει αθηρωματική πλάκα ή θρόμβους, ακόμα και καρκινικούς όγκους).

Οπως σημείωσαν οι ερευνητές σε μελέτη τους η οποία προσφάτως έλαβε το βραβείο της καλύτερης μελέτης σχετικά με τη Ρομποτική που αφορά την Ασφάλεια και τη Διάσωση στο Διεθνές Συνέδριο του 2023 για τα Εξυπνα Ρομπότ και Συστήματα στο Ντιτρόιτ, το mCLARI μπορεί ανά πάσα στιγμή να αλλάξει το σχήμα του για να χωρά μέσα σε δύσκολα περάσματα.

Για τη δημιουργία της ρομποτικής αράχνης οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που μοιάζει με το οριγκάμι. Το ρομπότ έχει τέσσερα πόδια που κινούνται σε δύο διαφορετικές διαστάσεις και τα οποία μπορούν να μακρύνουν ως και κατά 50% αν παραστεί ανάγκη. Επόμενος στόχος για την ομάδα είναι να προσφέρει στο mCLARI περισσότερη ισχύ και ικανότητα να «αισθάνεται» τις διαφορετικές καταστάσεις στις οποίες θα πρέπει να παρέμβει.