体外培养人体组织,用机器人骨架更方便

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05-27 21:12

在一些与医疗相关的影视作品总是能看到器官移植手术,利用人体自身的修复能力,某些组织就能实现再生。除了这种方式,其实有些人体组织也可以在体外进行培养再移植,不过这一领域的发展还在起步阶段。

▲图片来自:Lonza Bioscience

体外组织培养发展受限的原因之一就是适配性。在静态环境中培育出的组织,与人体部分的形状匹配并不容易,即便是可以依靠铰链等结构进行辅助,通常也只能在一个方向上对组织进行拉伸或弯曲。

▲图片来自:Unsplash

于是牛津大学和机器人公司 Devanthro 的研究人员想出了一个不同的方案:如果想培育像肌腱或肌肉一样能够移动和弯曲的物质,那最好尽可能准确地重建它们的自然生长环境,比如造一个近似人体的环境(这项研究已刊登在 Nature Portfolio 的期刊《Communications Engineering》中)。

▲图片来自:FISHER STUDIOS

研究人员采用了由 Devanthro 工程师设计的开源机器人骨架,选择肩关节作为培养组织的部位,并为可以安装到骨架中来根据需要进行弯曲的组织定制了一个生长环境(这种生长环境被称为生物反应器)。

Devanthro 一开始设计的人形手臂,包括一个简化的球窝关节和 9 个肌肉执行器。之后又进行了改动,经过调整的 MSK(肌肉骨骼)肩部比原始模型更接近人体肩部的解剖结构。

▲ 图片来自:《Communications Engineering》

实验中,研究人员将人类细胞播种在毛发状细丝上,并在腔室中注入一种促进生长的富含营养的液体,这些细胞在经过一段时间内的生长后,还需要在仿制的人体肩部上每天进行 30 分钟的日常锻炼。

一段时间后,通过与在静态环境中培育的组织相比,研究人员发现,在仿人骨架上培育的组织观察到最快的细胞增殖。即便施加的力程度有所不同,但细胞都显示出高度拉长的形态。

▲图片来自:《Communications Engineering》

由此,研究人员认为,使用 MSK(肌肉骨骼)仿人机器人通过在柔性生物反应器室中培养细胞来支持肌腱组织工程是可行的,生物反应器可以在仿人机器人手臂上进行机械刺激。

虽然这项研究的发展潜力究竟如何还有待进一步的研究,但从目前的表现来看,它能克服当前生物反应器系统存在的局限。

▲图片来自:FISHER STUDIOS

比如它可用于生产组织来修复肩袖肌腱撕裂,引起撕裂这一常见肩部问题的肌腱炎,也是成人肩部疼痛的最常见原因。通常医生会使用缝合线将断裂的肌腱重新连接到骨骼上,但约 40% 的病例会因为组织愈合不良而修复失败。如果使用类人机器人刺激生长的组织移植物,可能会更成功地愈合。

▲图片来自:Medical News Today

类似的方法还可以扩展到其他肌腱(即针对身体的不同位置)甚至其他组织(骨骼、韧带、肌肉等)上。除了组织工程应用外,类人生物反应器系统也有可能成为先进的体外培养模型,用于测试细胞、药物和生物材料等。

研究人员还认为,这些类人机器人可以根据患者自身的生理机能制造,这样就能个性化地对组织进行培养。

值得一提的是,尽管仿人生物反应器有自己的优势,但研究它目的并不是打算取代现有的类似平台或方案,而是希望能填补尚未解决的临床转化途径中的空白。

 

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