基于纳米材料的干细胞成像示踪
原创 医学参考报 干就有未来
撰文│杨传雪 胡益辉
编辑│李佳潞
审校│汤红明
干细胞治疗已在再生医学领域展现出良好的临床前疗效，但其安全性和作用机制尚未明确。因此，亟需发展合适的技术对干细胞体内移植后的存活、迁移、增殖、分化及体内药动学等进行可视化监测，加快其临床转化。近年来，纳米技术的飞速发展为干细胞体内示踪提供了新材料和新方法。
一、干细胞标记技术
与传统的组织病理学相比，非侵入式标记可对移植的干细胞进行实时监测。非侵入式标记分为直接标记和间接标记（图1）。目前，已发展了基于磁共振成像（MRI）、荧光、放射性核素成像（PET、SPECT）、计算机断层扫描（CT）、光声成像（PAI）、超声成像及多模态成像的多种纳米材料，用于干细胞的成像示踪。
图1 干细胞标记技术
A：直接标记法；B：间接标记法
二、纳米示踪剂
目前，已有包括无机纳米材料、有机纳米材料及有机-无机杂合纳米材料等作为示踪剂标记干细胞，广泛应用于干细胞示踪领域。
1.无机纳米示踪剂
（1）磁纳米颗粒 磁纳米颗粒是目前应用最广的干细胞成像示踪剂，尤其是超顺磁纳米颗粒，卓越的磁共振对比增强能力、优异的生物安全性和磁靶向性，使其在MRI应用中备受关注。Ferumoxytol是一种新型氧化铁磁性纳米制剂，已被FDA批准用于临床。Nejadnik等人开发了一种离体标记干细胞的方法，当ferumoxytol与含蛋白的培养基孵育时，培养基中的蛋白在纳米颗粒周围形成蛋白冠。蛋白冠增加了纳米颗粒的流体动力学直径，并通过吞噬作用促进了干细胞的摄取，从而增强MRI信号。
（2）硅纳米颗粒 硅纳米颗粒尤其是介孔硅，由于良好的生物相容性、结构可调、高的负载效率等优点，是极具前景的纳米载体。将造影剂负载于硅纳米颗粒上即可构建具有不同成像功能的纳米示踪剂，用于干细胞的体内外示踪。Chen等人构建了一种类似外泌体的二氧化硅纳米粒，不仅能增加纳米粒的回声性能，还能提高与干细胞的亲和力，大大增强细胞的超声对比度，实现了干细胞的超声成像示踪。
（3）贵金属纳米颗粒 贵金属纳米颗粒如金纳米粒、银纳米粒等，具有优良的表面等离子体共振特征，通用于生物成像，如拉曼成像、荧光成像、光声成像、CT成像等，是良好的干细胞纳米示踪剂。Huang等人合成了吲哚菁绿（ICG）和聚-L-赖氨酸（PLL）修饰的金纳米粒（AuNPs@BSA@ICG@PLL），标记干细胞，实现了干细胞在小鼠体内长达21天的双模态成像（CT和近红外荧光）示踪。
（4）量子点 量子点的尺寸通常在2～10 nm，具有尺寸依赖的荧光发射特征，高的光学稳定性和抗光漂白特性，提高了荧光成像在体内长期示踪干细胞的能力。此外，可通过调节组分和缺陷态结构，设计合成近红外发射的量子点，增加成像深度、提高信噪比。Chetty等人制备了量子产率高达88%的近红外CuInS2-ZnS量子点标记脐带来源的间充质干细胞，标记效率达98%。且量子点的标记对干细胞的增殖、分化和干性没有明显影响，可用于长期示踪。
（5）上转化纳米颗粒 上转化纳米颗粒通过反斯托克斯过程吸收长波长光子，发射短波长荧光，具有深的组织穿透能力，适用于体内干细胞的荧光成像示踪。Ma等人报道了修饰聚（丙烯酸）（PAA）和聚（烯丙胺盐酸盐）（PAH）的NaYF4:Yb3+,Er3+上转化纳米粒，作为荧光纳米探针高效标记干细胞。
（6）碳纳米材料 碳基纳米材料具有优良的机械强度、良好的热导率和光电学性能，在干细胞培养、分化调控和成像等领域凸显前景。如单壁碳纳米管固有的光学特性，包括拉曼、近红外荧光、光声等，作为造影剂标记干细胞，可实现干细胞的体内多模态成像。
2.有机纳米示踪剂
