Magnetoelectric and iron oxide-based micro/nanorobots for magnetic neuronal cell manipulation and wireless neuronal stimulation in brain diseases

Abstract

Neurodegenerative brain diseases and brain injuries, which result from the loss or degeneration of neurons, currently have no definitive treatment due to the limited regenerative capacity of neurons. Neural stem cells are considered a promising treatment, as they can form new neural networks when injected into damaged areas. Ongoing studies aim to improve targeted delivery by utilizing magnetic microrobots and magnetic fields to enhance the efficiency of cell transplantation. In addition, to enhance the therapeutic effect, magnetic microrobots with the special ability to deliver primary neurons or induce differentiation into neurons through electrical stimulation after delivering cells have been developed to induce neural stem cells delivered by magnetic microrobots to generate neurons in the lesion. However, microrobots with the ability to deliver cells and induce neuron formation have not yet been optimized for delivery into brain tissue. Single cell-based microrobots can cross the Blood-brain barrier (BBB) or reach brain tissue via the nasal route due to the special capabilities of the cells or their sufficiently small size. In this thesis, single cell-based cell delivery and neuron generation microrobots are proposed. Neuron-based microrobots (neuro-bots), which consist of single cells, are capable of generating neurons by delivering primary hippocampal neurons. Another neuron-generating microrobot, the magnetoelectric cell-based microrobot (ME cell-bot), is a single cell-based microrobot that can deliver cells and then electrically stimulate them through the magnetoelectric effect to induce neuronal differentiation.|본 논문은 퇴행성 신경질환 및 뇌손상을 치료하기 위해 자기장을 이용하여 세포를 전달하고 신경세포를 생성하는 자기장 구동 마이크로로봇을 제안합니다. 신경세포는 완전히 분화된 세포여서 스스로 재생이 어렵기 때문에 퇴행성 뇌질환 및 뇌손상은 난치성 질환으로써 확실한 치료법이 존재하지 않습니다. 약물 치료제, 뇌심부 자극술 등 신경퇴행성 질환에 대한 증상완화에 대한 치료법이 있으나 일시적인 개선효과만이 있습니다. 때문에 새로운 세포 이식을 통해 새로운 신경망을 재건하는 신경줄기세포이식 치료법은 퇴행성 신경질환 및 뇌손상을 치료하기 위한 잠재력 있는 방법으로 연구되고 있습니다. 더불어 신경줄기세포를 정확한 지점에 전달하여 세포전달율을 높이기 위해 개발되고 있는 마이크로/나노로봇 기술은 세포를 담지하고 자기장을 이용하여 세포를 정밀하게 전달할 수 있는 치료법으로 바이오 메디컬 분야에서 주목받고 있습니다. 추가적으로 마이크로/나노로봇을 통해 전달된 세포가 신경세포를 생성할 수 있도록 일차 뉴런세포를 전달하거나 세포를 전달한 후 신경분화를 유도할 수 있는 능력을 마이크로/나노로봇에 탑재하는 등 마이크로/나노로봇을 이용한 세포전달 치료법은 개선된 기술들을 통해 발전하였습니다. 하지만 세포전달 및 신경생성 마이크로로봇의 경우 뇌 조직에 접근할 수 있는 설계가 이루어지지 않고 있습니다. 현재까지의 세포전달 및 신경생성 마이크로/나노로봇은 그 개념만을 제시했을 뿐 혈관-뇌 장벽을 통과하거나 비강경로를 통해 뇌 조직에 도달할 수 있는 디자인을 제시하지 못하였습니다. 본 연구에서는 뇌 조직으로의 접근 가능성을 가지고 있는 단일 세포 기반 세포전달 및 신경생성 마이크로로봇을 제안합니다. 뉴런기반 마이크로로봇 (뉴로봇)은 단일 해마 일차 뉴런세포로 이루어진 마이크로로봇으로 자기장을 이용하여 해마 일차 뉴런세포를 직접 전달하는 것이 가능합니다. 또다른 모델인 단일 세포 기반 자기-전기 세포로봇 (자기-전기 세포봇)은 신경유사세포를 자기장을 이용하여 정밀하게 전달할 수 있고 교류-직류 자기장을 이용하여 전달된 세포봇 내 자기-전기 자극을 발생시켜 신경분화를 유도하는 것이 가능합니다.