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新智元報(bào)道

編輯：袁榭 拉燕

【新智元導(dǎo)讀】2022年5月26日，牛津大學(xué)和Devanthro公司的研究團(tuán)隊(duì)在Nature子刊上發(fā)表論文，稱首次在機(jī)器人骨架上生成彈性的人類肌腱細(xì)胞。

機(jī)器人不僅能完成人類的工作，現(xiàn)在還能生成能使用的人類器官了。

牛津大學(xué)與Devanthro開發(fā)的機(jī)器人骨架，其上生成的人造人類肌腱組織可以被拉伸、按壓和扭曲，這為未來更成功的醫(yī)學(xué)移植鋪平了道路。

挑戰(zhàn)20年來難題：生成可用的人造韌帶

人工培養(yǎng)用于醫(yī)學(xué)的人體細(xì)胞的組織制造技術(shù)，現(xiàn)在很大程度上處于起步階段。當(dāng)下只有實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的最簡單細(xì)胞能夠用于有限實(shí)驗(yàn)性治療。

盡管這個(gè)研究領(lǐng)域現(xiàn)在仍然是高度實(shí)驗(yàn)性的，但到目前為止，由人類細(xì)胞樣本培育的皮膚細(xì)胞、軟骨、甚至氣管都已經(jīng)成功植入病人體內(nèi)。

但事實(shí)證明，培養(yǎng)可用的人類肌腱細(xì)胞更為棘手。

也就是說，在實(shí)驗(yàn)室里，做不出能被反復(fù)拉伸和扭曲的人造人類韌帶。

在過去的二十年里，研究者們反復(fù)探索能生成、培育被反復(fù)拉伸的人造肌腱細(xì)胞的方法。然而，到此前為止，未能產(chǎn)生可用于臨床移植的、有完全功能的研究成果。

不過研究人員稱，一種新的組織制造方法有可能改變這些探索的前景：在一個(gè)可移動(dòng)的人形機(jī)器人骨架上培養(yǎng)肌腱細(xì)胞。

通常情況下，用于這種再生醫(yī)學(xué)的人造人體細(xì)胞是在靜態(tài)環(huán)境中生長的。一般是在培養(yǎng)皿和微型三維支架上。

過去的一些實(shí)驗(yàn)表明，人造細(xì)胞可以在像鉸鏈這樣的移動(dòng)結(jié)構(gòu)上生長，但這些實(shí)驗(yàn)只在單一方向上拉伸或彎曲人造組織。

不過來自牛津大學(xué)和機(jī)器人公司Devanthro的研究者們認(rèn)為，如果你想制造像肌腱或肌肉一樣多方向移動(dòng)和彎曲的人體組織，最好是盡可能準(zhǔn)確地重現(xiàn)它們的自然生長環(huán)境。

當(dāng)然，在一個(gè)真實(shí)的人身上培養(yǎng)各種供他人使用的可移植組織，會(huì)引發(fā)各種法律上、技術(shù)上、道德上的困難。

因此，他們決定仿造人體的移動(dòng)關(guān)節(jié)部位的肌肉-骨骼構(gòu)造，制造一個(gè)能和關(guān)節(jié)同樣運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人骨架結(jié)構(gòu)。

2022年5月26日，牛津大學(xué)和機(jī)器人公司Devanthro的研究團(tuán)隊(duì)在Nature子刊上發(fā)表論文，闡述了此項(xiàng)目的成果。

研究者們改編了Devanthro公司出品的開源人形機(jī)器人骨架，并為細(xì)胞生成任務(wù)開發(fā)了一個(gè)特別定制的生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器可以安裝在機(jī)器人骨架上，根據(jù)需要扭轉(zhuǎn)和彎曲。

牛津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人Pierre-Alexis Mouthuy表示：「臨床需求顯而易見，如果我們能在體外創(chuàng)造出質(zhì)量足夠好的移植物來用于臨床，這將對(duì)改善患者的治療效果有很大幫助。任何改進(jìn)都是非常受歡迎的。」

軟性反應(yīng)器+升級(jí)機(jī)器人，長出能用的人類肌腱

實(shí)驗(yàn)第一步是重新設(shè)計(jì)容納人造細(xì)胞生成物的生物反應(yīng)器，使其可以連接到一個(gè)人形機(jī)器人的肩部結(jié)構(gòu)上。

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)可以仿效人類肩關(guān)節(jié)移動(dòng)，這樣就可以用真實(shí)的方來式彎曲、拉推、抻展人造的肌腱組織。

過去的生物反應(yīng)器都是堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的盒狀物，而研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)彈性的生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)器中，人體細(xì)胞在一個(gè)軟性塑料支架上生長，而支架懸掛在兩個(gè)剛性塊錨點(diǎn)之間。

直觀的視覺效果是，軟性塑料支架就是一串串可生物降解的細(xì)絲，在兩個(gè)錨點(diǎn)之間伸展開，就像一束頭發(fā)。整個(gè)結(jié)構(gòu)被包裹在一個(gè)類似氣球的外膜中，構(gòu)成彈性生物反應(yīng)器。

