机器人显微外科医生揭示胚胎如何生长

结合生物学和机器人技术，EPFL的科学家们建立了一个机器人显微手术平台，可以执行高精度、微米级分辨率的解剖，以促进我们对脊椎动物在胚胎发育过程中如何形成的理解。

不仅从基础科学的角度，而且从医学的角度，了解胚胎发育背后的生物学都至关重要。然而，我们迫切需要能够帮助我们系统地探索胚胎发育的工具。

“胚胎学最初的实验方法是显微外科手术，”EPFL生命科学学院的AndyOates说。“但它过去是用非常简单的显微镜和非常简单的工具来完成的，比如仙人掌刺或削尖的金属丝。另一个问题是我们的手自然会颤抖，这使得一些人难以进行显微手术。这需要多年的时间培训，只有一部分人可以做到，所以吞吐量很低。”

结合机器人学和生物学

为了解决当前显微外科技术的局限性，Oates与工程学院的显微技术和小型机器人专家SelmanSakar教授联手。“在我的实验室中，我们一直在构建用于组织显微操作的机器人工具，”Sakar说。

“与Andy[Oates]一起，我们问我们是否可以使用其中一些工具来促进胚胎学的一般研究，使其更可靠并提供更高的通量，在这种情况下具体了解组织如何进行的生物力学斑马鱼的形态发生[正在发育的组织的形状和结构]。”

这两位教授获得了iPhD的资助，这是EPFL的一项专业博士奖学金，将生命科学研究与另一学科相结合。iPhD候选人EceÖzelçi接受过机器人学和发育生物学方面的培训。

“我认为这是一个很棒的项目，因为老实说，否则我永远不会做这样的跨学科研究，”她说。“它非常紧张;这不像你只专注于一个学科。我从这两个领域学到了很多东西，我认为如果你想获得一套独特的技能，这是一个非常好的机会。”

一个新的机器人辅助平台

在NatureCommunications上发表的研究人员将新平台的作用描述为“机器人辅助组织显微操作”。它结构紧凑(200x100x70mm3)、高分辨率(4nm位置和25μ°旋转)且灵巧，具有多个自由度。该工具可以自动定位，无需任何人工干预，并且具有高度、可重复的稳定性。

图片来源：洛桑联邦理工学院

研究人员从眼科和神经科的相关显微外科系统中汲取灵感，这些系统也相当紧凑和精确，并且还依赖于显微镜，尽管它们的目标对象通常比胚胎大。

科学家通过使用该平台研究斑马鱼胚胎的体轴伸长来测试该平台的功能。“我们的实验室专注于脊柱如何形成，其中一部分是身体如何伸长、生长和自我分割，”Oates说。

“我们使用斑马鱼胚胎作为模型，其想法是研究胚胎不同部分对发育过程的贡献。在这种情况下，我们研究胚胎如何自我伸长以及它们如何自我分割，以及如何这两个过程相互作用。我们的方法是通过显微手术在物理上分离伸长和分割，并观察当另一个过程不存在时每个过程如何运作。”

使用该平台，Özelçi和她的同事能够瞄准斑马鱼胚胎的精确区域。机器人辅助显微手术使他们能够去除胚胎的伸长尾巴并单独培养它——这一过程称为外植，常用于胚胎学研究。

该研究揭示了胚胎脊索的惊人行为，当幼虫开始游泳时，脊索充当幼虫的早期“骨干”。奥茨说：“脊索在尾巴内部用力挤压，以至于它可以自行弯曲。”“通常情况下，胚胎会单轴伸长，但一旦我们在物理上停止该过程，脊索就会继续伸长，产生导致屈曲的压应力。”

促进工程学的生物学，反之亦然

“除了胚胎学，我们的研究使我们能够对组织工程的发育程序进行逆向工程，”Sakar说。“如果我们了解力如何导致组织形态发生，我们就可以在体外用工程组织复制这些条件。像生化因素一样，提供正确的机械环境和信号对于组织的正常发育和功能至关重要。

“我们也有动力创造旨在执行特定工程任务的生物机器。例如，我们想设计微型心脏作为有机泵，与真正的心脏相比，其结构要简单得多。为此，机器人-辅助显微外科手术不仅提供了构造原理，还提供了通过机械引导的自组装从活体制造机器的方法。”

但是这样的平台会得到更广泛的使用吗?“我设想这种机器人显微操作工具将成为每个生命科学实验室的工具，”Sakar说。“无论选择何种生物模型系统，从单细胞到有机体，机器人技术和自动化都可以为科学家提供支持。”

“医疗机器人相当先进，”他补充道。“现在是将手术机器人的独特功能引入生物医学研究界的时候了。以自动化方式处理生物样本将提高数据采集的吞吐量、精度和可重复性，同时使需要高超技能和多年经验的程序民主化。结合有了智能成像和显微镜，可能性是无限的。”