干細胞與分子影像學綜述

1、干細胞是一類具有自我更新和分化潛能的特殊細胞美群.它能在體內(nèi)分化成各種類型的靶向 細胞1,歸巢至各種疾病引起的損傷部位，首在該部位分泌活性物質(zhì)及調(diào)節(jié)其免疫反應2, 伐而修復受損的組織、減少炎癥反應、促伐血管再生3,實現(xiàn)其治療潛能.因此，監(jiān)測細胞 在體內(nèi)的存活、分布、增殖、分化等生物學行為對確定治療的有效性至關重要苻目前，孑細 胞移植已成為許多疾病治療的研究熱點，但其效果常受到移植孑細胞存活率、分化率以及靶向性等限制5。 分子影像學的發(fā)展使在活體狀態(tài)下示蹤移植細胞的存活、遷徙成為現(xiàn)實。Weissleder于199；年 提出分子影像學概念，即在細胞和分子水平活體評價生物過程，包括體內(nèi)示蹤細胞的存活

2、、遷徙。 目前，其對細胞的示蹤主要通過以下幾種手段實現(xiàn)：(1)利用化學合成的分子探針標記細 胞6;( 2 )借助病毒或非病毒載體轉(zhuǎn)染細胞，在細胞內(nèi)高表達報告基耳7；( 3 )利用商品化的納米粒孑化學修飾后標記干細胞回.根據(jù)分孑影像學手段的不同，細胞體內(nèi)示蹤成 像主要包括超聲成像、磁共振成像、核醫(yī)學成像，后者主要包括單光子發(fā)射計算機斷層顯像 (single photon emission computedtomography, SPECT)和正電子發(fā)射計算機斷層顯像(positron emission tomography, PET)。本文就干細胞在分孑影像學幾種成像手段伐的總結。2 核磁共振成

3、像(Magnetic resonance tomography)利用核磁共振原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結構環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波， 即可得知構成這一物體原孑核的位置和種類，據(jù)此繪制成物體內(nèi)部的結構圖像.MRI能通 過獲組織對此從而提供高質(zhì)量的三維的功能和組織信息，而避免了電離輻射，因此能允許縱 向評估細胞的種植和遷移回.臨床中，通常將這種技術應用于人體內(nèi)部結構的成像應用.2.1核磁共振成像的優(yōu)缺點用MRI示蹤的干細胞具有高空間分辨率、低毒性等優(yōu)點，能確保干細胞的正確傳遞和提供 可視的移植的最佳部位，同時以最佳劑量和時間窗口注射到病人體內(nèi)，從而優(yōu)化干細胞

4、治療 體系10.但是MRI的信號不能有效地反映細胞的存活和增殖，因為鐵離子能在死亡的細胞 內(nèi)有殘留，并且它能轉(zhuǎn)移到鄰近組織.核成像半衰期短，不能長時間監(jiān)測，并且高劑量的放 射性示蹤劑對細胞的存活和分化能力都有一定的影響切.該成像很難評估初始的細胞存活或 者細胞數(shù)量.此外，在MRI中應用的超順磁性氧化鐵是一個缺點，因為當被標記的細胞凋 亡時，巨噬細胞可以吞沒該微粒，導致了細胞存活的信號有誤差12.2.2核磁共振成像示蹤干細胞在疾病中的應用2.2.1在神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的應用有報道利用超順磁性氧化鐵(SPIO)標記的干細胞通過 核磁第11期楊曉青，等.孑細胞示蹤在疾病中的應用173共振成像評估干細胞

5、在該系統(tǒng)疾病中治 療的影響13. Hoehn等兩用SPIO標記干細胞，注射至腦缺血老鼠大腦的非缺血區(qū)域，運用 MRI實時監(jiān)測移植后的干細胞遷移、分化伐程及其再生潛能.通過成像觀察到細胞沿著胼 胝體遷移，填充在缺血側(cè)大腦半球的區(qū)域.Guzman等同通過MRI深入分析了人神經(jīng)干細 胞在受損大腦內(nèi)的生物學行為.通過該成像技術能實時觀察用SPIO標記的神經(jīng)干細胞能分 化成神經(jīng)元及神經(jīng)股質(zhì)細胞.首且用MRI動態(tài)監(jiān)測在不成熟嚙齒動物的大腦內(nèi)用SPIO標記 的干細胞能遷移到相應的部位，相反的，在成熟的大腦內(nèi)只有在受損時才會發(fā)生相應的遷 移.該研究還運用大腦皮質(zhì)中風模型，用MRI觀測神經(jīng)干細胞經(jīng)胼胝體的遷移及

6、其存活.2.2.2在心血管系統(tǒng)疾病方面近年來越來越多的研究通過高分辨率的MRI觀察磁性納米粒 孑標記干細胞治療評價干細胞移植.在臨床上也通過磁性納米粒孑及MRI的檢測的技術評 價干細胞的移植療效.連續(xù)的21印 允許示蹤確定細胞移植的部位和其持久性16.很多在心 血管研究中運用核磁共振成像標記干細胞可行性和安全性已經(jīng)得到認可.Kraitchman等17 在心肌梗死模型中運用MRI無創(chuàng)地觀察移植干細胞的數(shù)量及其植入部位，首且能用該成像 技術客觀評估心肌梗死的面積及局部心臟的功能.Terrovitis等回運用氧化鐵粒孑標記干細胞，通過MRI觀察標記細胞的移植情況，首且驗證了核磁共振成像的有效性是通過

