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標題: 納米機器人的將改變幹細胞治療規則 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2022-10-9 08:20 AM 標題: 納米機器人的將改變幹細胞治療規則

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　　幹細胞可以分化成各種類型的靶細胞﹐分化的細胞可以再生或修復受損組織﹐使其喪失的功能得以恢復。因此幹細胞治療是一種潛在有效的下一代治療方法﹐可以治癒或預防多種疾病﹐包括神經退行性疾病﹑糖尿病﹑關節炎等。然而﹐傳統的幹細胞治療遞送系統如靜脈注射和手術植入﹐均存在副作用和局限性﹐例如遞送效率低﹑幹細胞遷移不當﹑出血﹑感染和細胞的全身性暴露。微創和有針對性的精確遞送系統將提高幹細胞治療的功效﹐並通過有效利用幹細胞來減少副作用。
　　磁動力微型機器人可以在小範圍內以高精度進行遠程控制﹐使用外部磁場將各種治療劑準確地輸送到目標區域﹐因而在靶向治療方面具有巨大潛力。通過3D激光光刻和金屬沉積工藝製造的3D螺旋形和球形微型機器人在生理環境中具有高推進效率的磁可控性。但是﹐這些微型機器人因製造耗時﹐步驟複雜﹐極大地限制了其批量生產。此外﹐儘管這些微型機器人具有生物相容性﹐但多數製造材料不可生物降解。
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　　甲基丙烯酸明膠(GelMA)可在生物環境中分解﹐且具有較低細胞毒性及較好的光固化性能﹐因此GelMA可用於生物醫學工程﹐包括微型機器人的生產。此外﹐GelMA結構可以被巨噬細胞﹑單核細胞﹑滑膜細胞和上皮細胞分泌的膠原酶選擇性酶促降解。最近報道了通過雙光子聚合(Two-photon polymerization﹐TPP)製造的基於GelMA的微型機器人。雖然TPP可用於相對較快地製造納米級複雜的3D結構﹐但用於細胞運輸的微型機器人需要微米級結構來輸送超過10 μm的細胞﹐但要批量生產這些微型機器人仍需要較長時間。此外﹐TPP工藝還受到分散在光固化樹脂中的磁性納米粒子(Magnetic nanoparticles﹐MNP)濃度的影響﹕MNP濃度高時﹐影響光固化樹脂聚合﹐無法大規模生產3D結構﹔MNP濃度低時﹐微型機器人無法被外部磁場有效操作。
　　2022年6月23日﹐韓國大邱慶北科學技術大學和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員在Small發表題為「A Biodegradable Magnetic Microrobot Based on Gelatin Methacrylate for Precise Delivery of Stem Cells with Mass Production Capability」的研究成果。研究結果表明可生物降解的GelMA微型機器人可裝載幹細胞﹐並可由外部磁場控制移動到目標位置﹐且被運輸到靶向位置的幹細胞可增殖分化為目的細胞類型。
　　此項研究開發了一種基於磁控GelMA的可生物降解微型機器人(以下簡稱GelMA微型機器人)﹐GelMA微型機器人專為幹細胞輸送而設計﹐並可被外部磁場控制﹐且採用簡單的微流體裝置製造。微流體裝置可以快速產生許多微尺度液滴﹐並且可以在製造過程中通過調節兩種不混溶流體的流速來改變液滴尺寸。液滴混合物包含GelMA﹑光引發劑和SPIONs(Fe3O4﹐15~20 nm)﹐可生物降解且可通過光固化﹐形成微流控芯片。該系統以每分鐘100個的速度製造GelMA微型機器人﹐這比使用現有的雙光子聚合方法製造微型機器人快一萬倍以上。
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　　研究人員將人類鼻甲幹細胞(Human nasal turbinate stem cells﹐hNTSC)和GelMA微型機器人在U型底96孔微孔板中一起孵育。由於GelMA的細胞粘附特性和微孔板的抗細胞粘附處理﹐大部分細胞在1天內附著在GelMA微型機器人上。共聚焦顯微鏡圖像顯示hNTSC附著在GelMA微型機器人上。在細胞附著後的第1天進行活/死細胞成像﹐發現GelMA微型機器人表面裝載的大部分細胞都是活的﹐細胞活力測定也證明了GelMA微型機器人的生物相容性。與對照組相比﹐微型機器人組的細胞活力沒有顯著降低。
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　　通過改變外部磁場的方向產生磁力矩﹐微型機器人開始在基板上滾動。裝載細胞的GelMA微型機器人﹐由2 Hz﹐20 mT旋轉磁場手動控制﹐能夠進行複雜的運動並成功書寫字母「MR」。在磁操作過程中﹐既沒有觀察到hNTSC細胞脫離或損傷﹐也沒有觀察到GelMA微型機器人失控。儘管在微流體通道中進行了10分鐘的操作﹐但與對照組(無磁操作)相比﹐未觀察到細胞活力的顯著下降。因此﹐GelMA微型機器人的磁性操作不會顯著影響hNTSC的活力或穩定性。
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　　在37℃的細胞培養基中加入0.1 mg mL-1的膠原酶﹐發現沒有裝載幹細胞的微型機器人完全降解﹐並在6小時內釋放SPION。裝載細胞的GelMA微型機器人在6小時內也表現出酶促生物降解﹐並釋放hNTSC和SPION。SPION不會改變細胞功能﹑活力或形態﹐且可被外部磁場引導收集。通過使用間充質幹細胞(Mesenchymal stem cell﹐MSC)神經源性分化培養基誘導hNTSCs的分化﹐研究人員發現從GelMA微型機器人釋放的hNTSCs分化為神經元譜系。
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　　為確認GelMA微型機器人遞送的幹細胞是否表現出正常的電學和生理學特性﹐研究人員使用了從穩定發射電信號的大鼠胚胎中提取的海馬神經元。將相應的細胞貼在GelMA微型機器人表面﹐並在微型電極芯片上培養28天﹐觀察海馬神經元的電信號。初級海馬神經元的電生理活動顯示信號是由海馬神經元產生的。這些原代海馬神經元成功地附著在電極上並顯示出自發的神經活動﹐證明了GelMA微型機器人輸送的幹細胞在現有神經細胞之間的連接斷開的狀態下可正常發揮橋樑作用﹐反應了可生物降解的GelMA微型機器人在幹細胞輸送方面的潛力。
　　此項研究創造了一種由外部磁場控制的用於幹細胞遞送的GelMA微型機器人。由於所使用的流動聚焦液滴發生器具有製造工藝的優勢﹐可以以高速和低成本大規模生產具有SPION的GelMA微型機器人。這種大規模生產對於用於生物醫學領域的微型機器人的實際應用和商業開發是必要的。本研究的結果證明了使用GelMA微型機器人作為用於移植的靶向幹細胞遞送平台的可能性。總體而言﹐可生物降解的GelMA微型機器人具有良好的實際生物醫學應用潛力﹐包括再生醫學﹑靶向細胞/藥物/基因傳遞和組織工程。
　　研究人員表示﹕「這項研究開發的技術實現了微型機器人的量產﹑電磁場的精確操作﹑幹細胞的遞送和分化等﹐這些都將在未來顯著提高靶向精準治療的效率。」。

作者: 321qaz 時間: 2022-11-1 09:04 PM

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