干细胞与分子影像学综述

干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的特殊细胞类群．它能在体内分化成各种类型的靶向细胞[1]，归巢至各种疾病引起的损伤部位，并在该部位分泌活性物质及调节其免疫反应[2]，进而修复受损的组织、减少炎症反应、促进血管再生[3]，实现其治疗潜能．因此，监测细胞在体内的存活、分布、增殖、分化等生物学行为对确定治疗的有效性至关重要[4]。目前，干细胞移植已成为许多疾病治疗的研究热点，但其效果常受到移植干细胞存活率、分化率以及靶向性等限制［5］。分子影像学的发展使在活体状态下示踪移植细胞的存活、迁徙成为现实。Weissleder[1]于1999年提出分子影像学概念,即在细胞和分子水平活体评价生物过程,包括体内示踪细胞的存活、迁徙。目前,其对细胞的示踪主要通过以下几种手段实现：（1）利用化学合成的分子探针标记细胞[6]；（2）借助病毒或非病毒载体转染细胞，在细胞内高表达报告基因[7]；（3）利用商品化的纳米粒子化学修饰后标记干细胞[8]．根据分子影像学手段的不同，细胞体内示踪成像主要包括超声成像、磁共振成像、核医学成像,后者主要包括单光子发射计算机断层显像(singlephotonemissioncomputedtomography,SPECT)和正电子发射计算机断层显像(positronemissiontomography,PET)。本文就干细胞在分子影像学几种成像手段进行总结。2核磁共振成像(Magneticresonancetomography)利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此绘制成物体内部的结构图像．MRI能通过软组织对比从而提供高质量的三维的功能和组织信息，而避免了电离辐射，因此能允许纵向评估细胞的种植和迁移[9]．临床中，通常将这种技术应用于人体内部结构的成像应用．2.1核磁共振成像的优缺点用MRI示踪的干细胞具有高空间分辨率、低毒性等优点，能确保干细胞的正确传递和提供可视的移植的最佳部位，同时以最佳剂量和时间窗口注射到病人体内，从而优化干细胞治疗体系[10]．但是MRI的信号不能有效地反映细胞的存活和增殖，因为铁离子能在死亡的细胞内有残留，并且它能转移到邻近组织．核成像半衰期短，不能长时间监测，并且高剂量的放射性示踪剂对细胞的存活和分化能力都有一定的影响[11]．该成像很难评估初始的细胞存活或者细胞数量．此外，在MRI中应用的超顺磁性氧化铁是一个缺点，因为当被标记的细胞凋亡时，巨噬细胞可以吞没该微粒，导致了细胞存活的信号有误差[12]．2.2核磁共振成像示踪干细胞在疾病中的应用2.2.1在神经系统疾病方面的应用有报道利用超顺磁性氧化铁（SPIO）标记的干细胞通过核磁第11期杨晓青，等．干细胞示踪在疾病中的应用173共振成像评估干细胞在该系统疾病中治疗的影响[13]．Hoehn等[14]用SPIO标记干细胞，注射至脑缺血老鼠大脑的非缺血区域，运用MRI实时监测移植后的干细胞迁移、分化进程及其再生潜能．通过成像观察到细胞沿着胼胝体迁移，填充在缺血侧大脑半球的区域．Guzman等[15]通过MRI深入分析了人神经干细胞在受损大脑内的生物学行为．通过该成像技术能实时观察用SPIO标记的神经干细胞能分化成神经元及神经胶质细胞．并且用MRI动态监测在不成熟啮齿动物的大脑内用SPIO标记的干细胞能迁移到相应的部位，相反的，在成熟的大脑内只有在受损时才会发生相应的迁移．该研究还运用大脑皮质中风模型，用MRI观测神经干细胞经胼胝体的迁移及其存活．2.2.2在心血管系统疾病方面近年来越来越多的研究通过高分辨率的MRI观察磁性纳米粒子标记干细胞治疗评价干细胞移植．在临床上也通过磁性纳米粒子及MRI的检测的技术评价干细胞的移植疗效．连续的MRI允许示踪确定细胞移植的部位和其持久性[16]．很多在心血管研究中运用核磁共振成像标记干细胞可行性和安全性已经得到认可．Kraitchman等[17]在心肌梗死模型中运用MRI无创地观察移植干细胞的数量及其植入部位，并且能用该成像技术客观评估心肌梗死的面积及局部心脏的功能．Terrovitis等[9]运用氧化铁粒子标记干细胞，通过MRI观察标记细胞的移植情况，并且验证了核磁共振成像的有效性是通过MRI的信号区分被标记细胞的存活来获得的．Wang等[18]更突破性地运用了MRI观察到注射后的干细胞在受损的心肌中能定向分化成为内皮细胞，进而促进干细胞修复心脏．该研究还通过该成像技术观察到注射后的干细胞仅能存活较短时间，但因干细胞的旁分泌作用，通过组织学的观察可验证其对受损心肌的修复能维持较长时间．2核医学显像SPECT和PET为核素示踪的显像技术。PET的显像原理决定了它较SPECT具有更高的空间分辨率和敏感性,其在神经系统中应用最广泛[19]。SPECT扫描需要准直器,只能检测到身体发射的小部分γ-射线,影响其敏感性;另外,散射也降低了它的空间分辨率[20]。各种组织或细胞均有特异或相对特异的分子标志物,利用适当的放射性核素标记这些特异性标志物来作为探针,能够在活体显示组织、细胞的存在和状态。根据感兴趣分子与探针的不同,核医学显像可以分为代谢显像、抗体显像、受体显像、报告基因显像和反义显像。3.1代谢显像其在临床科研中应用较多。最常用的分子探针是组织和细胞的代谢底物或类似物。如氟-18-脱氧葡萄糖(18F-FDG)是葡萄糖的类似物,被细胞摄取后在己糖激酶的作用下完成磷酸化,然后停留在细胞内浓聚而不再参于代谢。18F-FDG扫描可反映葡萄糖的代谢情况,从而间接反映疾病的状况[17]Hofmann等[22]研究18F-FDG标记的BMSC在心肌梗死病人心肌中的归巢情况,结果在心肌梗死区域(主要是心肌梗死边缘)发现了移植细胞。由于葡萄糖和氨基酸代谢是多通路、多分子调节的,故利用代谢显像示踪干细胞增殖的特异性较低。