靶向干細胞治療研究新方法：3D打印微型運輸機器人“智能”孵育干細胞

一項對靶向干細胞治療的新研究表明，一架可遠程控制的微型機器人細胞運輸器能夠在生物物理和生物化學(xué)上重新組織干細胞巢，以指導(dǎo)干細胞的定向譜系分化。在《先進功能材料》（Advanced Function Materials）發(fā)表的一篇文章中，討論了該微型機器人在開發(fā)具有嵌入式功能的活性微載體，用于控制和精確靶向治療細胞輸送方面的性質(zhì)和潛力。

干細胞的自發(fā)轉(zhuǎn)化

干細胞具有修復(fù)組織缺陷的固有能力，在靜止狀態(tài)下，這些細胞位于被稱為干細胞巢的特定解剖位置，在那里它們被嚴格地調(diào)控如何參與組織再生。一些因素，包括細胞與細胞和細胞與基質(zhì)相互作用、微環(huán)境的機械特性和可溶性因素，共同協(xié)調(diào)了干細胞在干細胞巢內(nèi)的命運調(diào)節(jié)。

當遇到組織損傷，干細胞就會被引導(dǎo)進入受損部位，激活它的固有功能。造血干細胞和間充質(zhì)干細胞（MSCs）是臨床前和臨床階段使用最多的干細胞。但是，由于保留率低、植入不良以及不理想的細胞-細胞和細胞-基質(zhì)相互作用等影響，經(jīng)常導(dǎo)致細胞死亡和遠遠偏離預(yù)期效果。

另一個值得關(guān)注的問題是，如果干細胞沒有被準確輸送到一個類似的干細胞巢，它們可能會經(jīng)歷自發(fā)的惡性轉(zhuǎn)化（spontaneous malignant transformation）。物理封裝是解決這些挑戰(zhàn)的一種方法，其作為免疫隔離層，保護細胞免受潛在的宿主免疫攻擊和清除。對于微創(chuàng)手術(shù)來說，單細胞水平上的規(guī)劃也是更具吸引力的策略，此外，傳遞途徑和精確定位對干細胞的體內(nèi)治療效果有著深遠的影響。

此前有人提出過一種用于治療的細胞磁控制遞送微型機器人的方法，但是由于缺乏奉養(yǎng)干細胞所需生物和物理信號的細胞容許性微環(huán)境，這一系列研究主要卡在了微型機器人對特定細胞的主動遷移率問題上。

為了解決這些難題，Max Planck智能系統(tǒng)研究所物理智能系的Hakan Ceylan博士和Metin Sitti博士等人設(shè)計并展示了一個3D打印的磁共振微型機器人細胞運輸器（microrobotic cell transporter，MCT）。干細胞巢的生化、物理和細胞方面在MCT內(nèi)形成模式，為MCSs提供一個單細胞水平、天然的和細胞容許的微環(huán)境，在細胞運輸之前和運輸期間調(diào)節(jié)細胞命運。MCTs中概括性干細胞巢主要有三個目標：增加MCTs中干細胞的粘附穩(wěn)定性，使細胞在傳遞過程中不被丟失；確保干細胞不喪失干細胞特性，或干細胞不發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)化或分化成其他譜系；將細胞命運引向所期望的譜系（本研究的目標是成骨前而非完全分化）。

螺旋結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)磁場下，持續(xù)旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)沿規(guī)定的軌道導(dǎo)航。來自賽業(yè)生物（Cyagen）的人脂肪源性間充質(zhì)干細胞（haMSCs）和小鼠間充質(zhì)干細胞（mMSCs）被封裝在MCTs腔內(nèi)，模擬具有復(fù)雜細胞-細胞和細胞-基質(zhì)相互作用的干細胞巢。通過雙光子聚合，將膠原蛋白I、透明質(zhì)酸和纖粘蛋白選擇性地排列在MCTs內(nèi)，具有可調(diào)的機械性能。

在沒有外界刺激下，干細胞保存在MCTs內(nèi)，在固定于細胞巢內(nèi)的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）刺激下，干細胞分化為成骨前譜系。

研究人員分析了孵育在成骨分化培養(yǎng)基中的MCTs的早期成骨標志物RUNX2表達，結(jié)果表明與長在培養(yǎng)基中的細胞相比，富含BMP-2的被MCTs封裝的細胞中RUNX2表達增加。每個微型轉(zhuǎn)運器的RUNX2信號強度平均值與組織培養(yǎng)板上的細胞具有顯著差異。

未來，該研究可以將治療性的干細胞輸送到體內(nèi)精確位置，在移動著的細胞巢內(nèi)，向細胞提供必要的生化和生物物理線索，標志著細胞治療技術(shù)取得了一個新的突破。

原文檢索：3D-Printed Microrobotic Transporters with Recapitulated Stem Cell Niche for Programmable and Active Cell Delivery