Dans une étude récente publiée dans Science avancée, les scientifiques ont développé et caractérisé de petits anthrobots à partir de cellules pulmonaires humaines adultes. Ces anthrobots sont capables de se déplacer dans une boîte de culture et de déclencher le processus de cicatrisation des neurones humains en culture.
Étude: Les biobots vivants mobiles s’auto-construisent à partir de cellules de graines progénitrices somatiques humaines adultes. Crédit d’image : Microgen/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
De novo le développement des structures biologiques a retenu une attention considérable au cours de la dernière décennie. Les biobots, qui constituent une classe particulière de structures synthétiques mobiles, sont l’un des exemples de ces efforts. Certains exemples de biobots incluent des structures hybrides composées de substances chimiques inertes, telles que des gels ou des échafaudages imprimés en trois dimensions (3D), et des cellules de mammifères vivantes, des bactéries ou des lignées cellulaires modifiées créées pour amplifier les fonctions intrinsèques des cellules biologiques.
Le premier biobot entièrement biologique a été développé en assemblant des cellules embryonnaires de cœur et de peau de grenouilles africaines, ce qui a conduit à la formation d’une structure organoïde avec des cils. Les cils sont de minuscules structures ressemblant à des cheveux, présentes à la surface des cellules des mammifères, qui jouent un rôle essentiel dans la locomotion. Cet organoïde alimenté par des cils était capable de se déplacer sans aucune force extérieure.
Malgré ces progrès, des inquiétudes subsistent quant à la possibilité d’un rejet immunologique de ce biobot amphibien par le système humain. Pour surmonter ce défi, les scientifiques de la présente étude ont développé des biobots multicellulaires, auto-construits, entièrement biologiques et mobiles à partir de cellules épithéliales bronchiques humaines adultes, appelées « anthrobots ».
Développement et caractérisation des anthrobots
Les cellules épithéliales bronchiques humaines (NHBE) ont été utilisées pour développer des anthrobots en raison de leur plasticité inhérente et de la présence de cils à la surface des cellules qui les aident à se déplacer d’avant en arrière. Ces cellules ont été isolées de donneurs et incorporées dans une structure d’échafaudage 3D obtenue à partir de tissus de rat et ressemblaient à l’environnement bronchique humain.
Les cellules se sont multipliées et ont formé de petits organoïdes après deux semaines de culture ; cependant, les cils des cellules se trouvaient à l’intérieur de ces organoïdes et ne pouvaient donc pas participer à la locomotion. Par la suite, la composition chimique des milieux de croissance de culture cellulaire a été modifiée, ce qui a conduit au développement réussi de cils à la surface de l’organoïde.
Malgré une composition génétique similaire, les organoïdes différaient par leur forme et leur taille, car ils étaient de forme sphérique ou ellipsoïdale avec des diamètres compris entre 30 et 500 microns. Les cils étaient soit placés sur toute la surface cellulaire, soit regroupés en zones distinctes.
La taille, la forme et l’emplacement des cils sur les organoïdes dépendent principalement de l’emplacement dans la matrice où les cellules s’installent, ainsi que de la viscosité du milieu de croissance. De plus, le schéma de mouvement de ces organoïdes était déterminé par leurs caractéristiques morphologiques. En fonction de leur forme, de leur taille et de l’emplacement de leurs cils, les organoïdes individuels présentaient des modèles de motilité distincts allant de boucles serrées à des lignes droites et des vitesses de cinq à 50 microns par seconde.
Les cellules épithéliales bronchiques humaines s’autoconstruisent en architectures vivantes multicellulaires mobiles. A) Flux de travail pour la production d’Anthrobots. La transition apical-in-apical-out des cellules NHBE est facilitée en les cultivant d’abord dans une matrice extra cellulaire (ECM) dans des conditions induisant une différenciation appropriées, pendant lesquelles les sphéroïdes apical-in s’auto-construisent à partir de cellules uniques a.1), et à la fin de cette période de 14 jours a.2) en libérant les sphéroïdes matures de l’ECM a.3) et en continuant à les cultiver dans un environnement peu adhésif. B) Images de contraste de phase d’un sphéroïde apical-in b.1) et apical-out b.2), capturés immédiatement après la dissolution de l’ECM (jour 0) et 7 jours après la dissolution (jour 7), respectivement. Les sphéroïdes du jour 0 ne montrent aucune motilité, tandis que les sphéroïdes du jour 7 présentent une motilité considérablement accrue. C) Pourcentage de sphéroïdes cumulatifs (fraction totale de sphéroïde mobile depuis le jour 0) et nouvellement mobiles (fraction de sphéroïde mobile qui a atteint la motilité depuis le point de temps précédent) dans les 3 semaines suivant la dissolution. Sur les 2 281 sphéroïdes caractérisés au total, ≈50 % n’ont systématiquement montré aucun signe de motilité (bien que la plupart aient des cils) au cours de cette période de 3 semaines et sont appelés non-déménageurs. Les données présentées sur ce graphique incluent uniquement les robots mobiles, N = 1127. D) Immunocoloration de deux sphéroïdes distincts du jour 0 et du jour 7 avec l’a-tubuline (marqueur de cils), Zonula occludens (ZO) -1 (marqueur de jonction serrée) , et la coloration nucléaire 4′,6-diamidino-2-phénylindole (DAPI). La quantité de cellules multiciliées sur la surface sphéroïde montre une augmentation drastique au jour 7. E) Un anthrobot au jour 7 avec des informations sur la profondeur pour montrer la couverture complète des cils. Les robots des panneaux D, E ont été immunocolorés avec de l’α-tubuline (marqueur de cils), du ZO-1 (marqueur de jonction serrée) et du DAPI (coloration nucléaire). Les couleurs représentent la profondeur des tissus. Toutes les barres d’échelle de cette figure comportent 50 um.
Évaluation fonctionnelle des anthrobots
Les scientifiques ont cherché à savoir si ces anthrobots pouvaient interagir avec les cellules humaines. À cette fin, un test de grattage, une méthode bien établie pour évaluer la cicatrisation des plaies, a été réalisé sur des cellules nerveuses humaines.
À cette fin, des cellules nerveuses humaines ont été cultivées et « blessées » en grattant la couche cellulaire. Après cela, les cellules nerveuses ont été traitées avec des anthrobots, ce qui a ensuite déclenché une réparation rapide de la zone touchée.
Pour initier le processus de cicatrisation des plaies, des assemblages de « superbots » ont été développés en permettant aux anthrobots de s’auto-agréger et de former de grandes structures. Ces superbots ont été placés le long de l’égratignure pour leur permettre de couvrir toute la largeur de l’égratignure et de « relier » les deux côtés de la plaie comme un point mécanique. En 72 heures, une repousse significative des cellules nerveuses sous le « pont du superbot » a été observée, conduisant ainsi à une cicatrisation des plaies, comme en témoigne la fermeture de l’espace.
Importance de l’étude
La présente étude décrit le développement et la caractérisation d’anthrobotes biologiques multicellulaires de forme sphéroïde dotés de capacités locomotrices et de propriétés de réparation tissulaire. À l’avenir, la capacité fonctionnelle de ces anthrobots pourra être améliorée en modifiant leur génome pour les fonctions souhaitées, telles que l’administration de médicaments. De plus, ces anthrobots peuvent être utilisés à des fins de dépistage de médicaments et de compréhension des interactions médicament-maladie.