然后，研究者在這些毛發(fā)狀的軟性塑料導(dǎo)管中播種了人類成纖維細(xì)胞（結(jié)締組織中的修長細(xì)胞），并在生物反應(yīng)器腔室內(nèi)注入了旨在促進(jìn)細(xì)胞生長的營養(yǎng)液。

研究者將這個(gè)彈性生物反應(yīng)器腔室連接到機(jī)器人肩膀上，開始培育人造細(xì)胞生長。

本研究中所使用的柔性生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與性能

而運(yùn)動(dòng)軟件代碼升級(jí)過的機(jī)器人，會(huì)每天用半小時(shí)復(fù)制人類會(huì)做出的各種抬高、降低和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。如此持續(xù)14天，用科學(xué)的方式長出能伴隨這些動(dòng)作的人造肌腱組織。

如此操作的效果是，研究人員發(fā)現(xiàn)彈性生物反應(yīng)器中的細(xì)胞，比未被拉伸的樣本繁殖得更快，而且二者表達(dá)的基因也不同，盡管供體源頭是相同的。

研究人員還不知道這意味著移植物的品質(zhì)將會(huì)如何。

研究團(tuán)隊(duì)打算的下一步，是觀察在新型彈性生物反應(yīng)器中生長的細(xì)胞，與在傳統(tǒng)剛性生物反應(yīng)器中生長的，各種生物功能表現(xiàn)相比如何。

有望拯救過去只有6成治愈率的韌帶撕裂患者

如果連人類的韌帶組織都能生成了...

那估計(jì)像什么韌帶拉傷、肌腱撕裂在未來可能都不叫事兒了。

專家指出，該項(xiàng)技術(shù)可以用來生成人體組織來修復(fù)撕裂的肩袖肌腱，這算是一種非常常見的肩部損傷。

而這種傷勢(shì)產(chǎn)生的方式也有很多，運(yùn)動(dòng)時(shí)稍不注意、或是患有肌腱炎等疾病都有可能導(dǎo)致肩袖肌腱撕裂。

在之前，外科醫(yī)生都是用縫合線來將斷裂的肌腱重新接回到骨骼上去。但是，因?yàn)榧‰炜赡軙?huì)出現(xiàn)愈合不良的問題，所以傳統(tǒng)的方式大概只有60%的成功率。

而新技術(shù)的到來將能顯著提高手術(shù)成功率——機(jī)器人結(jié)構(gòu)上現(xiàn)在能長出可直接移植的肌腱組織了。

在組織的培養(yǎng)過程中所應(yīng)用的人形生物反應(yīng)器系統(tǒng)與相應(yīng)的加載機(jī)制

但是，這項(xiàng)技術(shù)在距離完全投入臨床使用之前，還有一段路要走。

不過，該技術(shù)還有別的應(yīng)用空間。比方說，在生物反應(yīng)器中生成更好的肌肉和彈性組織。

研究人員表示，機(jī)器人可以根據(jù)每個(gè)病人不同的生理機(jī)能生成各種彈性的身體組織，類似于「定制」自己的韌帶。

但這里存在一個(gè)隱患。那就是，雖然研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)觀察到了生物反應(yīng)器中不斷被施力運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞，與在靜態(tài)環(huán)境中培養(yǎng)出來的細(xì)胞存在一些差異，但他們并不確定這些差異究竟是好是壞。

該項(xiàng)目的首席研究員、牛津大學(xué)的Pierre-Alexis Mouthuy表示，他的團(tuán)隊(duì)記錄了二者間存在的某些特定基因的差異。

但如果想把這些觀察到的結(jié)果應(yīng)用在臨床上，用最樂觀的口吻來說，也欠明晰。

細(xì)胞材料結(jié)構(gòu)的生物學(xué)特性

Mouthuy表示，「我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人肩部的不同動(dòng)作模式，會(huì)給生成的細(xì)胞帶來差異。但誰也不敢保證這些差異是不是意味著帶來更好的產(chǎn)物。

我們并沒有說這套系統(tǒng)比其它的要強(qiáng)，或是有一套特定的運(yùn)動(dòng)模式比其它的好。我們只是在展示概念的可行性?！?/p>

但是，話說回來，該團(tuán)隊(duì)確實(shí)已經(jīng)證明了在機(jī)器人骨骼中生長細(xì)胞肯定是可行的。目前的問題就是，是否值得花時(shí)間來這樣做。

不過，在論文中，研究人員還是對(duì)該技術(shù)的前景做了一些比較樂觀的猜測(cè)。

他們認(rèn)為，在未來，醫(yī)生可以先對(duì)患者的身體進(jìn)行詳細(xì)的掃描，獲得每個(gè)病人關(guān)節(jié)的詳細(xì)細(xì)節(jié)。這樣就可以更好的獲得更精確的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，以此生成更契合的人體肌腱等組織，然后進(jìn)行手術(shù)。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s44172-022-00004-9

https://www.technologyreview.com/2022/05/26/1052820/robotic-shoulder-grow-usable-human-tissue-cells/

https://www.theverge.com/2022/5/26/23142769/tissue-engineering-growing-cells-mobile-robot-skeleton