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南京大学:能量转换型微机器人递送神经细胞和远程调控分化—中国教育在线

2020-06-12        来源:尼鸿教育频道

  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。能量切换材料是化学、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于方兴未艾。

  中枢神经系统中大量神经细胞包含网络或电路,负责管理信息的传送、储存、整合加工,是自学、运动、记忆的基础。帕金森症和阿尔茨海默症等疾病中,神经细胞不可逆转的凋亡导致运动失调或进行性认知功能障碍,而药物化疗、神经外科手术、基因治疗和细胞移植是化疗上述疾病的有效手段。细胞重制是将体外培养的神经干细胞移植到损毁中枢神经系统靶部位,再将这些化疗性细胞诱导分化为神经元。神经细胞定点递送和原位调控分化构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系沈群东研究团队牵头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一种集神经细胞靶向寄送、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)。该微机器人搭配生物相容性优异的天然高分子凝胶材料为柔性基质,使用激光双光子单体微型3D打印技术,生产出有反对神经细胞黏附、生长的螺旋形框架。为了构建微机器人远程定向运动的准确操纵和原位性刺激调控细胞分化的目的,使用水热和溶胶-凝胶法制取了具有核-壳结构的能量转换纳米微粒。微机器人与纳米微粒构建后阻抗神经细胞,运用可穿透人体深层的组织的低强度旋转磁场,仿真细菌的鞭毛运动,操控微机器人在微通道里的脑脊髓液中定向泳动,构建神经细胞的递送。

  当神经细胞被寄送到目标区域后,微机器人被阻抗神经细胞黏液的胶原酶逐渐降解,释放出阻抗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;因此当纳米粒在高频交变磁场的作用下,铁磁相内核再次发生磁致伸缩,将形变/应变通过界面传递到铁电相外壳,导致铁电相在应力驱动下产生电荷,从而将高频磁场快速地切换为瞬时变化的电信号,超过远程刺激神经细胞,调控其分化的目的。

图1. 微机器人制备及其装载、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寄送细胞,而微机器人在已完成寄送细胞后可以被细胞分泌的胶原酶水解。微机器人在高频交变磁场性刺激下能够调控神经细胞分化,使细胞展现出出有多树突生长形态及神经元特异的轴突膜蛋白GAP43表达的明显下调。同时微机器人上的磁电耦合纳米微粒在脑部组织中仍然具备良好的生物安全性。该微机器人集细胞运输和原位调控细胞分化为一体,为利用细胞重制治疗神经退行性疾病和脑组织损伤获取了新思路,具备潜在的应用于价值。

  沈群东教授课题组近年来专注于能量转化成材料调控细胞行为的研究。论文的第一作者为博士生东梅,她在能量切换纳米材料调控神经细胞分化和调控细胞内微环境增进肿瘤细胞死亡(Small 2019, 15, 1900212)等方面开展了系列的工作。研究课题获得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。


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