（1）聚合物纳米颗粒 聚合物纳米颗粒包括天然聚合物（壳聚糖、胶原、海藻酸、明胶）和合成聚合物（PLGA、聚乳酸），可生物降解，在生物医学领域有广泛应用。以聚合物纳米颗粒为载体负载成像造影剂，或构建可发射荧光/吸收近红外光的聚合物纳米颗粒标记干细胞，可用于干细胞体内外成像。Cao等人合成了在近红外Ⅱ区（NIR-Ⅱ）有强吸收的有机半导体纳米探针，通过内吞作用标记人间充质干细胞，实现了干细胞在体内高灵敏的NIR-Ⅱ光声成像示踪。
（2）脂质体 脂质体是由两亲性脂质分子自组装成的单层或多层微小囊泡，能够在亲水核心和疏水脂膜内包载功能分子，已被广泛应用于药物递送。负载成像造影剂构建脂质体纳米示踪剂，标记干细胞即可实现对干细胞的示踪。
（3）聚集诱导发光材料 聚集诱导发光材料（AIE）在分散状态下不发光，在聚集态下则发射强荧光，具有持久稳定的荧光信号和高的量子产率，可以稳定标记和长期示踪干细胞。Gao等人在AIE纳米颗粒表面修饰细胞穿透肽（TAT）构建了AIE-Tat纳米探针，高效标记小鼠骨髓间充质干细胞，实现了干细胞分裂增殖的长期示踪。进一步以羟基磷灰石为支架，在诱导成骨分化环境下，AIE-Tat纳米探针能用于骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的示踪监测。
3.有机-无机杂合纳米示踪剂
杂合纳米材料通常由两种及以上成分组成复合材料，一般一种为无机一种为有机它们能互补纯无机或纯有机材料的不足，发挥更好的优势，更适合再生医学的应用。结合有机、无机纳米材料的优势，可构建多模态纳米示踪剂，通过多种不同的成像技术精准示踪干细胞在体内的迁移、分布、驻留等。Lim等人合成了包裹Fe3O4纳米粒和近红外荧光染料Cy5.5的双环壬炔（BCN）共轭乙二醇壳聚糖纳米粒。通过糖代谢在干细胞表面标记叠氮化甘露糖，基于叠氮基与炔基的点击反应标记干细胞，用于大鼠脑卒中的MRI和荧光双模态成像示踪干细胞。
三、挑战与展望
纳米示踪剂的标记方法简单、性能相对稳定，可实现干细胞的体内外成像示踪，加速干细胞的临床转化。尽管研究人员已开发了多种干细胞纳米示踪剂，但目前仍存在一些挑战：纳米材料本身的生物安全隐患，已获批用于临床的纳米材料种类和数量很少；纳米示踪剂的成像灵敏度有限，干细胞的体内示踪受限；标记效率较低；难以实现干细胞在体内的存活、增殖分化、转移等过程的可视化监测；标记的干细胞死亡后释放的纳米颗粒可被巨噬细胞等内吞，产生假阳性。为进一步提高纳米示踪剂在干细胞再生研究中的应用，未来的纳米示踪剂应具备更多优异的功能特性：可长期示踪干细胞移植后的命运和再生能力，可监测干细胞的存活状态及分化过程中分泌的化学、生物等物质，可监测干细胞与微环境中细胞的相互作用，可调控干细胞的疗效等。
（ID：yxckbsc2022020501）
作者简介
胡益辉 博士
同济大学附属东方医院再生医学研究所助理研究员。聚焦多功能纳米材料的构建及其在肿瘤和干细胞中的诊疗应用研究，并承担国家自然科学基金、药物质量与安全预警教育部重点课题、江苏省基金、博士后基金等项目。近年来以第一作者和通信作者在Nano Letters、ACS Nano、Chemistry of Materials、
ACS Applied Materials & Interfaces、Biosensors & Bioelectronics等杂志上发表SCI论文多篇，引用次数超过1700次。
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《医学参考报》干细胞与再生医学专刊
由同济大学附属东方医院承办