7、MRI的 信號區(qū)分被標記細胞的存活來獲得的.Wang 等 18 更突破性地運用了 MRI觀察到注射后的 干細胞在受損的心肌中能定向分化成為內(nèi)皮細胞，伐而促伐干細胞修復心臟.該研究還通過 該成像技術觀察到注射后的干細胞僅能存活較短時間，但因干細胞的旁分泌作用，通過組織 學的觀察可驗證其對受損心肌的修復能維持較長時間.2核醫(yī)學顯像SPECT 和PET為核素示蹤的顯像技術。PET的顯像原理決定了它較SPECT具有更高的空 間分辨率和敏感性，其在神經(jīng)系統(tǒng)中應用最廣泛19。SPECT掃描需要準直器，只能檢測到身體 發(fā)射的小部分Y-射線，影響其敏感性；另外，散射也降低了它的空間分辨率20。各種組織或細 胞

8、均有特異或相對特異的分子標志物，利用適當?shù)姆派湫院怂貥擞涍@些特異性標志物來作為探 針，能夠在活體顯示組織、細胞的存在和狀態(tài)。根據(jù)感興趣分子與探針的不同，核醫(yī)學顯像可以 分為代謝顯像、抗體顯像、受體顯像、報告基因顯像和反義顯像。3.1代謝顯像其在臨床科研中應用較多。最常用的分子探針是組織和細胞的代謝底物或類似物。 如氟-18-脫氧葡萄糖(18F- FDG)是葡萄糖的類似物，被細胞攝取后在己糖激酶的作用下完成 磷酸化，然后停留在細胞內(nèi)濃聚而不再參于代謝。18F- FDG掃描可反映葡萄糖的代謝情況，從 而間接反映疾病的狀況17Hofmann等22研究18F- FDG標記的BMSC在心肌梗死病人心肌中

9、 的歸巢情況，結果在心肌梗死區(qū)域(主要是心肌梗死邊緣)發(fā)現(xiàn)了移植細胞。由于葡萄糖和氨基 酸代謝是多通路、多分子調(diào)節(jié)的，故利用代謝顯像示蹤干細胞增殖的特異性較低。Doyle等21 利用18F- FDG標記前體細胞，通過冠狀動脈移植治療心肌梗死，利用PET或CT可動態(tài)觀察 到細胞存活情況。Stelljes等23利用18F- FDG- PET做為一種敏感、無創(chuàng)的檢查方法來檢測移 植物抗宿主病(GVHD)。3.2抗體顯像抗體顯像是利用抗原、抗體的特異結合，將抗體作為探針，以檢測細胞表面抗原的 存在。這一技術的關鍵是獲得同源性抗體，并構造分子量小、呈脂溶性的抗體。3.3受體顯像受體顯像是將放射性標記配基

10、引入體內(nèi)，與特異性受體結合，從而顯示受體作用的 部位。受體顯像最有可能首先進入干細胞活體示蹤領域。神經(jīng)受體顯像劑有相對成熟的藥物或藥 物衍生物作為標記底物。國內(nèi)研究者用11C- raclopride與受體結合，進行PET顯像，在神經(jīng) 前體細胞的移植部位看到了明顯的放射性濃聚24。3.4報告基因顯像報告基因顯像將報告基因(如GFP)與靶基因耦聯(lián)，通過測定表型蛋白，間接 反映靶基因的表達。一種報告基因可以與多種靶基因耦聯(lián)，一個報告基因系統(tǒng)能用于多種基因顯 像。但必須在體外將報告基因與靶基因耦聯(lián)，然后用載體導入動物或人體內(nèi)。3.5反義顯像反義顯像通過螯合劑將核素與反義寡核苷酸連接，在細胞內(nèi)與靶基因的

11、mRNA互 補結合，從而顯像，可反映目標DNA的轉(zhuǎn)錄情況。雖然這種技術尚未成熟，但其可能是徹底解決 干細胞活體示蹤技術的最終途徑。利用PET示蹤干細胞，在靈敏度、定量分析方面具有較大的 優(yōu)勢，并已在干細胞移植治療帕金森病研究中獲得了很好的效果。但是，目前核醫(yī)學顯像仍不能 完全解決干細胞活體示蹤的問題，其主要原因是缺乏特異性干細胞標記物。隨著干細胞特異性標 記物的發(fā)現(xiàn)及分子探針技術的發(fā)展,PET將成為最有前途的示蹤干細胞的分子影像學技術。3.超聲成像綜上所述，再生醫(yī)學領域已取得顯著伐展，但是干細胞治療疾病仍處于初級階段.臨床前研 究有助于理解干細胞治療各種疾病的機制及生物學行為.分孑成像則能實時

12、動態(tài)地評估干細 胞的生物學特征，為干細胞治療疾病提供良好的平臺.即使分孑影像包括熒光成像、生物發(fā) 光成像、核磁共振成像等都存在一定的缺陷，如潛在成瘤性、細胞毒性等，但是越來越多的 無創(chuàng)的分孑影像學技術在干細胞示蹤方面得到廣泛應用，從而有利于客觀動態(tài)評價干細胞在 疾病治療中的作用機制及生物學行為.1 PEARL J I, LEE A S, LEVESON-GOWER D B, et al. Short-term immunosuppression promotes engraftment of embryonic and induced pluripotent stem cells j. Cel

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