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急性脊髓损伤（Spinal cord injury, SCI）是一种高致残率的创伤性疾病。神经重塑是这些损伤恢复的关键过程。然而，过度激活的免疫反应和损伤后生长因子的缺乏显著阻碍了神经重塑和轴突再生。传统的外周注射免疫治疗和药物注射方法靶向性低、起效延迟且副作用明显（例如感染或股骨头坏死）。针对这些问题，基于树突状细胞(Dendritic cell, DC)的疫苗因其可以激活抗原特异性T细胞，调节免疫反应，可以用来治疗中枢神经系统疾病。最近，基于细胞的生物相容性微型机器人因其具有自推进主动靶向等优势，可用于靶向药物输送，有望为精准医疗提供新的解决方案。微型机器人可在磁、光、声等物理场下实现自推进运动，而磁驱动微型机器人因其操控成熟、对生物体无明显损伤而广泛应用。
近日，一项由哈尔滨医科大学附属第二医院，哈尔滨工业大学联合开展的最新研究发表在JCR1区International Journal of Extreme Manufacturing杂志。在这项研究中，研究者开发了一种基于树突状细胞（dendritic cell，DC）的微型机器人（DC robot），该机器人具有双重功能，旨在实现快速靶向免疫调节和高效的体内神经营养因子递送（图1）。DC机器人由树突状细胞和磁性马达组成，包含Fe3O4纳米颗粒、源自髓鞘碱性蛋白（MBP）的修饰肽配体（APL），其来源于第91位赖氨酸被丙氨酸取代的APL MBP87-99（MBP87-99A91，A91），以及免疫佐剂大肠杆菌（E. coli）膜（EM）。Fe3O4纳米颗粒用于磁驱动，A91和EM可以增强DC的抗原呈递能力，并在脊髓损伤后调节中枢神经系统免疫细胞以及促进神经营养因子分泌。在脊髓损伤小鼠体内实验中，DC robot能够促进局部神经保护性免疫反应和神经营养因子的递送，完成髓鞘再生，实现小鼠运动神经功能的修复。哈尔滨医科大学附属第二医院骨科王玉玞教授和哈尔滨工业大学机电学院李天龙教授、赵杰教授，英国剑桥大学纪凤同教授为文章共同通讯作者。哈医大二院骨外科牛佳文博士、哈工大机电学院刘辰禄博士，郑州大学机械与动力工程学院张伟伟教授为本文的共同第一作者。
图1 DC robot在小鼠体内主动靶向治疗SCI的示意图
体外实验部分首先经SEM、TEM、CLSM表征，成功构建了EM@NPs及DC robots。DLS检测结果显示EM@NPs的平均粒径为197nm。Zeta电位检测结果显示EM@NPs的平均电位为-14.42 ± 4.232 mV。VSM检测结果显示EM@NPs的饱和磁化强度为31.69 emug-1。CCK-8检测结果显示DCs吞噬EM@NPs后12小时、24小时的平均存活率分别为95%和86%。BCA检测结果显示MBP87-99A91在EM@NPs中的平均负载率和包封率分别为55.6%和82.26%。CLSM结果显示EM@NPs能成功被DCs吞噬并定位在溶酶体，且在吞噬后12小时后发生溶酶体逃逸。qRT-PCR结果显示EM@NPs降低了DCs相关炎症因子的表达量。体外共培养实验中，CCK-8检测结果显示DC robots提高T淋巴细胞增殖能力。qRT-PCR和ELISA结果显示EM@NPs提高了DCs神经生长因子的分泌能力。流式细胞术及qRT-PCR结果证明EM@NPs能提高DCs表面MHC II和共刺激分子的表达情况，进而提升DCs抗原提呈能力。MLR体系流式细胞术结果证明，DC robots促进CD4+T细胞向Th2亚型和Treg亚型极化，并能提高CD4+T细胞神经营养因子的分泌量。
图2 DC robot的表征
图3 DC robot的低致炎性与抗原提呈能力检测
随后在体外均匀旋转磁场作用下，DC robots实现高效游动，在磁强度和频率为15mT和9Hz下，运动速度可达18.3μm s-1，并可以实现链状和带状集群运动。
图4 DC robot体外运动能力检测
体内实验部分，小动物活体成像和MRI结果显示DC robots可以在均匀旋转磁场作用下高效主动靶向脊髓损伤区。Luminex高通量测序、RNA测序及ELISA等结果证实，DC robots能抑制损伤局部免疫反应过度活化，抑制促炎性细胞因子的表达，促进抗炎性细胞因子的释放以及促进神经生长因子的表达，进而在损伤部位构建神经保护性微环境。通过IF、MRI和TEM等方法证实，DC robots能调控局部免疫微环境，促进SCI小鼠损伤后轴突再生、神经元保护以及髓鞘再生。最终通过小鼠运动功能评分（Basso Mouse Scale, BMS）、冯·弗雷感觉测试（Von Fey test）、小鼠Catwalk步态分析及Smart 3.0小动物行为学评估系统证实，DC robots能促进SCI小鼠运动功能恢复。
图5 DC robot在体内主动靶向SCI区域
图6 DC robot在SCI区域构建了神经保护型免疫微环境
图7 DC robot促进了SCI部位神经营养因子分泌与轴突再生
图8 DC robot促进了SCI小鼠运动功能恢复
DC robots作为一种基于免疫细胞构建的微型机器人，具有免疫调控和分泌神经生长因子的能力。在体外具有低致炎性、抗原提呈和分泌神经生长因子的能力，可在磁场控制下完成可控运动，并且能调控CD4+T淋巴细胞向Th2和Treg亚型极化，并促进其释放抗炎性细胞因子及神经生长因子。并且在体外在外源旋转磁场作用下，可在SCI小鼠体内快速靶向至损伤区，在损伤部位构建神经保护性微环境并持续递送神经生长因子，促进SCI后轴突再生，神经元保护以及髓鞘再生，最终实现了脊髓损伤小鼠的运动功能恢复。这一结果提示，DC robots作为一种新型治疗手段，为急性CNS损伤的早期精准治疗提供了新思路。
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