摘要：脊柱对运动、感觉、反射和支撑至关重要，但脊神经损伤会导致严重问题，如瘫痪和功能丧失。传统治疗方法在恢复神经连接方面效果有限，因此迫切需要创新疗法。通过腰椎穿刺将干细胞注入脊柱已被用于治疗，但由于脊柱长且复杂，干细胞扩散效率低，常被蛛网膜吸附，导致剂量需求增大且

干细胞+磁性液体弹珠，实现长距离精准输送，助力神经连接修复

脊柱对运动、感觉、反射和支撑至关重要，但脊神经损伤会导致严重问题，如瘫痪和功能丧失。传统治疗方法在恢复神经连接方面效果有限，因此迫切需要创新疗法。通过腰椎穿刺将干细胞注入脊柱已被用于治疗，但由于脊柱长且复杂，干细胞扩散效率低，常被蛛网膜吸附，导致剂量需求增大且疗效受限。

在此，深圳大学王奔助理教授课题组开发了一种可微分干细胞组装软机器人（SCASR），展示了磁场驱动干细胞疗法在恢复神经连接中的潜力（图 1）。SCASR 通过 3D 自组装工艺制备，干细胞掺入含磁性颗粒的液体弹珠（LM）中，展现出较传统培养更高的细胞活力和生物相容性，尺寸范围从微米至亚毫米可控。SCASR 在体外形成组织，具备柔软、可降解的特点，可分化为神经细胞，并通过磁场精准驱动到目标位点，自发释放干细胞。结合 X 射线成像，实现了体内高精度传递，快速修复大鼠瘫痪肢体，验证其促进脊髓神经连接恢复的效果。这一策略为微创治疗难以触及的脊柱区域提供了创新的治疗系统。相关成果以“Long-span delivery of differentiable hybrid robots for restoration of neural connections”为题发表在《Matter》上，北京大学深圳医院副研究员沈杰为第一作者。

值得一提的是，这篇论文，所有作者，均用中文署名！

王奔助理教授和沈杰副研究员

图 1. 示意图显示在磁驱动单元和 X 射线成像单元的组合系统下 SCASR 的鞘内输送

磁性 SCASR 的设计

作者开发了一种基于液体弹珠 (LM) 技术的干细胞组装软机器人 (SCASR)，通过三维自组装方法展示了高细胞活力、生物相容性和可控尺寸的优越性能（图 2A-C）。SCASR 由干细胞和涂有生物相容性聚多巴胺的磁性颗粒共同组装而成，磁性颗粒均匀分布，确保了优异的磁控性能（图 2F）。其结构紧凑，细胞间通过纤维状连环蛋白稳定连接（图 2E、2G 和 S6）。得益于 LM 的高透气性和结构优势，SCASR 的细胞活力显著提升，比传统非粘附板培养方法高出两倍（图 2O），并且通过调整初始细胞浓度可实现尺寸从微米到亚毫米的灵活控制（图 2K）。实验验证了磁性颗粒的最佳剂量（约 0.05 mg），以确保结构稳定性和高细胞活力（图 2J-L）。SCASR 完全由干细胞构建，无需支架设计，优化了细胞负载能力并降低免疫反应风险。这种创新方法为神经修复和精准药物递送提供了高效的解决方案。

图 2. SCASR 的制造、表征和细胞活力评估

SCASR 的运动控制

作者开发的干细胞组装软机器人在磁场驱动下展现了卓越的远程输送和释放能力。如图 3A-3C所示，SCASR 在血液、PBS 和人工脑脊液中的平移速度随着磁场强度和频率的增加显著提高，并在 PBS 中达到每秒 0.75 毫米的最大速度（图 3C）。SCASR 能够沿倾斜表面移动，并在复杂的通道模具中展示了精准导航能力（图 3D），包括直线行驶、转弯和通过狭窄通道。此外，群体 SCASR 可在磁场控制下对齐并沿预定形状（如 SZU 轨迹，图 S9）移动，并成功完成迷宫实验（图 3E 和 3F），显示出其适应复杂环境的潜力。进一步实验表明，SCASR 可在流动液体中对抗高达 1.36 cm/s 的 CSF 流速（图 3G），但超过此速度时群体稳定性下降（图 3H）。这些结果验证了SCASR 在复杂生物环境中的高适应性和灵活性，为其在医疗诊断、药物输送等领域的实际应用奠定了基础。

