幹細胞+磁性液體彈珠，實現長距離精準輸送，助力神經連線修復
脊柱對運動、感覺、反射和支撐至關重要，但脊神經損傷會導致嚴重問題，如癱瘓和功能喪失。傳統治療方法在恢復神經連線方面效果有限，因此迫切需要創新療法。透過腰椎穿刺將幹細胞注入脊柱已被用於治療，但由於脊柱長且複雜，幹細胞擴散效率低，常被蛛網膜吸附，導致劑量需求增大且療效受限。
在此，深圳大學王奔助理教授課題組開發了一種可微分幹細胞組裝軟機器人（SCASR），展示了磁場驅動幹細胞療法在恢復神經連線中的潛力（圖 1）。SCASR 透過 3D 自組裝工藝製備，幹細胞摻入含磁性顆粒的液體彈珠（LM）中，展現出較傳統培養更高的細胞活力和生物相容性，尺寸範圍從微米至亞毫米可控。SCASR 在體外形成組織，具備柔軟、可降解的特點，可分化為神經細胞，並透過磁場精準驅動到目標位點，自發釋放幹細胞。結合 X 射線成像，實現了體內高精度傳遞，快速修復大鼠癱瘓肢體，驗證其促進脊髓神經連線恢復的效果。這一策略為微創治療難以觸及的脊柱區域提供了創新的治療系統。相關成果以“Long-span delivery of differentiable hybrid robots for restoration of neural connections”為題發表在《Matter》上，北京大學深圳醫院副研究員沈傑為第一作者。
值得一提的是，這篇論文，所有作者，均用中文署名！
王奔助理教授和沈傑副研究員
圖 1. 示意圖顯示在磁驅動單元和 X 射線成像單元的組合系統下 SCASR 的鞘內輸送
磁性 SCASR 的設計
作者開發了一種基於液體彈珠 (LM) 技術的幹細胞組裝軟機器人 (SCASR)，透過三維自組裝方法展示了高細胞活力、生物相容性和可控尺寸的優越效能（圖 2A-C）。SCASR 由幹細胞和塗有生物相容性聚多巴胺的磁性顆粒共同組裝而成，磁性顆粒均勻分佈，確保了優異的磁控效能（圖 2F）。其結構緊湊，細胞間透過纖維狀連環蛋白穩定連線（圖 2E、2G 和 S6）。得益於 LM 的高透氣性和結構優勢，SCASR 的細胞活力顯著提升，比傳統非粘附板培養方法高出兩倍（圖 2O），並且透過調整初始細胞濃度可實現尺寸從微米到亞毫米的靈活控制（圖 2K）。實驗驗證了磁性顆粒的最佳劑量（約 0.05 mg），以確保結構穩定性和高細胞活力（圖 2J-L）。SCASR 完全由幹細胞構建，無需支架設計，最佳化了細胞負載能力並降低免疫反應風險。這種創新方法為神經修復和精準藥物遞送提供了高效的解決方案。
圖 2. SCASR 的製造、表徵和細胞活力評估
SCASR 的運動控制
作者開發的幹細胞組裝軟機器人在磁場驅動下展現了卓越的遠端輸送和釋放能力。如圖 3A-3C所示，SCASR 在血液、PBS 和人工腦脊液中的平移速度隨著磁場強度和頻率的增加顯著提高，並在 PBS 中達到每秒 0.75 毫米的最大速度（圖 3C）。SCASR 能夠沿傾斜表面移動，並在複雜的通道模具中展示了精準導航能力（圖 3D），包括直線行駛、轉彎和透過狹窄通道。此外，群體 SCASR 可在磁場控制下對齊並沿預定形狀（如 SZU 軌跡，圖 S9）移動，併成功完成迷宮實驗（圖 3E 和 3F），顯示出其適應複雜環境的潛力。進一步實驗表明，SCASR 可在流動液體中對抗高達 1.36 cm/s 的 CSF 流速（圖 3G），但超過此速度時群體穩定性下降（圖 3H）。這些結果驗證了SCASR 在複雜生物環境中的高適應性和靈活性，為其在醫療診斷、藥物輸送等領域的實際應用奠定了基礎。
圖 3. SCASR 的運動控制
SCASR 的 X 射線成像和跟蹤
研究表明，磁性 SCASR 能夠在脊柱內實現高效的定位跟蹤和遠距離運動。透過 X 射線成像和 CT 掃描，驗證了 SCASR 在離體豬脊柱模型中的視覺化和磁引導運動能力（圖 4A-4D）。成像對比度取決於磁性顆粒的劑量和 SCASR 數量，較高的顆粒劑量增強了成像效果（圖 4E）。在不同骨厚度下，SCASR 的對比度隨著顆粒劑量增加而提升，即使在密集的脊柱背景中，低劑量的 SCASR 也能清晰成像（圖 4G-4K）。實驗透過在離體豬脊柱中注射 SCASR 並利用磁場控制其運動，成功記錄了其在 X 射線下的動態軌跡（圖 4L-4O）。此外，SCASR 展現了在小型豬脊柱中長距離運動的能力，從第一椎骨穿越至第七椎骨（圖 4P），證明其在複雜環境中執行精確治療的潛力。結果驗證了 SCASR 在體內應用中的高檢測靈敏度和優異的遠距離導航效能。
