Nature重磅 在机器人骨架上首次生成人类肌腱细胞

新智元导读】

近日，牛津大学和Devanthro公司携手带来科技震撼！他们的研究团队成功在机器人骨架上生成弹性的人类肌腱细胞，这一成果于2022年5月26日在Nature子刊上发表论文。这项突破意味着机器人的发展已不仅仅局限于完成人类的工作，而是能够模拟人类身体的一部分，生成真实可用的人类器官。

这一技术的核心在于，牛津大学与Devanthro公司开发的机器人骨架，其上生成的人造人类肌腱组织不仅可拉伸、按压和扭曲，更有可能为未来医学移植带来革命性的改变。这一技术的出现，解决了长达二十年的难题：生成可用的人造韧带。尽管人工培养人体细胞的组织制造技术尚处于起步阶段，但已有人体细胞样本培育的皮肤细胞、软骨、甚至气管成功植入患者体内。生成可用的人造肌腱细胞一直是这一领域的难题。过去的研究虽然尝试了各种方法，但始终未能产生可用于临床移植的、功能完全的组织。

牛津大学和Devanthro公司的研究人员提出了一种全新的组织制造方法。他们不再在静态环境中培育人造人体细胞，而是在一个可移动的人形机器人骨架上培养肌腱细胞。他们认为，为了制造出像肌腱或肌肉一样能够在多个方向上移动和弯曲的人体组织，需要尽可能准确地重现其自然生长环境。于是他们选择仿造人体的移动关节部位的肌肉-骨骼构造，制造了一个能和关节同样运动的机器人骨架结构。这一创新的机器人骨架被安装在了一个特别定制的生物反应器上，该生物反应器可以根据需要扭转和弯曲。

该研究团队的领头人Pierre-Alexis Mouthuy表示：“如果我们能在体外创造出质量足够好的移植物来用于临床，这将极大改善患者治疗效果。”他们设计的弹性生物反应器与升级后的机器人相结合，使得生成的人造肌腱能够在真实的模拟人体环境中生长。过去生物反应器都是坚硬的盒状物，而此次他们设计了一个弹性的生物反应器结构，在其中人体细胞在一个软性塑料支架上生长。这个支架被悬挂在两个刚性块锚点之间，并注入营养液以促进细胞生长。整个结构被包裹在一个类似气球的外膜中，构成弹性生物反应器。随后，研究者在这些软性塑料导管中播种了人类成纤维细胞，并开始培育人造细胞生长。运动软件代码升级过的机器人会模拟人类的各种动作，为细胞生长提供真实的动态环境。

这一技术的潜在应用前景广阔，有望拯救过去治愈率只有60%的韧带撕裂患者。未来，这项技术甚至可能让诸如韧带拉伤、肌腱撕裂等常见损伤变得不再可怕。专家指出，该技术有望用于生成人体组织来修复撕裂的肩袖肌腱等常见肩部损伤。而这一技术的不断进步，也将为我们带来更多的医疗奇迹和无限可能。肩袖肌腱撕裂这一伤势的来源颇为复杂，可能是在运动中不慎造成的，也可能是由于疾病如肌腱炎等长期影响所致。对于这样的问题，过去的处理方式往往是外科医生利用缝合线将断裂的肌腱重新接回骨骼。这种传统方法存在愈合不良的隐患，成功率仅在六成左右。

如今，新技术的曙光已经出现，带来了一种革命性的改变。借助先进的机器人技术，我们现在可以培育出可直接用于移植的肌腱组织。在这个过程中，研究者们使用了一种人形生物反应器系统，并结合了特定的加载机制。虽然这项技术尚未达到完全投入临床使用的阶段，但其在生物组织制造方面的潜力已经开始引起人们的广泛关注。

除了用于修复肩袖肌腱撕裂，这项技术还可以用于生成更好的肌肉和弹性组织。研究人员表示，机器人可以根据每个病人的生理机能来生成具有各种弹性的身体组织，仿佛是在为病人“定制”韧带。这个领域的研究还存在一些未知数。

尽管研究团队已经观察到在生物反应器中受到动态作用的细胞与静态环境下的细胞存在基因层面的差异，但这些差异究竟意味着更好还是更坏，尚无法确定。牛津大学的Pierre- Alexis Mouthuy作为该项目的首席研究员，指出他们正在探索两者之间的差异，但并没有明确的结论可以将这些观察结果直接应用于临床治疗。

尽管如此，该团队已经证明了在机器人骨骼上培育细胞是可行的。目前的关键问题是，这种方法是否值得投入时间和精力去实施。未来，研究人员设想了一种情景：医生可以通过扫描患者的身体，获取关节的详细数据，从而生成与患者身体完美契合的肌腱等组织。通过这一技术，手术的成功率将得到显著提高，为众多患者带来福音。这项技术的未来充满了无限可能，令人期待。