- 科技報導
文章專區
2020-11-15神經細胞體外培養靠微型機器人
467 期
Author 作者
劉姿婷
.jpg)
（Pixabay）
大腦掌管感覺處理、運動、學習、記憶與決策等功能，這些複雜的功能仰賴神經元之間適當的連結，即有功能的突觸（synapse），方能正常運作。然而要深入研究神經網絡需要有更精確、靈敏的工具，來取代傳統人工操作。
韓國研究團隊於《科學進展》（Science Advances）期刊發表「磁力驅動微型機器人（magnetically actuated microrobot）」這項新工具。透過磁力控制的小機器能在神經細胞間精準執行指令，可望成為未來神經科學研究的利器。
以磁力控制「微米級」機器人
目前已有許多研究團隊利用物理、化學或機械性方法，如使用環狀與直線型網格的微模具，或藉由原子力顯微鏡（atomic force microscopy）探針尖端精確地接觸神經突（neurite）表面的方式，於體外（in vitro）操控神經細胞。透過影響神經細胞排列方式與引導神經突生長的方向性，建構出具功能的神經突，且可選擇性重建神經迴路。然而，這些研究方式仍需仰賴人工操作，不易快速且精確控制神經細胞。
為突破傳統人工技術的限制，南韓腦科學研究中心與大邱慶北科學技術院機器人工程學系聯合開發「磁力驅動微型機器人」，以機器代替人手操作。
顧名思義，研究人員可利用旋轉磁場（rotating magnetic field）控制大小僅300微米長、95微米寬、27微米高的「微型」機器人做移動。機器人表面具有寬度2微米、深度5微米的微溝槽，其尺寸與神經元的樹突（dendrite）及軸突的寬度相似，以此作為引導神經突生長的模具。此種機器人是利用雙光子聚合三維雷射微影技術（twophoton polymerization-based 3D laser lithography）製成，此技術應用了光起始劑（photon initiator）同時吸收兩個光子時激發自由基而產生的聚合作用，將感光材料的受光作用區域透過顯影過程聚合成實體結構。因為雙光子聚合反應只發生在雷射光聚焦的焦點附近極細微的區域，藉此特性得以製作微米級構造的物質。
用機器人做神經細胞培養
磁力驅動微型機器人起初被設計用於幹細胞遞輸與植入，因為其微型尺寸且可精確操控的特性，可作為細胞或藥物遞輸系統（cell/drug delivery system）的平台。最近，研究團隊進一步將此機器人應用於神經科學研究，以外部磁場驅動機器人，取代傳統以手工於體外培養神經細胞，大幅降低外部干擾，且能操作於人手無法觸及的細微位置。研究指出，透過磁力驅動微型機器人，可於10秒內將培養的神經元放置於目標位置，並於1分鐘內精確地導引其與欲連結的神經叢進行排列，讓研究人員能快速、精確地於細微處進行研究。
研究團隊利用磁力驅動微型機器人，成功培養了初代海馬迴神經元（primary hippocampal neuron），除了培養出的細胞具有正常的神經元型態，且細胞之間也可形成具有功能的突觸，如神經元可展現自發性放電活性（spontaneous firing activity）以及傳導動作電位（action potential）的等特性。
此外， 一般進行初代神經細胞培養時，會面臨培養皿中同時混合不同細胞種類（如星狀膠細胞、寡突膠細胞等）的情況，此情況下神經突隨機生長的方向性，使得培養出的神經元缺乏像正常海馬迴（hippocampus）與新皮質（neocortex）中錐形神經元（pyramidal neuron）這樣清楚的極性。而使用機器人進行神經細胞培養，透過機器人表面的微溝槽引導神經突生長的方向性，可讓培養出的神經元更貼近活體中的情況。
開發各式尺寸的微型機器人以應用於神經細胞遞輸，甚至縮小至進行單突觸的連接，將會是未來研究致力的方向。由於許多神經疾病肇因於神經突觸間的連結異常，若能以磁力驅動機器人作為體外培養神經細胞的平台，並模擬活體中的神經迴路，將有助拓展人類對神經網路的認知與神經疾病的治療策略。
新聞來源
1. Kim E et al., A magnetically actuated microrobot for targeted neural cell delivery and selective connection of neural networks. Sci Adv., 2020.
2. Sun H B . , Kawat a S . , Two-Photon Photopolymerization and 3D Lithographic Microfabrication. In: NMR．3D Analysis．Photopolymerization, Advances in Polymer Science, 2004.
3. Jeon S et al., Magnetically actuated microrobots as a platform for stem cell transplantation, Sci Robot, 2019.