多模式光学成像揭示移植干细胞分布、存活和分化行为

基于干细胞的再生医学疗法被誉为“第三次医学革命”。干细胞疗法是通过将具有多向分化潜能的干细胞移植到患者体内，以修复或替换受损细胞或组织，从而达到治疗一些传统疗法难以治愈的疑难杂症的新方法。目前，对于移植干细胞在活体内的分布、迁移以及增殖和分化过程仍不清楚，难以界定干细胞的治疗过程和效果，这也成为干细胞治疗方法的开发和临床应用的主要障碍。此外，移植干细胞在活体内的分布、存活和分化是相互关联、相互影响的过程，如何同时在同一个个体中对移植干细胞的分布、存活和分化进行监测是目前干细胞研究的一大挑战和重要需求。近期，中科院纳米所的王强斌（点击查看介绍）团队成功开发了一种多模式光学成像技术，成功实现了对移植干细胞在颅骨损伤小鼠模型中分布、存活和分化等多种行为的示踪（图1）。

图1. 干细胞在体分化行为分析的多功能活体成像技术示意图。（A）干细胞分布、存活和分化示踪技术示意图；（B）宽光谱活体影像系统成像示意图（光谱响应范围400-1700 nm）。

在前期的研究中，王强斌团队针对传统荧光（400-900 nm）成像技术，在活体成像研究中面临组织穿透深度低（<5毫米）、空间分辨率低（~1000微米）和时间分辨率低（~1000毫秒）等挑战，在国际上率先提出了一种新型的近红外II区荧光(1000-1700 nm) Ag₂S量子点体系（J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1470; Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 7115; J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 4918），并且突破成像设备的限制，“从无到有”自主开发了系列近红外II区荧光成像设备，建立了跨层次、多尺度的原位、实时活体影像技术平台，实现了高组织穿透深度（>15毫米）、高空间分辨率（~25微米）、高时间分辨率（~30毫秒）的活体“可视化”研究（ACS Nano, 2012, 6, 3695; Biomaterials, 2014, 35, 393; Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 9818; Adv. Mater., 2017, 29, 1605754; Adv. Mater., 2018, 30, 1804437）。

有了以上工作的基础，王强斌团队利用高时空分辨的近红外II区荧光成像技术整合可以特异指示干细胞的存活和成骨分化的多功能生物发光成像技术，构建了可以对移植干细胞动态分布、存活和成骨分化的多功能活体影像技术（图2）。在该系统中，基于Ag₂S量子点的高时空分辨近红外II区荧光成像技术，作者可以提供移植干细胞的动态分布信息；CMV启动子控制的RFLUC报告基因提供移植干细胞的活性信息；Col1A1启动子控制的GLUC报告基因则提供移植干细胞的成骨分化信息。他们以小鼠颅骨损伤修复为模型，利用该影像技术成功揭示了免疫抑制及BMP因子调控间充质干细胞在骨再生修复过程中存活和骨分化行为的动态过程。在同一活体动物中实现了对移植干细胞的分布、存活和分化等多种行为的同时分析。这种新技术可以为高效干细胞疗法的开发、干细胞安全性评估和临床级干细胞标准的制定等研究提供更为精准的影像学信息。

图2. 多模式光学成像技术示踪移植干细胞参与颅骨再生过程中的分布、存活、分化行为。

此外，这种可以对400-1700 nm的光信号进行成像的多模式光学成像技术，在未来还可以扩展更多的成像通道，并进一步推广到其它生物医学研究体系中，用于同时揭示细胞的多种活体行为、不同细胞的相互作用以及不同药物功能等，从而为重大疾病的精准治疗提供科学依据。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是博士研究生黄德华，通讯作者是陈光村副研究员和王强斌研究员，该工作得到国家重点研发计划“临床级别干细胞标准化评估体系”及国家自然科学基金等项目的资助。

该论文作者为：Dehua Huang, Suying Lin, Qianwu Wang, Yejun Zhang, Chunyan Li, Rui Ji, Mao Wang, Guangcun Chen, Qiangbin Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An NIR‐II Fluorescence/Dual Bioluminescence Multiplexed Imaging for In Vivo Visualizing the Location, Survival, and Differentiation of Transplanted Stem Cells

Adv. Funct. Mater., 2018, 29, 1806546, DOI: 10.1002/adfm.201806546

王强斌研究员简介

王强斌博士，2002年在华东理工大学获得博士学位，2002-2004年在上海交通大学从事研究工作，2004-2008年在Arizona State University从事博士后研究和担任助理研究教授工作，2008年加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所担任研究员、课题组长，现为苏州纳米所所长助理、中科院纳米-生物界面重点实验室主任、Nano Research杂志编委。

王强斌研究员主要从事新型近红外荧光影像技术及其转化医学的研究，目前已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano和Adv. Funct. Mater.等学术杂志上发表SCI论文100余篇，研究成果获2017年江苏省科学技术一等奖；获中科院“百人计划”结题优秀、国家自然科学基金委杰出青年基金、日本化学会“Distinguished Lectureship Award”、科技部中青年科技创新领军人才、英国皇家化学会会士等荣誉。

王强斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/23252

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