能量轉(zhuǎn)換型微機(jī)器人遞送神經(jīng)細(xì)胞和遠(yuǎn)程調(diào)控分化
生物醫(yī)用材料在藥物靶向遞送、生物活體成像、細(xì)胞再生分化等領(lǐng)域取得了蓬勃發(fā)展。能量轉(zhuǎn)換材料是化學(xué)、材料、物理、能源多學(xué)科交叉研究的前沿之一，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)中大量神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)或回路，負(fù)責(zé)信息的傳遞、儲(chǔ)存、整合加工，是學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)、記憶的基礎(chǔ)。帕金森癥和阿爾茨海默癥等疾病中，神經(jīng)細(xì)胞不可逆轉(zhuǎn)的凋亡導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失調(diào)或進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙，而藥物治療、神經(jīng)外科手術(shù)、基因治療和細(xì)胞移植是治療上述疾病的有效手段。細(xì)胞移植是將體外培養(yǎng)的神經(jīng)干細(xì)胞移植到受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)靶部位，再將這些治療性細(xì)胞誘導(dǎo)分化為神經(jīng)元。神經(jīng)細(xì)胞定點(diǎn)遞送和原位調(diào)控分化形成功能性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)極具挑戰(zhàn)。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系沈群東研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)Bradley J. Nelson研究團(tuán)隊(duì)的陳相仲博士設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種集神經(jīng)細(xì)胞靶向遞送、原位調(diào)控細(xì)胞分化和生物降解功能于一體的螺旋微機(jī)器人（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910323）。該微機(jī)器人選用生物相容性優(yōu)異的天然高分子凝膠材料為柔性基質(zhì)，采用激光雙光子聚合微型3D打印技術(shù)，制造出支持神經(jīng)細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)的螺旋形框架。為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人遠(yuǎn)程定向運(yùn)動(dòng)的精確操控和原位刺激調(diào)控細(xì)胞分化的目的，采用水熱和溶膠-凝膠法制備了具有核-殼結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換納米微粒。微機(jī)器人與納米微粒集成后負(fù)載神經(jīng)細(xì)胞，運(yùn)用可穿透人體深層組織的低強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，模擬細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)，操縱微機(jī)器人在微通道里的腦脊髓液中定向泳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的遞送。
當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞被遞送到目標(biāo)區(qū)域后，微機(jī)器人被負(fù)載神經(jīng)細(xì)胞分泌的膠原酶逐漸降解，釋放出負(fù)載的神經(jīng)細(xì)胞和納米微粒。由于納米微粒是由鐵磁和鐵電材料復(fù)合構(gòu)成的多鐵性材料，具有磁電耦合的效應(yīng)；因此當(dāng)納米粒在高頻交變磁場(chǎng)的作用下，鐵磁相內(nèi)核發(fā)生磁致伸縮，將應(yīng)力/應(yīng)變通過(guò)界面?zhèn)鬟f到鐵電相外殼，導(dǎo)致鐵電相在形變驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電荷，從而將高頻磁場(chǎng)快速地轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)變化的電信號(hào)，達(dá)到遠(yuǎn)程刺激神經(jīng)細(xì)胞，調(diào)控其分化的目的。
圖1. 微機(jī)器人制備及其運(yùn)載、調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞分化后降解示意圖
研究證實(shí)使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人靶向遞送細(xì)胞，而微機(jī)器人在完成遞送細(xì)胞后可以被細(xì)胞分泌的膠原酶降解。微機(jī)器人在高頻交變磁場(chǎng)刺激下能夠調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞分化，使細(xì)胞表現(xiàn)出多樹(shù)突生長(zhǎng)形態(tài)及神經(jīng)元特異的軸突膜蛋白GAP43表達(dá)的顯著上調(diào)。同時(shí)微機(jī)器人上的磁電耦合納米微粒在腦部組織中仍然具有良好的生物安全性。該微機(jī)器人集細(xì)胞運(yùn)輸和原位調(diào)控細(xì)胞分化為一體，為利用細(xì)胞移植治療神經(jīng)退行性疾病和腦組織損傷提供了新思路，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
沈群東教授課題組近年來(lái)專注于能量轉(zhuǎn)化材料調(diào)控細(xì)胞行為的研究。論文的第一作者為博士生東梅，她在能量轉(zhuǎn)換納米材料調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞分化和調(diào)控細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境促進(jìn)腫瘤凋亡（Small 2019, 15, 1900212）等方面開(kāi)展了系列的工作。研究課題得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題：3D-Printed Soft Magnetoelectric Microswimmers for Delivery and Differentiation of Neuron-Like Cells
鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910323
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