圖 4. SCASR 的成像和跟蹤
用進行體外神經修復
研究表明，幹細胞在神經損傷修復中具有顯著的旁分泌作用和分化潛力。本研究使用人骨髓間充質幹細胞（hBMSC）和神經元樣細胞系 SH-SY5Y，驗證了 hBMSC 分泌的條件培養基（CM）能夠促進 SH-SY5Y 的粘附、增殖、遷移及神經源性分化（圖 5A-G）。進一步研究顯示，hBMSC 透過直接或間接共培養促進了 SH-SY5Y 神經突的生長，並透過免疫熒光檢測確認其可分化為神經幹細胞及神經系統主要細胞（圖 5H）。在體外缺損修復實驗中，透過 SCASR 輸送 hBMSC 可顯著修復人工培養皿中的神經缺損，覆蓋並恢復傷口區域，且分化為神經元樣細胞（圖 5I-J）。這一過程表明 SCASR 提供的幹細胞可實現有效的神經再生，細胞形態更加細長（圖 5K），為神經損傷治療提供了新策略。
圖 5. 用於神經修復的 hBMSC 和 SCASR 的體外表徵
使用 SCASR 在體內恢復脊髓神經連線
在這項研究中，使用 Sprague Dawley 大鼠建立了創傷性脊髓損傷 (SCI) 模型，並透過分離原代大鼠骨髓間充質幹細胞 (rBMSCs) 製備了球形 SCASR，直徑範圍為 400 至 800 μm。rBMSCs 顯示出多譜系分化能力，能夠分化為骨細胞、脂肪細胞和軟骨細胞。透過氣動和電控精密衝擊器建立 SCI 模型後，評估了 SCASR 對功能恢復的影響（圖 6A）。術後 3 周，SCASR 組表現出顯著的腳趾伸展功能恢復（圖 6B 和 6C），腳趾外展接近正常，而對照組仍有嚴重攣縮。步態分析表明，SCASR 組的大鼠步幅寬度和長度顯著優於其他組，術後兩週開始顯示出行為改善（圖 6D 和 6E）。足跡分析顯示，與未治療和 MSC 組相比，SCASR 組在術後 3 周表現出更好的運動功能，步態更加穩定（圖 6F）。此外，Basso、Beattie 和 Bresnahan (BBB) 評分進一步表明，SCASR 組的後肢力量和運動協調性顯著恢復（圖 6G 和 6H）。整體結果表明，SCASR 在促進脊髓損傷後運動功能恢復方面具有顯著療效，表現出在神經損傷治療中的潛力。
圖 6. 使用 SCASR 進行體內 SCI 治療
這項研究透過組織學和轉錄組學分析，驗證了 SCASR 在脊髓損傷治療中的修復效果和潛在機制（圖 7）。SCASR 展現了良好的生物相容性，未對主要器官（心臟、肝臟、脾臟、肺和腎）造成損傷。組織學染色顯示，SCASR 植入顯著減少了脊髓病變面積（從 SCI 的 2.92 mm² 降至 1.27 mm²），保護神經元並減少膠質疤痕（圖 7B-7D）。免疫熒光分析表明，SCASR 促進神經纖維再生，並顯著逆轉 SCI 組的炎症和神經損傷表現（圖 7E-7G）。轉錄組分析檢測到 SCI 後顯著差異表達的基因，SCASR 顯著上調了與神經修複相關的基因表達，如神經元投射、突觸後膜和軸突等（圖 7N）。相比 SCI 和 MSC 組，SCASR 組在神經生長和再生的 10 個功能中均表現出更多的上調基因，表明其在促進神經修復方面的顯著潛力（圖 7O）。這些結果為 SCASR 在神經再生治療中的應用提供了有力支援。
圖 7. 涉及神經發生的 SCASR 的組織學和定量轉錄組學分析
小結
本研究開發了可微分的 SCASR，透過磁場驅動展現出在神經修復中的潛力。與傳統方法相比，SCASR 製造簡單，細胞活力高、生物相容性和生物降解性優異，可精確導航複雜環境並在目標部位釋放幹細胞，促進神經再生。其 X 射線成像和跟蹤能力出色，在體內研究中顯著改善 SCI 模型的功能恢復，並調節與神經修複相關的基因表達。儘管當前研究尚未實現單個模型中的無縫治療，但未來將在大型動物模型中最佳化其效能，以加速技術向臨床轉化。
來源：高分子科學前沿
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