一周前沿科技盘点㉝｜为实现肢体再生科学家对鹿角做了点功课……逐级悬浮3D打印给“心脏”赋“魂”

北京国际科技创新中心 2023-06-12

收录于合集 #一周前沿科技盘点 44个

人类肢体再生目前还是一种奢望，不过科学家们从不轻言放弃。这一次，他们破译了与人类骨骼生长相似的鹿角再生的秘密，离梦想又近一步；研发微纳机器人，除了向自然界寻求灵感，可能还需要交叉学科带来的巨大脑洞。近期问世的两款微纳机器人，在驱动方式和功能实现上采取了截然不同的两种策略，却达到了殊途同归的效果……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第三十三期。

《Science》｜特有干细胞群！科学家破译鹿角再生之谜

鹿角脱落后再生示意图

人类凭借“优越的大脑”站在地球食物链的顶端，但这并不意味着我们拥 “傲视群雄”的身体机能。例如，很多脊椎动物都具备的附肢再生功能，人类就不具备。为此，科学家展开了各种探索。鹿角是哺乳动物中唯一能在自然情况下周期性完全再生的器官，其再生与哺乳动物长骨发育相似，对鹿角再生能力的研究，有助于人类进一步了解哺乳动物的再生机制。

近日，西北工业大学生态环境学院邱强、王文团队与其国内外合作者建立了鹿角再生发育的细胞图谱，系统描述了鹿角再生和快速生长的细胞分子机制，从而发现了鹿角再生过程中特有的干细胞群，这一干细胞群是鹿角再生能力的核心细胞群，是鹿角再生能力的必要条件。通过进一步的实验验证表明，该细胞群展现出了极强的自我更新、成骨和软骨分化以及骨骼修复的能力。该研究为哺乳动物骨骼修复和人类骨骼的再生医学提供了新的研究方向。

《Cell》｜又添新证穿山甲可能是蝙蝠冠状病毒中间宿主

研究揭示穿山甲的冠状病毒在发生了适应性进化后，存在进一步跨种到人的风险中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒，是一种高致病性新发冠状病毒，研究认为，蝙蝠源MERS簇冠状病毒是MERS冠状病毒的原始进化祖先。近日，武汉病毒所石正丽团队和合作伙伴在马来穿山甲中发现了一株新型MERS簇冠状病毒，并成功地进行了分离鉴定。分析结果显示，该病毒与蝙蝠HKU4冠状病毒属于同一个病毒种。研究团队证实该病毒与MERS冠状病毒类似，可高效利用人DPP4受体入侵细胞，且与人DPP4受体的结合能力要强于蝙蝠HKU4冠状病毒。此外，该病毒的S蛋白上具有一处蝙蝠HKU4冠状病毒所不具备的弗林酶切位点，导致该病毒可以被人源细胞的宿主蛋白酶切割，使其能更好地适应人源细胞的入侵。该发现证明冠状病毒感染性增强的弗林酶切位点完全可能由自然界进化而产生。此外，研究还表明该病毒可能具有较广的宿主范围，且具有跨种感染人的潜在风险。

这项研究表明穿山甲可能是蝙蝠冠状病毒的中间宿主，在蝙蝠冠状病毒由自然宿主到人的传播链中起到关键的桥梁作用。该发现凸显了加强对潜在中间宿主动物进行病毒监测和预警的必要性。

《Advanced Materials》｜逐级悬浮3D打印造一颗有“灵魂“的心

通过SPIRIT技术打印构建含分级血管网络的心室模型

生物3D打印技术已不是新鲜事物，但是现阶段3D打印复杂器官，往往徒具其“形”，缺乏内在“灵魂”——器官内部血管网络。为此，清华大学机械系熊卓副教授、张婷副研究员课题组研发了一种逐级悬浮3D打印技术，简称SPIRIT技术。该技术在打印复杂器官结构的同时耦合构建血管网络。第一级打印，在悬浮介质中打印生物墨水，获得组织和器官的复杂外部结构；第二级打印，将牺牲墨水打印到初次打印但未交联的结构中，获得自由形态的血管网络；原位交联使打印结构定型，同时通过去除悬浮介质和牺牲墨水获得含自由血管网络的复杂器官。这项技术的关键在于使用一种能够同时作为打印墨水和悬浮介质的生物材料。该材料为课题组前期开发的微凝胶双相生物墨水，其在较宽的温度范围内表现出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交联特性，是理想的“墨水材料”。利用SPIRIT技术和新材料，课题组成功打印构建了含可灌注血管网络的心室模型，实现了对现有生物3D打印技术的突破。

《Advanced Materials》｜肿瘤小刺客：“磁-声”序贯操控的CAR-T细胞机器人

基于“磁-声”序贯操控的CAR-T细胞微纳机器人设计构建及工作原理示意图

CAR-T细胞免疫疗法是近年来比较热门的肿瘤治疗技术，然而肿瘤生理障碍和免疫抑制微环境严重抑制了CAR-T细胞的浸润与功能活性。鉴于此，中科院深圳先进技术研究院蔡林涛、马腾、徐天添研究团队，基于代谢-点击化学偶联技术首次实现对CAR-T细胞的表面智能纳米工程改造，获得一种具有“磁-声”双重驱动的细胞微纳机器人。这款机器人兼具智能机器人自主导航、驱动的优势与天然活细胞药物的生物学特性，可实现肿瘤精确定位和屏障穿透的多功能细胞治疗。在实验中，磁珠表面工程化的CAR-T细胞机器人展示了精准、可控的逆流和避障运动特性，并在磁场程序引导下保持特定路线。此外，磁珠与细胞形成的不对称结构使CAR-T细胞机器人表现出独特的声学操控特性，并在“磁-声”序贯驱动下主动迁移并浸润到人工肿瘤模型。在动物模型中，这款机器人在可编程磁场引导下实现了长距离肿瘤靶向；随后，通过超声驱动CAR-T细胞迁移到肿瘤深层组织，显著增强了外源CD8+ CAR-T细胞的肿瘤深度浸润与富积。同时，免疫磁珠能有效刺激瘤内浸润CAR-T细胞的原位增殖和活化，显著提高其抗肿瘤效应并成功抑制肿瘤的生长。

《Science Advances》｜可口服的“纳米快递员”：通过EMS远程精准递药

酵母微纳生物机器人通过EMS实现远程精准的炎症病灶递药

中科院深圳先进技术研究院蔡林涛团队从大自然中寻找灵感，以酵母益生菌来源的酵母微囊为活性材料，通过将葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶偶联在包裹纳米药物的酵母微囊表面，制备了具有不对称结构的酵母微纳生物机器人：TBY-robot。这款机器人就像“纳米快递员”，通过“EMS”，即生物酶与巨噬细胞引擎切换，实现双引擎自适应，可穿透人体多重生理屏障，精准地将药物递送到远程炎症病灶。

该“纳米快递员”进入人体后，首先利用肠道内天然的葡萄糖浓度梯度穿透黏液屏障，通过肠上皮微褶皱细胞跨过肠上皮屏障，在“中转站”派尔氏结内自切换为巨噬细胞引擎，进而利用巨噬细胞的炎症趋化性，经过淋巴循环和血液循环，精准的将药物递送到远程炎症部位。实验结果显示，TBY-robot能够提高药物的富集约1000倍，极大的降低了炎症反应并缓解了疾病的症状。

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