Doyle等[21]利用18F-FDG标记前体细胞,通过冠状动脉移植治疗心肌梗死,利用PET或CT可动态观察到细胞存活情况。Stelljes等[23]利用18F-FDG-PET做为一种敏感、无创的检查方法来检测移植物抗宿主病(GVHD)。3.2抗体显像抗体显像是利用抗原、抗体的特异结合,将抗体作为探针,以检测细胞表面抗原的存在。这一技术的关键是获得同源性抗体,并构造分子量小、呈脂溶性的抗体。3.3受体显像受体显像是将放射性标记配基引入体内,与特异性受体结合,从而显示受体作用的部位。受体显像最有可能首先进入干细胞活体示踪领域。神经受体显像剂有相对成熟的药物或药物衍生物作为标记底物。国内研究者用11C-raclopride与D2受体结合,进行PET显像,在神经前体细胞的移植部位看到了明显的放射性浓聚[24]。3.4报告基因显像报告基因显像将报告基因(如GFP)与靶基因耦联,通过测定表型蛋白,间接反映靶基因的表达。一种报告基因可以与多种靶基因耦联,一个报告基因系统能用于多种基因显像。但必须在体外将报告基因与靶基因耦联,然后用载体导入动物或人体内。3.5反义显像反义显像通过螯合剂将核素与反义寡核苷酸连接,在细胞内与靶基因的mRNA互补结合,从而显像,可反映目标DNA的转录情况。虽然这种技术尚未成熟,但其可能是彻底解决干细胞活体示踪技术的最终途径。利用PET示踪干细胞,在灵敏度、定量分析方面具有较大的优势,并已在干细胞移植治疗帕金森病研究中获得了很好的效果。但是,目前核医学显像仍不能完全解决干细胞活体示踪的问题,其主要原因是缺乏特异性干细胞标记物。随着干细胞特异性标记物的发现及分子探针技术的发展,PET将成为最有前途的示踪干细胞的分子影像学技术。3.超声成像综上所述，再生医学领域已取得显著进展，但是干细胞治疗疾病仍处于初级阶段．临床前研究有助于理解干细胞治疗各种疾病的机制及生物学行为．分子成像则能实时动态地评估干细胞的生物学特征，为干细胞治疗疾病提供良好的平台．即使分子影像包括荧光成像、生物发光成像、核磁共振成像等都存在一定的缺陷，如潜在成瘤性、细胞毒性等，但是越来越多的无创的分子影像学技术在干细胞示踪方面得到广泛应用，从而有利于客观动态评价干细胞在疾病治疗中的作用机制及生物学行为．［1］PEARLJI，LEEAS，LEVESON-GOWERDB，etal．Short-termimmunosuppressionpromotesengraftmentofembryonicandinducedpluripotentstemcells［J］．Cellstemcell，2011，8（3）:309－317.［2］LAIRC，ARSLANF，LEEMM，etal.ExosomesecretedbyMSCreducesmyocardialischemia/reperfusioninjury［J］．Stemcellresearch，2010，4（3）:214－222.［3］KARPJM，LENGTEOGS.Mesenchymalstemcellhoming:thedevilisinthedetails［J］．Cellstemcell，2009，4（3）:206－216.［4］NGUYENPK，NAGD，WUJC．Methodstoassessstemcelllineage，fateandfunction［J］．Advanceddrugdeliveryreviews，2010，62（12）:1175－1186.[5].QuattrocelliM，CassanoM，CrippaS，etal．Celltherapystrategiesandimprovementsformusculardystrophy．CellDeathDiffer，2010，17(8):1222－1229．［6］ZHAOW，SCHAFERS，CHOIJ，etal.Cell-surfacesensorsforreal-timeprobingofcellularenvironments［J］．Naturenanotechnology，2011，6（8）:524－531.［7］WEISSLEDERR，MAHMOODU.Molecularimaging［J］.RADIOLOGY-OAKBROOKIL，2001，219（2）:316－333.［8］YANGQ，PENGJ，GUOQ，etal.AcartilageECM-derived3-DporousacellularmatrixscaffoldforinvivocartilagetissueengineeringwithPKH26-labeledchondrogenicbonemarrow-derivedmesenchymalstemcells［J］．Biomaterials，2008，29（15）:2378－2387.［9］TERROVITISJ，STUBERM，YOUSSEFA，etal.Magneticresonanceimagingoverestimatesferumoxide-labeledstemcellsurvivalaftertransplantationintheheart[J]Circulation，2008，117（12）:1555－1562.［10］KRAITCHMANDL，BULTEJW.ImagingofstemcellsusingMRI［J］.BasicResCardiol，2008，103（2）:105－113.［11］ALTE，PINKERNELLK，SCHARLAUM，etal.Effectoffreshlyisolatedautologoustissueresidentstromalcellsoncardiacfunctionandperfusionfollowingacutemyocardialinfarction［J］．IntJCardiol，2010，144（1）:26－35.［12］LIZ，SUZUKIY，HUANGM，etal.Comparisonof