图 3. SCASR 的运动控制

SCASR 的 X 射线成像和跟踪

研究表明，磁性 SCASR 能够在脊柱内实现高效的定位跟踪和远距离运动。通过 X 射线成像和 CT 扫描，验证了 SCASR 在离体猪脊柱模型中的可视化和磁引导运动能力（图 4A-4D）。成像对比度取决于磁性颗粒的剂量和 SCASR 数量，较高的颗粒剂量增强了成像效果（图 4E）。在不同骨厚度下，SCASR 的对比度随着颗粒剂量增加而提升，即使在密集的脊柱背景中，低剂量的 SCASR 也能清晰成像（图 4G-4K）。实验通过在离体猪脊柱中注射 SCASR 并利用磁场控制其运动，成功记录了其在 X 射线下的动态轨迹（图 4L-4O）。此外，SCASR 展现了在小型猪脊柱中长距离运动的能力，从第一椎骨穿越至第七椎骨（图 4P），证明其在复杂环境中执行精确治疗的潜力。结果验证了 SCASR 在体内应用中的高检测灵敏度和优异的远距离导航性能。

图 4. SCASR 的成像和跟踪

用骨髓间充质干细胞进行体外神经修复

研究表明，干细胞在神经损伤修复中具有显著的旁分泌作用和分化潜力。本研究使用人骨髓间充质干细胞（hBMSC）和神经元样细胞系 SH-SY5Y，验证了 hBMSC 分泌的条件培养基（CM）能够促进 SH-SY5Y 的粘附、增殖、迁移及神经源性分化（图 5A-G）。进一步研究显示，hBMSC 通过直接或间接共培养促进了 SH-SY5Y 神经突的生长，并通过免疫荧光检测确认其可分化为神经干细胞及神经系统主要细胞（图 5H）。在体外缺损修复实验中，通过 SCASR 输送 hBMSC 可显著修复人工培养皿中的神经缺损，覆盖并恢复伤口区域，且分化为神经元样细胞（图 5I-J）。这一过程表明 SCASR 提供的干细胞可实现有效的神经再生，细胞形态更加细长（图 5K），为神经损伤治疗提供了新策略。

图 5. 用于神经修复的 hBMSC 和 SCASR 的体外表征

使用 SCASR 在体内恢复脊髓神经连接

在这项研究中，使用 Sprague Dawley 大鼠建立了创伤性脊髓损伤 (SCI) 模型，并通过分离原代大鼠骨髓间充质干细胞 (rBMSCs) 制备了球形 SCASR，直径范围为 400 至 800 μm。rBMSCs 显示出多谱系分化能力，能够分化为骨细胞、脂肪细胞和软骨细胞。通过气动和电控精密冲击器建立 SCI 模型后，评估了 SCASR 对功能恢复的影响（图 6A）。术后 3 周，SCASR 组表现出显著的脚趾伸展功能恢复（图 6B 和 6C），脚趾外展接近正常，而对照组仍有严重挛缩。步态分析表明，SCASR 组的大鼠步幅宽度和长度显著优于其他组，术后两周开始显示出行为改善（图 6D 和 6E）。足迹分析显示，与未治疗和 MSC 组相比，SCASR 组在术后 3 周表现出更好的运动功能，步态更加稳定（图 6F）。此外，Basso、Beattie 和 Bresnahan (BBB) 评分进一步表明，SCASR 组的后肢力量和运动协调性显著恢复（图 6G 和 6H）。整体结果表明，SCASR 在促进脊髓损伤后运动功能恢复方面具有显著疗效，表现出在神经损伤治疗中的潜力。

图 6. 使用 SCASR 进行体内 SCI 治疗

这项研究通过组织学和转录组学分析，验证了 SCASR 在脊髓损伤治疗中的修复效果和潜在机制（图 7）。SCASR 展现了良好的生物相容性，未对主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺和肾）造成损伤。组织学染色显示，SCASR 植入显著减少了脊髓病变面积（从 SCI 的 2.92 mm² 降至 1.27 mm²），保护神经元并减少胶质疤痕（图 7B-7D）。免疫荧光分析表明，SCASR 促进神经纤维再生，并显著逆转 SCI 组的炎症和神经损伤表现（图 7E-7G）。转录组分析检测到 SCI 后显著差异表达的基因，SCASR 显著上调了与神经修复相关的基因表达，如神经元投射、突触后膜和轴突等（图 7N）。相比 SCI 和 MSC 组，SCASR 组在神经生长和再生的 10 个功能中均表现出更多的上调基因，表明其在促进神经修复方面的显著潜力（图 7O）。这些结果为 SCASR 在神经再生治疗中的应用提供了有力支持。

图 7. 涉及神经发生的 SCASR 的组织学和定量转录组学分析

小结

本研究开发了可微分的 SCASR，通过磁场驱动展现出在神经修复中的潜力。与传统方法相比，SCASR 制造简单，细胞活力高、生物相容性和生物降解性优异，可精确导航复杂环境并在目标部位释放干细胞，促进神经再生。其 X 射线成像和跟踪能力出色，在体内研究中显著改善 SCI 模型的功能恢复，并调节与神经修复相关的基因表达。尽管当前研究尚未实现单个模型中的无缝治疗，但未来将在大型动物模型中优化其性能，以加速技术向临床转化。

来源：一品姑苏城