搜索:  
港中文张立/哈工大(深圳)金东东团队 Sci. Adv.:用于胆管内靶向细胞递送的模块化微型机器人
2023-12-19  来源:高分子科技

  细胞疗法,指将特定细胞作为活性试剂注入体内以替代受损组织、调节生物功能和抵御疾病,是一种极具前景的新型治疗策略,在近年来引起了广泛关注。为了充分发挥细胞疗法的效果,细胞递送策略至关重要。传统的全身性给细胞策略可一次性注射大量细胞,但其靶向性差,递送途中绝大部分细胞会遗失而无法到达目标病灶,导致细胞疗法效率很低,甚至还可能因脱靶细胞而引发严重后遗症。因此,开发安全、高效的细胞靶向递送策略对细胞疗法的开发意义重大。


  微型机器人技术的兴起为靶向细胞递送提供了新的可能。由于尺寸小、运动主动、灵活度高的特性,微型机器人能够在常规医疗手段难以到达的狭小闭塞区域运动,有望作为一种细胞载具,主动高效地将细胞递送至目标病灶。在已开发的众多种类的微型机器人中,磁控微型机器人因其驱动磁场易调制、对生物组织穿透性强且无危害,在细胞递送领域得到了广泛研究。其往往采用微纳制造和化学合成的方法制备负载细胞的支架结构,再通过表面蒸镀磁性薄膜或内部掺杂磁性颗粒,从而构建可响应外部磁场控制的主动式细胞递送微型机器人。但是,微型机器人的细胞功能和磁控功能存在一个不容忽视的矛盾。为了适应生物体内复杂动态的生物环境,微型机器人的运动和控制能力要足够强,这就需要在微型机器人中添加大量的磁性材料来实现。过度的磁性掺杂一方面会明显影响其细胞活性,甚至导致细胞无法黏附,另一个方面则会造成体内滞留过量磁性材料,引发潜在的生物毒性。假如微型机器人只添加少量磁性物质而满足其递送细胞的细胞功能性和生物安全性,其在生物体内的可控导航则成为了一个巨大难题。因此,目前亟需开发兼具优异磁控驱动能力和生物医学功能的细胞递送微型机器人。


  针对以上问题,香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授和哈尔滨工业大学(深圳)材料学院金东东副教授共同开发了一种用于胆管内的靶向细胞递送的多功能模块化微型机器人(图1),解决了微型机器人驱动性能和细胞活性无法兼容的难题。该机器人分别由微纳3D打印制备的磁场驱动模块和细胞支架模块组成,前者掺杂了大量硬磁性钕铁硼颗粒而具备极强的磁场响应能力,且能够感受环境酸碱度pH的改变而产生可逆的形状变化;后者具有优异的生物相容和生物降解能力,可高效负载与释放细胞。作者团队通过合理设计两个模块的相对尺寸,首先在酸性缓冲液中使磁场驱动模块形状缩小并插入细胞支架模块,再加入中性缓冲液使磁场驱动模块形状膨胀,从而和细胞支架模块组装形成模块化微型机器人。接着采用介入手段将微型机器人递送至胆管内病灶附近,进一步在医疗影像手段(X射线和超声成像)的引导下将微型机器人磁控导航至病灶。此时,病灶区域较低的pH值(急性/慢性胆囊炎,胆道炎,胆管堵塞等均可造成)会使磁场驱动模块形状缩小,再辅以外加旋转磁场,便可实现模块化机器人可控的拆卸。最后,细胞支架模块滞留在病灶处并降解释放细胞以达成细胞疗法,而磁场驱动模块则磁控导航至导管并被回收,避免后续产生生物毒性该工作以“Modularized microrobot with lock-and-detachable modules for targeted cell delivery in bile duct”为题发表于Science Advances(Sci. Adv. 2023, 9, eadj0883)。香港中文大学博士生苏琳为本文第一作者,哈工大(深圳)金东东副教授为共同第一作者和共同通讯作者,其他通讯作者是香港中文大学张立教授和陈启枫研究助理教授。该研究得到自然科学基金委、香港研究资助局等的支持。 


图1. 多功能模块化微型机器人用于胆管内靶向细胞递送的示意图


  为了制备模块化微型机器人,作者团队合成了两种水凝胶打印材料,并利用微纳3D打印机分别打印了高精度的磁场驱动模块和细胞支架模块(图2)。即使掺杂了平均尺寸5-10微米的磁性颗粒,磁场驱动模块的打印精度仍可达20微米以上,具有优异的磁响应性能(饱和磁化强度>50 emu/g,剩磁>40 emu/g,大幅高于现有细胞递送磁控微型机器人),并且能够响应环境pH改变而发生明显的可逆形状变化。而细胞支架模块生物相容性好,细胞负载能力强,并且能够在消化酶(胆汁中可存在)的作用下可控地降解与释放细胞。通过精巧地控制环境pH值和施加外界磁场,模块化微型机器人能够实现可控的组装与拆卸(图3)。 


图2. 模块化微型机器人各个模块的性质 


图3. 模块化微型机器人的可控组装与拆卸


  该工作在胆管模型中实现了模块化微型机器人介入递送-磁控导航-可控拆卸释放细胞支架模块-回收磁场驱动模块的全流程展示,完成了高效、安全的靶向细胞递送(图4)。相对于非模块化的机器人(模块简单地叠加,无相互结合),有效地避免了递送细胞的遗失和脱靶。进一步地,在X射线和超声成像的引导下,作者团队在离体猪胆管组织和活体动物新西兰白兔体内验证了模块化微型机器人靶向递送细胞的可行性(图5)。此后,作者团队计划深入开展活体实验,探究该递送策略达成的细胞疗法的具体疗效,以促进实际应用的推广。


图4. 模块化微型机器人在胆管模型中的递送与回收


图5. 模块化微型机器人在活体动物中的递送与回收


  原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj0883

版权与免责声明:中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