蘇州納米所在肺纖維化治療過程中干細(xì)胞活體示蹤研究方面取得系列進(jìn)展
肺纖維化是一種常見的嚴(yán)重慢性進(jìn)行性肺間質(zhì)疾病,大部分表現(xiàn)為特發(fā)性肺纖維化(IPF),其發(fā)病率和死亡率逐年增加,死亡率高于大多數(shù)腫瘤,但目前缺乏有效的治療手段。最近有研究表明,體內(nèi)移植間充質(zhì)干細(xì)胞可以有效修復(fù)該類肺損傷,但具體作用機(jī)制尚不清楚,嚴(yán)重限制了其臨床應(yīng)用。針對(duì)以上肺纖維化治療臨床難題,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張智軍團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金以及中國科學(xué)院經(jīng)費(fèi)支持下,開展了肺纖維化疾病治療過程中的移植干細(xì)胞示蹤及作用機(jī)理研究。
由于肺部組織的質(zhì)子密度低等特點(diǎn),導(dǎo)致磁共振成像(MRI)等技術(shù)應(yīng)用受限,目前臨床上常采用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)進(jìn)行診斷。由于CT成像靈敏度較低,常需要利用CT示蹤劑對(duì)移植干細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記,實(shí)現(xiàn)移植干細(xì)胞的體內(nèi)可視化示蹤。金納米粒子具有較高的X射線吸收性能、良好的生物相容性、容易制備及表面修飾等特點(diǎn),是進(jìn)行干細(xì)胞標(biāo)記和CT影像示蹤的理想的納米材料。基于上述考慮,該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制備了一系列基于金納米粒子的干細(xì)胞示蹤劑,考察了其在肺纖維化治療過程中對(duì)移植干細(xì)胞示蹤行為。首先研究人員設(shè)計(jì)、合成了聚賴氨酸與牛血清白蛋白共包覆的金基納米示蹤劑。研究發(fā)現(xiàn),該納米示蹤劑具有良好的生物相容性、優(yōu)異的CT成像能力以及超高的細(xì)胞標(biāo)記效率。將該金納米示蹤劑標(biāo)記的間充質(zhì)干細(xì)胞注入肺纖維化小鼠肺部,實(shí)現(xiàn)了對(duì)肺部移植干細(xì)胞長達(dá)23天的活體示蹤(Nanoscale, 2019, 11, 20932-20941)。在此基礎(chǔ)上,為了同時(shí)考察移植干細(xì)胞的體內(nèi)存活狀態(tài),研究人員構(gòu)建了聚乙二醇(PEG)和穿膜肽(TAT)修飾的金納米粒子示蹤劑,利用其對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記,同時(shí)結(jié)合熒光素酶報(bào)告基因,對(duì)肺纖維化小鼠體內(nèi)移植干細(xì)胞進(jìn)行CT和生物發(fā)光(BLI)雙模態(tài)示蹤(圖1)。該工作利用Micro-CT影像技術(shù)高穿透深度和高空間分辨率的特點(diǎn),并借助BLI 高靈敏度以及可識(shí)別活細(xì)胞的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了肺纖維化治療中在體移植干細(xì)胞的高靈敏度、實(shí)時(shí)示蹤,并初步探討了干細(xì)胞參與肺纖維化治療的再生機(jī)制(Small, 2019, 15, 1904314)。
圖1. 外源性Au@TAT納米示蹤劑結(jié)合內(nèi)源性RfLuc報(bào)告基因雙重標(biāo)記hMSCs,通過CT/BLI雙模態(tài)示蹤移植干細(xì)胞在肺纖維化模型鼠體內(nèi)的分布、遷移、存活。
干細(xì)胞通過分化或分泌因子對(duì)組織器官損傷進(jìn)行修復(fù)是一個(gè)長期的過程,因此納米示蹤劑必須具備對(duì)其進(jìn)行長時(shí)程CT影像示蹤的能力。但干細(xì)胞的胞吐作用以及增殖行為往往導(dǎo)致胞內(nèi)示蹤劑的濃度逐漸降低,引起CT信號(hào)減弱直至消失,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)干細(xì)胞的長時(shí)程示蹤。鑒于此,研究人員設(shè)計(jì)、構(gòu)建了一系列外界刺激響應(yīng)智能型金納米粒子示蹤劑,有效克服了上述難題。首先通過在Au納米粒子表面修飾一層溫敏性高分子,從而獲得了對(duì)溫度敏感的納米示蹤劑(TRAuNPs)(圖2)。在細(xì)胞標(biāo)記溫度39°C條件下,TRAuNPs顯示出小尺寸和疏水特性,有利于細(xì)胞膜的黏附和穿透,從而有效提高了示蹤劑的入胞率;而當(dāng)溫度恢復(fù)到正常的生理溫度(37°C)時(shí),TRAuNPs發(fā)生相變,呈現(xiàn)親水性增強(qiáng)且體積變大,有效地減緩了細(xì)胞的胞吐速率,延長了納米粒子在胞內(nèi)的滯留時(shí)間,從而達(dá)到長時(shí)程示蹤的效果。進(jìn)一步將該納米示蹤劑標(biāo)記的干細(xì)胞移植到肺纖維化小鼠的肺部,利用高分辨率的CT成像和高靈敏度的BLI成像,實(shí)現(xiàn)了對(duì)移植干細(xì)胞的定位、分布和遷移過程長達(dá)10天的活體示蹤。