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2020-06-01

能量转换型微机器人递送神经细胞和远程调控分化

生物医用材料在药物靶向递送、生物活体成像、细胞再生分化等领域取得了蓬勃发展。能量转换材料是化学、材料、物理、能源多学科交叉研究的前沿之一,在神经科学领域的应用方兴未艾

中枢神经系统中大量神经细胞构成网络或回路,负责信息的传递、储存、整合加工,是学习、运动、记忆的基础帕金森症和阿尔茨海默症等疾病中神经细胞不可逆转凋亡导致运动失调进行性认知功能障碍,而药物治疗、神经外科手术、基因治疗和细胞移植是治疗上述疾病的有效手段。细胞移植是将体外培养的神经干细胞移植到受损中枢神经系统靶部位,再将这些治疗性细胞诱导分化为神经元。神经细胞定点递送原位调控分化形成功能性神经元网络极具挑战。

南京大学化学化工学院高分子科学与工程沈群东研究团队联合苏黎世联邦理工大学Bradley J. Nelson研究团队的陈相仲博士设计并构建了神经细胞靶向递送、原位调控细胞分化和生物降解功能于一体的螺旋微机器人Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910323)。该微机器人选用生物相容性优异的天然高分子凝胶材料为柔性基质,采用激光双光子聚合微型3D打印技术制造出支持神经细胞粘附、生长的螺旋框架为了实现微机器人远程定向运动的精确操控和原位刺激调控细胞分化的目的,采用水热和溶胶-凝胶法制备了具有-壳结构的能量转换纳米微粒。微机器人与纳米微粒集成负载神经细胞,运用穿透人体深层组织的低强度旋转磁场模拟细菌的鞭毛运动操纵微机器人在微通道里的脑脊髓液中定向泳动实现神经细胞递送。

神经细胞被递送到目标区域后,微机器人被负载神经细胞分泌的胶原酶逐渐降解,释放出负载的神经细胞和纳米微粒。由于纳米微粒是由铁磁和铁电材料复合构成的多铁性材料,具有磁电耦合的效应;因此纳米粒在高频交变磁场作用,铁磁相内核发生磁致伸缩,将应力/应变通过界面传递到铁电相外壳,导致铁电相在形变驱动下产生电荷,从而将高频磁场快速地转换为瞬时变化的电信号,达到远程刺激神经细胞,调控其分化的目的。

1. 微机器人制备及其运载、调控神经细胞分化后降解示意图

研究证实使用旋转磁场可以实现微机器人靶向递送细胞,而微机器人在完成递送细胞后可以被细胞分泌的胶原酶降解。微机器人高频交变磁场刺激下能够调控神经细胞分化使细胞表现出多树突生长形态神经元特异的轴突膜蛋白GAP43表达的显著上调。同时微机器人上的磁电耦合纳米在脑部组织仍然具有良好的生物安全性。该微机器人集细胞运输和原位调控细胞分化为一体,为利用细胞移植治疗神经退行性疾病和脑组织损伤提供了新思路,具有潜在的应用价值。

沈群东教授课题组近年来专注于能量转化材料调控细胞行为的研究。论文的第一作者为博士生东梅,她在能量转换纳米材料调控神经细胞分化和调控细胞内微环境促进肿瘤凋亡(Small 2019, 15, 1900212方面开展了系列的工作。研究课题得到国家重点研发计划重点专项国家自然科学基金等项目的资助


文献信息

标题3D-Printed Soft Magnetoelectric Microswimmers for Delivery and Differentiation of Neuron-Like Cells

链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201910323