一項(xiàng)對(duì)靶向干細(xì)胞治療的新研究表明，一架可遠(yuǎn)程控制的微型機(jī)器人細(xì)胞運(yùn)輸器能夠在生物物理和生物化學(xué)上重新組織干細(xì)胞巢，以指導(dǎo)干細(xì)胞的定向譜系分化。在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Function Materials）發(fā)表的一篇文章中，討論了該微型機(jī)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(xì)胞輸送方面的性質(zhì)和潛力。

干細(xì)胞的自發(fā)轉(zhuǎn)化

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

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

另一個(gè)值得關(guān)注的問題是，如果干細(xì)胞沒有被準(zhǔn)確輸送到一個(gè)類似的干細(xì)胞巢，它們可能會(huì)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(hù)細(xì)胞免受潛在的宿主免疫攻擊和清除。對(duì)于微創(chuàng)手術(shù)來說，單細(xì)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(duì)干細(xì)胞的體內(nèi)治療效果有著深遠(yuǎn)的影響。

此前有人提出過一種用于治療的細(xì)胞磁控制遞送微型機(jī)器人的方法，但是由于缺乏奉養(yǎng)干細(xì)胞所需生物和物理信號(hào)的細(xì)胞容許性微環(huán)境，這一系列研究主要卡在了微型機(jī)器人對(duì)特定細(xì)胞的主動(dòng)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(jì)并展示了一個(gè)3D打印的磁共振微型機(jī)器人細(xì)胞運(yùn)輸器（microrobotic cell transporter，MCT）。干細(xì)胞巢的生化、物理和細(xì)胞方面在MCT內(nèi)形成模式，為MCSs提供一個(gè)單細(xì)胞水平、天然的和細(xì)胞容許的微環(huán)境，在細(xì)胞運(yùn)輸之前和運(yùn)輸期間調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)。MCTs中概括性干細(xì)胞巢主要有三個(gè)目標(biāo)：增加MCTs中干細(xì)胞的粘附穩(wěn)定性，使細(xì)胞在傳遞過程中不被丟失；確保干細(xì)胞不喪失干細(xì)胞特性，或干細(xì)胞不發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)化或分化成其他譜系；將細(xì)胞命運(yùn)引向所期望的譜系（本研究的目標(biāo)是成骨前而非完全分化）。

螺旋結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下，持續(xù)旋轉(zhuǎn)可實(shí)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(xì)胞（haMSCs）和小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞（mMSCs）被封裝在MCTs腔內(nèi)，模擬具有復(fù)雜細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)相互作用的干細(xì)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(jī)械性能。

在沒有外界刺激下，干細(xì)胞保存在MCTs內(nèi)，在固定于細(xì)胞巢內(nèi)的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）刺激下，干細(xì)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(biāo)志物RUNX2表達(dá)，結(jié)果表明與長(zhǎng)在培養(yǎng)基中的細(xì)胞相比，富含BMP-2的被MCTs封裝的細(xì)胞中RUNX2表達(dá)增加。每個(gè)微型轉(zhuǎn)運(yùn)器的RUNX2信號(hào)強(qiáng)度平均值與組織培養(yǎng)板上的細(xì)胞具有顯著差異。

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

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