3D打印微型运输机器人“智能”孵育干细胞

【字体: 时间:2019年04月09日 来源:

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  一项对靶向干细胞治疗的新研究表明,一架可远程控制的微型机器人细胞运输器能够在生物物理和生物化学上重新组织干细胞巢,以指导干细胞的定向谱系分化。在《先进功能材料》(Advanced Function Materials)发表的一篇文章中,讨论了该微型机器人在开发具有嵌入式功能的活性微载体,用于控制和精确靶向治疗细胞输送方面的性质和潜力。

  

干细胞的自发转化

干细胞具有修复组织缺陷的固有能力,在静止状态下,这些细胞位于被称为干细胞巢的特定解剖位置,在那里它们被严格地调控如何参与组织再生。一些因素,包括细胞与细胞和细胞与基质相互作用、微环境的机械特性和可溶性因素,共同协调了干细胞在干细胞巢内的命运调节。

当遇到组织损伤,干细胞就会被引导进入受损部位,激活它的固有功能。造血干细胞和间充质干细胞(MSCs)是临床前和临床阶段使用最多的干细胞。但是,由于保留率低、植入不良以及不理想的细胞-细胞和细胞-基质相互作用等影响,经常导致细胞死亡和远远偏离预期效果。

另一个值得关注的问题是,如果干细胞没有被准确输送到一个类似的干细胞巢,它们可能会经历自发的恶性转化(spontaneous malignant transformation)。物理封装是解决这些挑战的一种方法,其作为免疫隔离层,保护细胞免受潜在的宿主免疫攻击和清除。对于微创手术来说,单细胞水平上的规划也是更具吸引力的策略,此外,传递途径和精确定位对干细胞的体内治疗效果有着深远的影响。

此前有人提出过一种用于治疗的细胞磁控制递送微型机器人的方法,但是由于缺乏奉养干细胞所需生物和物理信号的细胞容许性微环境,这一系列研究主要卡在了微型机器人对特定细胞的主动迁移率问题上。


为了解决这些难题,Max Planck智能系统研究所物理智能系的Hakan Ceylan博士和Metin Sitti博士等人设计并展示了一个3D打印的磁共振微型机器人细胞运输器(microrobotic cell transporter,MCT)。干细胞巢的生化、物理和细胞方面在MCT内形成模式,为MCSs提供一个单细胞水平、天然的和细胞容许的微环境,在细胞运输之前和运输期间调节细胞命运。MCTs中概括性干细胞巢主要有三个目标:增加MCTs中干细胞的粘附稳定性,使细胞在传递过程中不被丢失;确保干细胞不丧失干细胞特性,或干细胞不发生自发转化或分化成其他谱系;将细胞命运引向所期望的谱系(本研究的目标是成骨前而非完全分化)。

螺旋结构在旋转磁场下,持续旋转可实现沿规定的轨道导航。来自赛业生物(Cyagen)的人脂肪源性间充质干细胞(haMSCs)和小鼠间充质干细胞(mMSCs)被封装在MCTs腔内,模拟具有复杂细胞-细胞和细胞-基质相互作用的干细胞巢。通过双光子聚合,将胶原蛋白I、透明质酸和纤粘蛋白选择性地排列在MCTs内,具有可调的机械性能。

索取赛业生物间充质干细胞详细技术资料 

在没有外界刺激下,干细胞保存在MCTs内,在固定于细胞巢内的骨形态发生蛋白-2(BMP-2)刺激下,干细胞分化为成骨前谱系。

 

研究人员分析了孵育在成骨分化培养基中的MCTs的早期成骨标志物RUNX2表达,结果表明与长在培养基中的细胞相比,富含BMP-2的被MCTs封装的细胞中RUNX2表达增加。每个微型转运器的RUNX2信号强度平均值与组织培养板上的细胞具有显著差异。

未来,该研究可以将治疗性的干细胞输送到体内精确位置,在移动着的细胞巢内,向细胞提供必要的生化和生物物理线索,标志着细胞治疗技术取得了一个新的突破。

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

(生物通:伍松)

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