马斯克预言的纳米机器人出现！体内降解的微型机器人将改变干细胞治疗规则！

摘要：干细胞可以分化成各种类型的靶细胞，分化的细胞可以再生或修复受损组织，使其丧失的功能得以恢复。因此，干细胞治疗是一种潜在有效的下一代治疗方法，可以治愈或预防多种疾病，包括神经退行性疾病、糖尿病、关节炎等。然而，传统的干细胞治疗递送系统如静脉注射和手术植入，均存在副作用和局限性，例如递送效率低、干细胞迁移不当、出血、感染和细胞的全身性暴露。微创和有针对性的精确递送系统将提高干细胞治疗的功效，并通过有效利用干细胞来减少副作用。磁动力微型机器人可以在小范围内以高精度进行远程控制，使用外部磁场将各种治疗剂准确地输送到目标区域，因而在靶向治疗方面具有巨大潜力。通过3D激光光刻和金属沉积工艺制造的3D螺旋形和球形微型机器人在生理环境中具有高推进效率的磁可控性。但是，这些微型机器人因制造耗时，步骤复杂，极大地限制了其批量生产；此外，尽管这些微型机器人具有生物相容性，但多数制造材料不可生物降解。

‍甲基丙烯酸明胶（GelMA）可在生物环境中分解，且具有较低细胞毒性及较好的光固化性能，因此GelMA可用于生物医学工程，包括微型机器人的生产。此外，GelMA结构可以被巨噬细胞、单核细胞、滑膜细胞和上皮细胞分泌的胶原酶选择性酶促降解。最近报道了通过双光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）制造的基于GelMA的微型机器人。虽然TPP可用于相对较快地制造纳米级复杂的3D结构，但用于细胞运输的微型机器人需要微米级结构来输送超过10 µm的细胞，但要批量生产这些微型机器人仍需要较长时间；此外，TPP工艺还受到分散在光固化树脂中的磁性纳米粒子（Magnetic nanoparticles，MNP）浓度的影响：MNP浓度高时，影响光固化树脂聚合，无法大规模生产3D结构；MNP浓度低时，微型机器人无法被外部磁场有效操作。
2022年6月23日，韩国大邱庆北科学技术大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员在Small发表题为“A Biodegradable Magnetic Microrobot Based on Gelatin Methacrylate for Precise Delivery of Stem Cells with Mass Production Capability”的研究成果（图1）[1]。研究结果表明可生物降解的GelMA微型机器人可装载干细胞，并可由外部磁场控制移动到目标位置，且被运输到靶向位置的干细胞可增殖分化为目的细胞类型。
图1 研究成果（图源：[1]）
此项研究开发了一种基于磁控GelMA的可生物降解微型机器人（以下简称GelMA微型机器人），GelMA微型机器人专为干细胞输送而设计，并可被外部磁场控制，且采用简单的微流体装置制造。微流体装置可以快速产生许多微尺度液滴，并且可以在制造过程中通过调节两种不混溶流体的流速来改变液滴尺寸。液滴混合物包含GelMA、光引发剂和SPIONs（Fe₃O₄，15-20 nm），可生物降解且可通过光固化，形成微流控芯片。该系统以每分钟100个的速度制造GelMA微型机器人，这比使用现有的双光子聚合方法制造微型机器人快一万倍以上（图2）。
图2 使用液滴发生器制造GelMA可生物降解微型机器人（图源：[1]）

