Durch die Kombination von Biologie und Robotik haben Wissenschaftler der EPFL eine robotergestützte mikrochirurgische Plattform geschaffen, mit der hochpräzise Dissektionen mit mikrometrischer Auflösung durchgeführt werden können, um die Körperbildung von Wirbeltieren während der Embryonalentwicklung besser zu verstehen.
Die biologische Entwicklung eines Embryos zu verstehen, ist nicht nur aus Sicht der Grundlagenwissenschaften, sondern auch aus medizinischer Sicht von entscheidender Bedeutung. Wir benötigen jedoch Werkzeuge, die uns bei der Erforschung der Embryonalentwicklung systematisch unterstützen.
"Der grundlegende experimentelle Ansatz in der Embryologie ist die Mikrochirurgie", erklärt Andy Oates von der Fakultät für Biowissenschaften an der EPFL. "Früher wurde sie jedoch mit einem Mikroskop und sehr einfachen Werkzeugen wie Kaktusdornen oder geschärften Drahtstücken durchgeführt. Auch unsere natürliche Neigung, mit den Händen zu zittern, macht die Mikrochirurgie für manche Menschen schwierig. Es erfordert eine jahrelange Ausbildung und nur wenige Menschen sind in der Lage, dies zu tun. Der Ertrag ist daher sehr gering".
Robotik und Biologie kombinieren
Um die derzeitigen Grenzen der mikrochirurgischen Techniken zu überwinden, schloss sich Andy Oates mit Professor Selman Sakar von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik zusammen, einem Experten für Mikrotechnologie und Robotik im kleinen Maßstab. "In meinem Labor haben wir robotergestützte Werkzeuge für die Mikromanipulation von Gewebe entwickelt", erklärt Selman Sakar. "Zusammen mit Andy [Oates] haben wir uns gefragt, ob wir einige dieser Werkzeuge nutzen können, um die embryologische Forschung im Allgemeinen zu erleichtern, sie zuverlässiger zu machen und ihren Ertrag zu steigern. Und in diesem Fall, um die Biomechanik der Gewebemorphogenese [die Formgebung und Strukturierung eines sich entwickelnden Gewebes] beim Zebrafisch zu verstehen."
Beide Professoren erhielten eine Finanzierung für ein iPhD -Programm , ein spezialisiertes Doktorandenstipendium der EPFL, das die Forschung in den Biowissenschaften mit einer anderen Disziplin verbindet. Die iPhD-Kandidatin Ece Özelçi hat sich sowohl in der Robotik als auch in der Entwicklungsbiologie ausbilden lassen.
"Ich finde, es ist ein hervorragendes Programm. Ohne das hätte ich nie so eine interdisziplinäre Forschung betrieben", erklärt sie. "Es war ziemlich intensiv. Es ist nicht so, dass man sich nur auf eine Disziplin konzentriert. Ich habe in beiden Bereichen viel gelernt und ich denke, dass dies wirklich eine großartige Gelegenheit ist, eine einzigartige Kombination von Fähigkeiten zu erwerben."
...unsere Forschung ermöglicht es uns, Reverse Engineering an Entwicklungsprogrammen für Tissue Engineering durchzuführen
Eine neue Roboterplattform
In einem in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel erklären die Forscherinnen und Forscher, dass die neue Plattform für die "robotergestützte Mikromanipulation von Gewebe" bestimmt ist. Sie ist kompakt (200 x 100 x 70 mm3), hochauflösend (4 nm Position und 25 u° Rotation) und präzise, mit mehreren Freiheitsgraden. Dieses Werkzeug kann sich automatisch, ohne manuellen Eingriff und mit hoher und reproduzierbarer Stabilität positionieren.
Die Forscherinnen und Forscher ließen sich von mikrochirurgischen Systemen inspirieren, die in der Augenheilkunde und der Neurologie eingesetzt werden. Diese sind ebenfalls sehr kompakt und präzise und basieren ebenfalls auf Mikroskopen, auch wenn die beobachteten Elemente oft größer als ein Embryo sind.