(J. Mater. Chem. B, 2021, 9, 2854-2865)。最近該團(tuán)隊(duì)對(duì)此策略進(jìn)行了改進(jìn),通過在金納米粒子表面依次修飾pH響應(yīng)性磺酰胺聚合物PSD和細(xì)胞穿膜肽CPP構(gòu)建了一種pH響應(yīng)性金納米粒子示蹤劑CPP-PSD@Au。該納米示蹤劑在細(xì)胞攝取的過程中經(jīng)歷細(xì)胞內(nèi)的酸性環(huán)境(內(nèi)涵體和溶酶體)時(shí),由于PSD的質(zhì)子海綿效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)CPP的靜電吸引減弱,使得納米示蹤劑形成聚集體,從而減緩干細(xì)胞對(duì)其的外排速度,大大延長了示蹤劑對(duì)干細(xì)胞的標(biāo)記時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,將CPP-PSD@Au標(biāo)記的間充質(zhì)干細(xì)胞移植到IPF模型鼠體內(nèi),實(shí)現(xiàn)了對(duì)移植干細(xì)胞長達(dá)35天的動(dòng)態(tài)CT示蹤,并初步考察了肺纖維化治療過程中干細(xì)胞的作用(Small, 2021, 2101861)。該工作發(fā)表后Wiley旗下MaterialsView China立即進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。
圖2. 溫敏性金基納米示蹤劑的制備及其對(duì)干細(xì)胞的標(biāo)記與示蹤示意圖。
為了克服單一成像模式的自身缺點(diǎn),獲得更互補(bǔ)、更豐富的移植干細(xì)胞體內(nèi)信息,該團(tuán)隊(duì)以牛血清白蛋白(BSA)為模板,合成了金/釓納米簇(Au/GdNC),并用二氧化硅(SiO2)殼層將其包覆,構(gòu)建了Au/GdNC@SiO2納米示蹤劑,對(duì)肺纖維化小鼠體內(nèi)移植干細(xì)胞進(jìn)行CT/MRI雙模態(tài)示蹤(圖3)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),SiO2殼層的包覆提高了示蹤劑在標(biāo)記干細(xì)胞胞內(nèi)的穩(wěn)定性,同時(shí)減緩了因干細(xì)胞分裂而導(dǎo)致的示蹤劑不斷稀釋的效應(yīng),進(jìn)一步改善了干細(xì)胞CT和MRI成像性能(ACS Appl. Bio. Mater. 2020, 3, 2489-2498)。在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)還與東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院巢杰教授團(tuán)隊(duì)密切合作,將CT 成像技術(shù)與高靈敏度的近紅外熒光(NIRF)成像技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了移植干細(xì)胞長達(dá)21天的CT/NIRF雙模態(tài)影像示蹤。同時(shí)進(jìn)一步揭示了在治療肺纖維化過程中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞通過抑制巨噬細(xì)胞活性而對(duì)受損肺組織產(chǎn)生抗炎和抗纖維化的作用(J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 1713-1727)。
圖3. Au/GdNC@SiO2納米示蹤劑用于移植間充質(zhì)干細(xì)胞CT/MRI雙模態(tài)活體示蹤示意圖。
除了一系列金基CT示蹤劑外,該團(tuán)隊(duì)還與合作者一起設(shè)計(jì)、構(gòu)建了聚賴氨酸修飾的近紅外長余輝納米示蹤劑,然后將其與熒光素酶報(bào)告基因共同標(biāo)記的干細(xì)胞移植入肺纖維化模型鼠體內(nèi),實(shí)現(xiàn)了對(duì)移植干細(xì)胞的位置、遷移、分布以及存活狀態(tài)長達(dá)30天的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)示蹤(Biomater. Sci. 2020, 8, 3095-3105)。
該團(tuán)隊(duì)在干細(xì)胞納米示蹤方面的上述系列研究受到國際同行的關(guān)注。最近他們受邀在國際學(xué)術(shù)期刊View上發(fā)表了題為“In vivo CT imaging tracking of stem cells labeled with Au nanoparticles”的研究綜述(View, 2021, 20200119),系統(tǒng)介紹了基于金納米粒子的干細(xì)胞示蹤劑的理性設(shè)計(jì)、制備以及體內(nèi)示蹤應(yīng)用研究進(jìn)展,討論并展望了該領(lǐng)域目前存在的主要挑戰(zhàn)及未來可能發(fā)展方向。
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