结果发现：01生物相容性：人类鼻甲干细胞在一天内即可附着在GelMA微型机器人上
研究人员将人类鼻甲干细胞（Human nasal turbinate stem cells，hNTSC）和GelMA微型机器人在U型底96孔微孔板中一起孵育。由于GelMA的细胞粘附特性和微孔板的抗细胞粘附处理，大部分细胞在1天内附着在GelMA微型机器人上（图3a）。共聚焦显微镜图像显示hNTSC附着在GelMA微型机器人上（图3b和3c）。在细胞附着后的第1天进行活/死细胞成像，发现GelMA微型机器人表面装载的大部分细胞都是活的，细胞活力测定也证明了GelMA微型机器人的生物相容性（图3d）。与对照组相比，微型机器人组的细胞活力没有显著降低（图3e）。
图3 GelMA微型机器人表面周围hNTSC的附着和生物相容性（图源：[1]）
02磁性操控：GelMA机器人可响应外部磁场，并可移动到所需的位置
通过改变外部磁场的方向产生磁力矩，微型机器人开始在基板上滚动（图4c）。装载细胞的GelMA微型机器人，由2 Hz，20 mT旋转磁场手动控制，能够进行复杂的运动并成功书写字母“MR”（图4d）。在磁操作过程中，既没有观察到hNTSC细胞脱离或损伤，也没有观察到GelMA微型机器人失控（图4e和4f）。尽管在微流体通道中进行了10分钟的操作，但与对照组（无磁操作）相比，未观察到细胞活力的显著下降。因此，GelMA微型机器人的磁性操作不会显著影响hNTSC的活力或稳定性。
图4 GelMA微型机器人的表征和磁性操纵（图源：[1]）
03生物降解及干细胞增殖分化：GelMA微型机器人可酶促降解且搭载的hNTSCs可分化
在37℃的细胞培养基中加入0.1 mg mL-1的胶原酶，发现没有装载干细胞的微型机器人完全降解，并在6小时内释放SPION（图5a）。装载细胞的GelMA微型机器人在6小时内也表现出酶促生物降解，并释放hNTSC和SPION（图5b）。SPION不会改变细胞功能、活力或形态，且可被外部磁场引导收集。通过使用间充质干细胞（Mesenchymal stem cell，MSC）神经源性分化培养基诱导hNTSCs的分化，研究人员发现从GelMA微型机器人释放的hNTSCs分化为神经元谱系（图5c）。
图5 GelMA微型机器人的生物降解，以及hNTSCs的增殖和分化（图源：[1]）

为确认GelMA微型机器人递送的干细胞是否表现出正常的电学和生理学特性，研究人员使用了从稳定发射电信号的大鼠胚胎中提取的海马神经元。将相应的细胞贴在GelMA微型机器人表面，并在微型电极芯片上培养28天，观察海马神经元的电信号。初级海马神经元的电生理活动显示信号是由海马神经元产生的（图4d）。这些原代海马神经元成功地附着在电极上并显示出自发的神经活动，证明了GelMA微型机器人输送的干细胞在现有神经细胞之间的连接断开的状态下可正常发挥桥梁作用，反应了可生物降解的GelMA微型机器人在干细胞输送方面的潜力。
此项研究创造了一种由外部磁场控制的用于干细胞递送的GelMA微型机器人。由于所使用的流动聚焦液滴发生器具有制造工艺的优势，可以以高速和低成本大规模生产具有SPION的GelMA微型机器人。这种大规模生产对于用于生物医学领域的微型机器人的实际应用和商业开发是必要的。本研究的结果证明了使用GelMA微型机器人作为用于移植的靶向干细胞递送平台的可能性。总体而言，可生物降解的GelMA微型机器人具有良好的实际生物医学应用潜力，包括再生医学、靶向细胞/药物/基因传递和组织工程。
通讯作者Choi Hongsoo教授表示：“这项研究开发的技术实现了微型机器人的量产、电磁场的精确操作、干细胞的递送和分化等，这些都将在未来显著提高靶向精准治疗的效率。”

撰文|文竞择

排版|风立宵

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参考资料：

[1]Noh S, Jeon S, Kim E, et al. A Biodegradable Magnetic Microrobot Based on Gelatin Methacrylate for Precise Delivery of Stem Cells with Mass Production Capability. Small. 2022 Jun;18(25):e2107888. doi: 10.1002/smll.202107888. Epub 2022 May 23. PMID: 35607749.

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