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【再生医学前沿】Science Robotics:用于体内膝关节软骨再生的机器人系统

已有 379 次阅读 2020-2-9 13:06 |个人分类:再生医学前沿|系统分类:科研笔记

【EFL观点】近年来,基于细胞的软骨修复疗法有很多临床案例报导,结合人工关节移植和骨髓刺激很有前景。特别是,在软骨再生中所用的细胞间具有多系分化潜能的间充质干细胞(MSCs)的应用引起了研究者极大的兴趣。MSC可以诱导外周耐受并迁移到受伤的组织,通过缓解炎症和通过软骨分化来治疗关节软骨来避免或延迟关节置换手术,从而预防关节炎。但是,由于MSC的靶向效率低,当前基于MSC的疗法需要大量细胞用于关节内注射或侵入性手术,以用于毫米以上的支架植入;本研究展示了如何结合磁性操控概念提升靶向效率。

 

近期发表在Science Robotics杂志上题为“Human adipose–derived   mesenchymal stem cell–based medical microrobot system for knee cartilage regeneration in vivo”的文章,来自全南国立大学、韩国医学微机器人研究所Gwangjun Go、Jong Keun Seon、Eunpyo Choi及其合作者提出了一种基于人类脂肪的基于MSC的医用微型机器人系统,用于膝关节软骨的再生,并提出了一项体内试验,以验证使用软骨缺损模型的微型机器人的功效。


该微型机器人系统可以通过基于针头注射,靶向和固定,实现包含微创程序的靶向MSC递送。可以通过在微型机器人上进行细胞培养,使用靶向设备进行细胞递送以及使用固定设备将细胞安全固定,来证明使用该微型机器人系统进行的体内兔膝关节软骨再生。


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图1 使用磁性微型机器人介导的MSC输送系统进行膝关节软骨再生程序的概念概述。通过将磁性微团簇吸附在PLGA微支架上并加载MSC(步骤1),通过顺序过程制备了包含MSC的磁性微机器人。使用EMA系统将准备好的装有MSC的微型机器人运送至软骨缺损(步骤2)。在目标交付过程之后,使用永久磁铁将微型机器人固定到缺陷上(步骤3)。

 

微型机器人是通过依次形成PLGA微支架并在其表面吸附磁性微团簇来制造的,并将制备的磁性微团簇吸附在PLGA微支架上。在微型机器人的主动瞄准和固定实验之前,通过磁激励测试和磁化曲线研究了其在外部磁场下的磁性能。


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图2 磁性微型机器人和微型集群的特征。(A)磁性微团簇的SEM图像。(B)去离子水中磁性微团簇的尺寸分布。(C)Zeta电位图,显示了阿魏木醇和磁性微粒的离子表面电荷。(D)磁性微型机器人的SEM图像。顶部和底部:分别是微型机器人的整体3D多孔结构和孔形态。(E)微型机器人的EDX映射,主要由碳,氧和铁组成。(F)微型机器人及其孔的大小分布。(G)壳聚糖,阿魏酸,磁性微簇,PLGA微支架和微型机器人的FTIR光谱。(高)磁性微团簇,PLGA微支架和微型机器人的TGA曲线。(I)用溶菌酶溶液处理过的微型机器人的光学显微镜和SEM图像。在第33天,上下SEM图像的比例尺分别为100和20μm。(J)溶菌酶溶液引起的微型机器人直径随时间的变化(n>13)。(K)照片显示微型机器人对物理震动和磁吸力的反应。(L)通过VSM测量的阿魏酸酯,磁性微簇和微型机器人的磁滞曲线。

  

接下来,为了研究壳聚糖用于结合作为微型机器人的组成材料之一的阿魏酸的作用,根据阿魏酸和磁性微团簇的治疗评估了细胞在微型机器人中的体外增殖,粘附和分化。实验结果表明在规定条件下制造的微型机器人不影响细胞毒性和增殖,它是细胞生长的合适环境。


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图3 微型机器人不会影响分化能力,并为细胞生长提供了合适的环境。(A)在阿魏酸(0至64μgml-1)和磁性微团簇处理24小时后的细胞毒性评价(n= 3;*P<0.05,t检验)。(B)在PLGA微支架和微型机器人中培养24小时后的细胞毒性评估(n=4)。(C)根据向每个微型机器人播种5000个细胞后的孵育时间,连接到微型机器人的细胞数。(D)hADMSC-微型机器人的共聚焦图像,其中将MSC在微型机器人中孵育24小时。红色和蓝色分别代表细胞质和细胞核染色。(E)hADMSC在微型机器人和PLGA微支架中增殖1到22天(n=3)。(F)在软骨分化培养基中培养21天后的分化的hADMSC-微型机器人的图像。红色和蓝色分别描绘了COLII和细胞核的表达。(G)21天后软骨特异性基因的表达(n= 3;*P<0.05和**P<0.01,t检验)。


