基于多模态分子影像的干细胞治疗肝硬化的细胞示踪关键技术研究

How to trace the stem cells in the process of stem cell treatment of liver cirrhosis is a challenging and critical scientific issue. This study aims to accurately locate the three-dimensional boundary of stem cell distribution based on the fusion of fluorescence tomographic imaging (FMI) and magnetic particle imaging (MPI) and computed tomography (CT). First, a high sensitivity magnetic-fluorescent probe was developed and liver cirrhosis animal models were established and the stem cell treatment was performed; Second, an accurate rapid multimode fusion algorithm including fluorescent imaging, magnetic particle imaging and CT fusion reconstructed techniques was developed to improve the accuracy of stem cell distribution based on mouse autofluorescence filtering technology; Third, a registration method between the reconstructed three dimensional stem cell distributions and two dimensional immunohistochemistry images will be developed to achieve mutual authentication and feedback. In summary, this project will use three-modality fusion reconstruction technology to achieve the accurate three dimensional boundary of the distribution of stem cells, which will promote the elucidation of stem cell treatment mechanics for liver cirrhosis and promote the effective application of stem cells in clinical practice.

如何对干细胞治疗肝硬化过程中的干细胞进行示踪是一个挑战性的关键科学问题，本课题以干细胞分布的三维边界的准确定位为研究目标，以激发荧光断层重建（FMT）、磁粒子成像(MPI)、计算机断层成像(CT)的三模态融合为手段，重点开展以下几个关键问题的研究。首先，构建不同进展阶段的肝硬化模型鼠，制备高灵敏度的磁光双模态探针，进行不同肝硬化进展阶段小鼠的干细胞治疗；其次，研究在肝硬化小鼠实验环境下的小鼠自体激发荧光的去除技术、CT及MPI三维融合技术，重建干细胞分布的三维图像并提取干细胞的三维分布边界；第三，为了用金标准的病理切片的免疫荧光图像评估干细胞融合重建技术得到的分布边界的准确性，研究二者之间的配准方法，进一步提高干细胞三维融合重建的精度。概括而言，本项目将利用三模态融合的成像技术对干细胞的分布进行精准的三维融合重建和边界提取，从而推动干细胞治疗肝硬化相关机制的阐明，推动干细胞在临床的有效应用

我国是一个肝炎大国，因此，伴随着的相关疾病，比如肝硬化每年的新增病例超过600万，肝硬化的治疗尚没有有效的方法，目前干细胞移植治疗肝硬化已经初步应用到了临床中，并展示出一定的治疗效果，然而干细胞移植后有多少比例的干细胞归巢到肝脏并定植发挥作用，多少被代谢掉，分布是怎样，这些都没有严谨的科学数据的支持，因此亟需示踪技术的发展去推动干细胞治疗的深入应用。.本项目在执行期间，主要完成了以下三个关键科学问题和相应的三个研究内容。.针对干细胞治疗肝硬化机制不明问题，构建了无毒、准确示踪干细胞的磁粒子和荧光双模态探针（亚铁磁性氧化铁纳米立方体（CIONs-22）示踪剂），并完成了肝硬化干细胞治疗的示踪实验。实验结果表明，由于优异的磁学性能，CIONs-22具有良好的MPI成像效果，通过制备CIONs-22与干细胞共孵育后，对干细胞进行MPI示踪。干细胞被CIONs-22标记后，MPI灵敏度显著提高，体内示踪结果表明最少能检测到的标记细胞数为2500个。.针对干细胞的精准定位问题，通过光学、磁粒子成像、CT的融合技术重建了干细胞的三维分布，并用基于阈值的分割算法准确提取了干细胞的分布图；我们提出了一种基于高斯加权拉普拉斯先验的正则化方法(AGWLP)。为了评估AGWLP方法， 我们实施了数字仿真和活体实验。结果表明，我们提出的AGWLP方法达到了出众的表现，不管在荧光光源分布的位置还是形状重建上。 这一结果使得FMT更加适用于分子标志物的可视化应用中。.针对干细胞分布图提取的准确性问题，发展了一种病理图像的识别方法，并与计算得到的干细胞的三维分布进行了验证。结果表明了，我们发展的干细胞三维重建分布方法与病理图像的识别结果基本吻合。.该研究对于推动干细胞治疗肝硬化的广泛应用具有显著的科学价值。