瘫痪小鼠4周重新走路，磁控细胞机器人成功修复受损脊髓

因脊髓损伤而丧失运动能力的小鼠，能否重新恢复行走？在苏黎世联邦理工学院高级研究员叶皓作为第一作者发表于 Nature Materials 的最新研究中，团队给出了一个令人关注的答案。

他告诉 DeepTech，在实验中，脊髓完全横断后的小鼠后肢几乎失去自主运动能力，只能依靠前肢拖动身体。经过 NPCbot 治疗约 4 周后，小鼠开始表现出明显的运动功能恢复。即使它的步态远未达到正常水平，但已经能够重新产生可观察的后肢步进动作。“看到它重新迈出步子的时候，实验室里所有人都安静了下来。”回忆起那一刻，叶皓仍然印象深刻。

而这背后得益于他们给这只小鼠注射了一种叫 NPCbot 的微型机器人，这款微型机器人其实是一种活生生的神经祖细胞，它的外面裹着纳米颗粒，可以被磁场加以引导和操控。

在人类医学领域，脊髓损伤患者等了治疗希望已经等了太久。最著名的例子是《超人》演员克里斯托弗·里夫，他从马背上摔下来之后颈部以下瘫痪，后来他的余生都在推动干细胞研究。事实上，目前临床上仍缺乏能够稳定实现神经功能重建的有效修复手段，这是因为中枢神经元的再生能力极差，而被移植进去的细胞很难存活，更别提按指令分化了。

基于这一问题，叶皓所在团队尝试给细胞装上导航和开关。这类患者的损伤部位在脊柱里，位置往往很深，周围都是骨头和软组织。传统细胞移植面临细胞在损伤区域滞留不足、存活率有限以及分化方向难以控制等问题。

叶皓和同事们使用了一种磁电纳米粒子，它的核心是钴铁氧体，外壳是钛酸钡。当这两种材料组合在一起后，纳米粒子一方面可以响应磁场用于磁引导，另一方面可以在交变磁场刺激下产生局部电信号，从而促进细胞分化。

研究中，他们把这些纳米粒子附着在人类神经祖细胞的表面，神经祖细胞是一类具有神经谱系分化潜能的前体细胞，能够进一步分化为神经元或星形胶质细胞等细胞类型。他们还使用了微流控芯片，像流水线一样把细胞和纳米粒子组装了起来，其中一个芯片就能同时制造大量 NPCbot，整个过程下来不过 40 分钟，细胞存活率超过 85%。

而在体外施加交变磁场时，纳米粒子会把磁场信号转化为局部电场。这个电场起到了一双手的作用，它能够轻轻推细胞一把，告诉它该往神经细胞的方向进行分化了。βIII-tubulin 和 MAP2 是常用的神经元分化标志。免疫荧光结果显示，AMF 刺激后 NPCbot 组这两种标志物的平均荧光强度分别提高约 35.3 倍和 28.0 倍。

据了解，小鼠的脊髓被切断了 2 毫米，在以前这个缺口是神经纤维无法跨越的鸿沟。但在本次研究之中，在手术 7 天之后叶皓等人把 NPCbot 注射到损伤部位，与此同时利用外部磁场引导细胞定植在缺口里面。在接下来两周里，他们每天都施加了 30 分钟的交变磁场。

（来源：Nature Materials）

第 21 天的时候，小鼠的后腿开始动了。第 34 天的时候，小鼠能在跑道上留下清晰的脚印，步长也明显长于未经治疗的小鼠。Basso 小鼠量表（Basso Mouse Scale，BMS）评分从损伤组约 0.7 提高到 NPCbot 组约 3.9，3.9 分说明小鼠从几乎无有效后肢运动恢复到出现明显后肢活动、步态改善和部分足底着地能力，这一结果代表显著运动功能改善。

另据悉，叶皓和同事也在斑马鱼身上验证了效果。由于斑马鱼是透明的，因此可以在显微镜下直接观察细胞的行为。研究中，他们在 2 天大的斑马鱼幼虫背部脊髓做了切口，借此切断了神经束。然后，在注射 NPCbot 之后，每天都给其施加 2 小时的交变磁场。