最后,通过体外和离体测试验证了每个组件,随后,使用拟议的微型机器人系统在兔膝软骨缺损模型中进行了体内软骨再生。因此,使用EMA系统和磁体将hADMSC微型机器人定位并固定到缺陷上,此时未发现炎症反应。位于缺陷中的微型机器人缓慢降解,并且MSC持续存在而没有凋亡。


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图4 磁铁通过微型机器人的磁性固定增强了MSC向软骨缺损的转运。(A)兔子膝盖关节上磁铁放置的示意图。黑色虚线框内的磁场和梯度图表示软骨缺陷的数值模拟结果。蓝色虚线框中的图形显示了磁铁尺寸的优化。(B)由缺陷区域内的磁体产生的磁场的数值模拟结果。在每个磁场图中,虚线(A,B和C)上的三个红点用于比较测量磁场和模拟磁场。(C)模拟(As,Bs和Cs)并在缺陷区域内45个位置测量(Am,Bm和Cm)磁场。(D)不带磁铁或带磁铁的微型机器人固定测试的延时图像。插图中靠近编号箭头的区域扩大了。比例尺,3毫米。时间以分钟:秒的格式显示在每个图像上。(E)不带(-)和带(+)磁体的微型机器人的固定率(n= 3; ***P<0.001,t检验)。(F)根据细胞负荷,磁铁的使用和细胞培养天数,微型机器人的粘附率(n= 3;*P<0.05,t检验)。MR,微型机器人;hMR,hADMSC微型机器人;ns,不重要。


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图5 磁铁通过微型机器人的磁性固定增强了MSC向软骨缺损的转运。(A)兔子膝盖关节上磁铁放置的示意图。黑色虚线框内的磁场和梯度图表示软骨缺陷的数值模拟结果。蓝色虚线框中的图形显示了磁铁尺寸的优化。(B)由缺陷区域内的磁体产生的磁场的数值模拟结果。在每个磁场图中,虚线(A,B和C)上的三个红点用于比较测量磁场和模拟磁场。(C)模拟(As,Bs和Cs)并在缺陷区域内45个位置测量(Am,Bm和Cm)磁场。(D)不带磁铁或带磁铁的微型机器人固定测试的延时图像。插图中靠近编号箭头的区域扩大了。比例尺,3毫米。时间以分钟:秒的格式显示在每个图像上。(E)不带(-)和带(+)磁体的微型机器人的固定率(n= 3; ***P<0.001,t检验)。(F)根据细胞负荷,磁铁的使用和细胞培养天数,微型机器人的粘附率(n= 3;*P<0.05,t检验)。MR,微型机器人;hMR,hADMSC微型机器人;ns,不重要。


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图6 使用磁性微型机器人介导的MSC递送系统进行体内软骨再生。(A)在瞄准(顶部)和固定(底部)步骤中,施加于兔膝的EMA系统和磁体的图像。(B)微型机器人在磁性瞄准后(上图)和磁性固定后1周(下图)的宏观外观。插图中显示了编号箭头附近的区域。比例尺,2毫米。(C)在hADMSC-微型机器人注射后的第一周和三周的总图像(顶部)和普鲁士蓝染色(底部)的图像。绿色(左)和黄色(右)的虚线框分别表示第一周和第三周的普鲁士蓝铁染色区域。DAPI(蓝色)用于CellTrace的复染。(E)微型机器人注射后,从炎症反应和调节器官中分离出的组织中,炎症基因IL1β,IL-6,TNF-α和IL-8的表达(n = 4)。(F)在第3周时,缺陷组(顶部)和微型机器人系统组(不包括中间,不包括中间)的软骨组织的H&E和COLII染色。(G)用ImageJ软件量化的COLII表达(n= 3; **P<0.01,测试)。


尽管已证明干细胞介导的微型机器人系统适用于体内软骨再生,但仍需要改进或开发一些技术问题,以应用于未来的临床测试。首先,需要开发一种注入设备,以稳定地注入一个装有细胞的微型机器人。

 


论文链接:

https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay6626


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