Die Wissenschaftler testeten die Fähigkeiten der Plattform im Rahmen der Untersuchung der Verlängerung der Körperachse des Zebrafischembryos. "Unser Labor untersucht die Bildung der Wirbelsäule und insbesondere die Verlängerung, Entwicklung und Segmentierung des Körpers", sagt Andy Oates. "Wir verwenden den Embryo des Zebrafisches als Modell. Die Idee dahinter ist, zu untersuchen, welchen Beitrag die verschiedenen Teile des Embryos zum Entwicklungsprozess leisten. In diesem Fall untersuchen wir, wie sich die Embryonen verlängern und segmentieren und wie diese beiden Prozesse interagieren. Unser Ansatz besteht darin, die Verlängerung und die Segmentierung durch Mikrochirurgie physisch zu trennen und zu sehen, wie jeder Prozess funktioniert, wenn der andere nicht vorhanden ist".
Mithilfe der Plattform konnten Ece Özelçi und ihre Kollegen gezielt bestimmte Bereiche des Zebrafischembryos anvisieren. Mithilfe der robotergestützten Mikrochirurgie konnten sie den verlängerten Schwanz des Embryos entfernen und separat wachsen lassen - ein Prozess, der Explantation genannt wird und häufig in der embryologischen Forschung eingesetzt wird.
Unser Ansatz besteht darin, die Dehnung und die Segmentierung durch Mikrochirurgie physisch zu trennen und zu sehen, wie jeder Prozess funktioniert, wenn der andere nicht vorhanden ist.
Die Studie hat ein erstaunliches Verhalten des Rückenseils des Embryos aufgedeckt, das als frühe "Wirbelsäule" für die Larve dient, wenn sie zu schwimmen beginnt. "Die Rückensehne drückt so stark in das Innere des Schwanzes, dass dieser sich verformen kann", erläutert Andy Oates. "Normalerweise sollte sich der Embryo uniaxial verlängern, aber nachdem wir den Prozess physisch gestoppt hatten, dehnte sich die Rückensehne weiter aus und erzeugte so Druckspannungen, die zu ihrer Verformung führten."
Biologie im Dienste der Technik und umgekehrt
"Neben der Embryologie ermöglicht uns unsere Forschung auch das Reverse Engineering bei Entwicklungsprogrammen für die Gewebezüchtung", sagt Selman Sakar. "Wenn wir verstehen, wie Kräfte die Morphogenese von Gewebe antreiben, könnten wir diese Bedingungen mit in vitro erzeugtem Gewebe reproduzieren. Ebenso wie biochemische Faktoren ist die Bereitstellung einer geeigneten mechanischen Umgebung und von Signalen entscheidend für das Wachstum und die Funktion von Gewebe.
"Wir möchten auch biologische Maschinen herstellen, die dazu bestimmt sind, bestimmte technische Aufgaben zu erfüllen. Zum Beispiel würden wir gerne Miniaturherzen entwerfen, die als organische Pumpen dienen und eine viel einfachere Architektur als ein echtes Herz haben. Zu diesem Zweck liefert die robotergestützte Mikrochirurgie nicht nur die Konstruktionsprinzipien, sondern auch die Mittel zur Herstellung von Maschinen aus lebender Materie durch mechanisch geführte Selbstmontage."
Aber werden diese Plattformen auch häufiger eingesetzt werden? "Ich glaube, dass diese robotergestützten Mikromanipulationswerkzeuge in jedem Labor für Biowissenschaften unverzichtbar sein werden", sagt Selman Sakar. "Unabhängig vom gewählten biologischen Modell, von der einzelnen Zelle bis hin zu Organismen, können Robotik und Automatisierung den Wissenschaftlern mehr Möglichkeiten eröffnen."
"Medizinische Roboter sind sehr fortschrittlich", fügt er hinzu. "Es ist an der Zeit, dass die biomedizinische Forschungsgemeinschaft von den einzigartigen Fähigkeiten der chirurgischen Robotik profitiert. Die automatisierte Handhabung biologischer Proben wird den Durchsatz, die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der Datenerfassung erhöhen und gleichzeitig Verfahren demokratisieren, die feine Fertigkeiten und jahrelange Erfahrung erfordern. In Verbindung mit intelligenter Bildgebung und Mikroskopie sind die Möglichkeiten endlos".
ReferenzenEce Özelçi, Erik Mailand, Matthias Ruegg, Andrew C. Oates, Mahmut Selman Sakar. Deconstructing body axis morphogenesis in zebrafish embryos using robot-assisted tissue micromanipulation. Nature Communications 24. Dezember 2022. DOI: 10.1038/s41467’022 -35632-4
