研究人员开发了一种治疗脊髓损伤的新方法：可控微机器人将干细胞直接输送到损伤部位，在那里促进神经细胞再生。在动物实验中，这种方法显著改善了活动能力。
脊髓损伤对患者可能造成毁灭性后果。脊髓中的神经细胞很少能自然再生，而疤痕组织通常会阻碍神经纤维的再生。现代疗法尝试使用电刺激来影响植入的干细胞，以促进新神经细胞的生长。
这种方法有几个缺点：需要植入电极，而且移植的细胞并不总是能在现有组织中存活或正确整合。
细胞与纳米粒子的巧妙结合
苏黎世的研究人员正在探索一种新方法，他们已在《自然·材料》杂志上发表了这项研究（"用于脊髓损伤再生的磁电微机器人"）。该方法涉及将治疗性干细胞与磁电纳米粒子相结合，使细胞能够被磁力引导到损伤的确切位置，并刺激干细胞加速修复。
为实现这一目标，研究人员创建了一种生物混合微机器人，它将活的神经祖细胞（NPCs）与特殊设计的纳米粒子技术组件相结合。这些NPCs来源于诱导多能干细胞（iPS细胞），即在实验室中被重新编程以恢复干细胞特性的普通体细胞。这些iPS细胞有潜力分化为各种类型的神经系统细胞。
这些纳米粒子由两层组成：一层对磁场有反应的内层，以及将这种反应转换为电信号的外层。通过将这些特殊纳米粒子与祖细胞结合，研究人员制造出了所谓的NPCbots。
起始和三天后：顶部图像显示斑马鱼未受伤的脊髓；中间图像显示受伤的脊髓；底部图像则说明了微机器人如何促进神经细胞生长。（图片来源：ETH Zurich/苏黎世联邦理工学院）
芯片大小的实验室
研究人员在一个一平方厘米的表面上的特殊实验室中创建NPCbots。这个过程可以用图形说明。"我们在中心放置一个储存器来捕获细胞。然后注入纳米粒子，等待两种成分结合，"苏黎世联邦理工学院多尺度机器人实验室的Salvador Pané i Vidal教授解释道。
仅需30分钟，每个约六微米大小的NPCbots就可投入使用。"为了扩大生产规模，我们并行运行多个芯片实验室系统，"高级科学家兼该研究第一作者Hao Ye解释道。根据测试需求，苏黎世联邦理工学院的研究人员需要数十万个微机器人用于细胞研究，数百万个用于动物实验。
受伤斑马鱼重新游泳
研究小组在脊髓受伤的斑马鱼幼虫上测试了NPCbots。微机器人被精确注射到鱼的损伤部位，并生成电磁场。对Pané Vidal来说，团队合作对实验成功至关重要："苏黎世大学的Stephan Neuhauss和Jingjing Zang做了极其有价值的工作。他们使我们能够在特征明确的再生模型系统中证明，使用我们的方法细胞如何快速分化，以及我们的机器人如何修复脊髓。"仅三天后，斑马鱼就表现出近乎正常的游泳和探索行为。
研究人员还在脊髓完全断裂的小鼠身上测试了NPCbots。结果同样非常有希望：28天后，动物的神经细胞在损伤部位重新连接。在此期间，经过治疗的小鼠表现出越来越正常的运动模式——它们的步态、步幅、协调性和探索行为显著改善。
这一结果尤为重要，因为与斑马鱼不同，小鼠的脊髓通常不会自然再生。该治疗被动物很好地耐受，没有出现任何不良反应或免疫反应的证据。
微机器人在芯片实验室中的制造示意图。（图片来源：ETH Zurich/苏黎世联邦理工学院）
通过微创刺激取得成功
这些成功得益于对干细胞的电刺激，大大增强了移植后的分化能力。在这个过程中，纳米粒子将磁信号直接转换为刺激特定干细胞的电脉冲。使用NPCbots时，研究人员只需在损伤部位周围施加外部磁场，消除了先前方法中需要植入电极或电缆的必要性。这至关重要，因为脊髓极其敏感。
"Hao解释说："微机器人引导使治疗更加精确和微创。"
磁场特别适合刺激干细胞，因为它们可以轻松穿透组织，其频率和场强可以根据特定应用灵活调整。一旦祖细胞被刺激并分化为神经细胞，NPCbots基本上会在组织内溶解。
研究人员预计，由于其钛酸钡涂层，这些纳米粒子将稳定且反应性极小。进一步的研究将确定这些粒子是否以及如何在长期内被降解或排出。
根据需要扩展这一想法
动物实验的结果非常有希望，但在NPCbots能用于人体测试之前，还需要进一步研究。
"Hao解释说："除了许多临床方面外，我们首先需要测试哪种磁场在人体中最有效，并确定最佳刺激持续时间。"
尽管如此，研究人员已经在考虑进一步的应用："使用我们的芯片实验室系统可重复和可扩展地生产微机器人，表明该平台的应用潜力超出了基础研究，"Pané i Vidal教授解释道。
它也可以适应其他生物医学应用——例如在心脏病学、肿瘤学、伤口愈合和其他靶向再生疗法中。这可以使这些治疗更安全、更可控、更有效。
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