纳米技术在干细胞移植体内示踪的应用（二）

Original 医学参考报干就有未来

2024-10-10

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编辑│陈圆圆 ┃ 审校│汤红明

成昱

同济大学医学院教授、同济大学附属东方医院纳米医学应用技术研究所执行所长、美国西北大学医学院兼职助理教授。长期从事纳米药物的转化医学研究，包括磁性复合材料、无机纳米材料与高分子材料的可控制备、干细胞介导纳米药物输送及其转化医学应用等领域。在利用先进的纳米药物传递系统方面具有多年的积累，在国际上较早利用纳米材料实现脑肿瘤的靶向治疗研究。相关工作发表在Adv Mater、J am Chem Soc、Adv Sci、Adv Durg Deliver Rev、Biomaterials、Small等国际专业学术期刊。

【编者按】纳米医学是将纳米科学与技术的原理和方法应用于医学领域的一门学科。随着纳米医学高速发展，纳米技术已然渗透到医学领域的诸多方面，其中纳米技术与干细胞结合已成为研究的热点。本报开设的纳米技术与干细胞专栏，围绕纳米技术在干细胞移植中的成像示踪、纳米技术调控干细胞增殖与分化、干细胞组织工程支架、干细胞作为纳米材料载体在肿瘤相关疾病的应用、纳米材料和干细胞结合治疗慢性疾病等研究热点领域，分六期进行系列报道，本期为系列二，主题为纳米技术在干细胞移植体内示踪的应用。

干细胞移植治疗具有巨大的医药应用潜力，但无法监测移植的干细胞在体内的动态过程如迁移、增殖、分化及未能明确解释干细胞治疗的机制。因此，如何进行干细胞体内示踪成为了阻碍其向临床转化的一大问题。近年来，随着纳米技术的发展，纳米材料被广泛应用于多种疾病的成像示踪中，同时纳米技术也实现了干细胞移植的体内示踪。

基于纳米技术的干细胞成像示踪通常是将外源性的纳米材料对干细胞进行标记，继而使用成像设备采集信号来提供干细胞在体内的信息。目前，基于纳米技术的干细胞成像示踪主要有荧光成像技术、核磁共振成像技术、多模态成像技术等。本文，简要回顾纳米技术在不同干细胞移植后体内成像示踪技术中的应用。

光学成像技术具有荧光强度高、稳定性强、激发波谱宽、发射波谱窄等光学特性，是干细胞体内示踪最常用的方式之一。光学成像技术包括生物发光成像（BLI）和荧光成像（FI），常用的荧光探针主要有荧光素酶、量子点纳米材料及上转换纳米材料等。荧光成像是将外源性纳米荧光材料与干细胞共孵育后，将标记的干细胞移植到体内后用特定波长的激光激发，同时用高灵敏度成像技术对移植干细胞进行示踪。研究者用以荧光素酶为模板生物矿化合成的近红外荧光纳米量子点标记干细胞，将其移植进入体内后，利用荧光素酶氧化底物产生的光激发量子点，产生组织穿透能力高的近红外荧光，用光学成像系统对干细胞进行活体示踪。光学成像存在的问题主要是组织穿透力有限，仅适用于小动物实验性成像的研究。

磁共振成像技术示踪干细胞已经显示出了良好的应用前景，具有空间时间分辨率高、组织对比度高、无辐射等优势。目前最常用于细胞标记的MRI示踪剂超顺磁氧化铁纳米粒子（SPION），其标记方式主要分为两种：直接标记和间接标记。直接标记是通过干细胞摄入SPION使其携带磁性纳米材料，而间接标记方式为通过基因转染使细胞表达特定的蛋白质, 增强弛豫率及组织对比度, 提高T1或T2加权成像。目前，磁性纳米材料结合磁共振成像技术能够实现对干细胞移植后的无创、安全、持续、动态的示踪观察。细胞携带磁性物质的含量、磁性标记的不同方式、细胞活性的维持均能影响干细胞成像示踪的效果。但核磁信号会随着细胞分裂而稀释，同时细胞内磁性材料的降解与外排也会影响磁信号。因此，在干细胞移植长期监测方面，核磁共振成像技术尚存不足。

多模态成像技术是指运用多种成像技术优势互补发展而来的成像技术。目前常见的多模态成像技术涉及PET/MRI成像技术、BLI/MRI成像技术、PET/BLI成像技术、近红外NIR/BLI成像技术等。其中，生物报告基因成像技术和外源标记成像技术生物报告基因结合，既可以揭示干细胞增殖与存活过程，又能通过外源标记成像提供干细胞迁移与分布的信息。例如，通过联合外源性近红外Ag₂S纳米荧光量子点和内源性红色生物发光的荧光素酶，利用双模态成像方法来监测移植干细胞在体内的命运。Ag₂S纳米荧光量子点具有近红外Ⅱ区荧光成像组织穿透力强和时空分辨率高的优势，且内源性红色荧光素酶仅在活的干细胞中发红光，因此能够动态地监控所移植干细胞在体内的运输、分布及存活情况。