第 3 天的时候，治疗组的斑马鱼开始已经能够在 96 孔板里快速游动，并且游动速度和健康鱼差不多。而那些没有接受治疗的斑马鱼活动范围明显受限，游动速度和距离显著下降。叶皓等人还使用 Zebrabox 系统记录了斑马鱼的轨迹，结果发现治疗组的斑马鱼沿着孔壁绕圈，其实这是一种探索行为，这说明它们的感官和运动回路得到显著提升。

在显微镜下，叶皓和同事还观察到，GFAP 阳性星形胶质细胞相关信号在损伤部位增强，并呈现出类似桥梁的结构。与此同时，由乙酰化微管蛋白标记的神经突起从损伤缺口两侧向中间延伸，显示出神经连接重建的趋势。

共定位分析显示，NPCbot 标记信号与 GFAP 阳性组织信号的空间共定位增加约 2.6 倍，Pearson 相关系数约提高 2 倍，提示 NPCbots 与损伤区域组织之间存在更强的空间关联和整合趋势。这说明 NPCbots 不仅能够在磁场刺激下发生分化，也可能促进损伤微环境中的宿主细胞反应和组织修复过程。

其实，纳米颗粒不仅可以参与调控分化，也可能帮助细胞在损伤部位更好地定位和整合。要知道，损伤部位的环境非常复杂，炎症反应强，血供和营养支持也较差，这些都会限制移植细胞的存活和功能发挥。

而 NPCbot 表面的纳米颗粒可能通过磁引导和局部电信号作用，增强细胞在损伤区域的滞留和分化效果。不过背后的具体机制还在研究中，叶皓在采访里说这一成果离临床应用还有很多工作要做。

据介绍，本次论文的通讯作者包括苏黎世联邦理工学院的 Bradley Nelson 教授和 Salvador Pané 教授。团队长期从事磁性微型机器人、多功能微纳材料及其生物医学应用研究。叶皓此前就读于沈阳药科大学八年制本硕博连读项目，专业方向为药剂学，后来逐渐转向交叉学科递送系统研究。

他在采访中提到，传统细胞疗法在很大程度上仍像把种子撒入土壤，细胞能否在目标位置存活、分化并发挥作用，往往受到复杂体内环境的限制。而他的思路，是为这些“种子”配上导航系统和可调控的微环境，让细胞尽可能在该到达的位置停留，并在合适的时间启动分化和修复过程。

总的来说，此次瘫痪小鼠重新出现后肢步进动作，确实是一个令人振奋的结果。过去几十年里，脊髓损伤修复一直是再生医学中的重大难题。

从细胞移植到生物材料支架，从神经营养因子到电刺激，科学家们已经探索了多种治疗路径，其中不少方向也已进入临床研究阶段，但目前仍缺乏能够稳定、广泛应用并实现可靠功能重建的治疗方案。

叶皓等人打造的 NPCbot 的独特之处在于，将磁导航和磁电刺激整合进细胞治疗平台，从而增强细胞在损伤区域的定位能力，诱导神经谱系分化，并促进其与宿主组织的整合。

（来源：Nature Materials）

其实，科技史上也有很多这种例子，即把复杂的系统工程拆成简单模块，然后再重新组装。叶皓的工作本质上是在做同样的事，那就是把细胞疗法从不可控走向更加可控。

眼下，实验数据还局限在啮齿类和鱼类模型，要想推向人类患者，还需要在灵长类动物身上验证，此外还得解决规模化制备和长期安全性的问题。而纳米粒子在体内是否会长期滞留、如何清除、是否会引起慢性毒性或免疫反应，这些都是绕不过去的问题。此外，叶皓下一步的计划还包括优化磁场参数、开发实时成像追踪系统，以及建立标准化的生产工艺等。

参考资料：

相关论文

https://www.nature.com/articles/s41563-026-02625-3

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成