纳米磁化干细胞的体内定位与激活修复脊髓损伤及重建功能研究

Functional recovery and regeneration after spinal cord injury (SCI) has been an international problem in clinic. The use of stem cell transplantation for the repair of SCI is one hotspot in studies today. Mesenchymal stem cells (MSCs) has been used for SCI repair, owing to its self-renewal and the potential to differentiate into different cells in different micro-environment. However,it is shown that stem cells can not actively move to the injured site, and also blood stream and inflammation at the site of injury may result in the loss of in situ stem cells or decay of their regenerative ability, which blocks local functional reconstruction and regeneration. The aims of the study are to drive the MSCs with magnetic nanoparticles in directional localization and activation during regeneration and repair of SCI,by using newly dynamic magnetic force targeting (DMFT) technology.There will be the first time to use DMFT to guide stem cells localization in the injured site and repair of SCI. Based on our previous study on the effect of DMFT on the MSCs differentiation activity, this project will use the SCI animal model, transplant MSCs double labeled with superparamagnetic magnetic nanoparticles and fluorescent protein under magnetic guiding technology, compare its effects in the SCI repair and recovery. Also the molecular biology, immunohistochemistry, confocal laser fluorescence, MicroPET and MRI detection will be used to observe the biologic behavior of the labeled MSCs with DMFT, and to elucidate the molecular mechanisms and regenerative effect of the migration of MSCs. The results of this study would provide not only a novel idea and mechanism but also new experimental and theoretical evidence for application of stem cells in the area of SCI repair and recovery.

脊髓损伤（SCI）后功能重建再生一直是临床中的国际难题。间充质干细胞（MSCs）因具有自我更新和在不同的内环境下演变成不同成熟细胞类型的潜能，已被用于SCI修复的研究。但被证实干细胞不能主动移至受损部位、且损伤处血流及炎症导致干细胞原位丢失或再生低弱，使局部功能重建受阻。为此本研究拟以新动力磁导（DMFT）技术，趋使磁化MSCs定向移位并激活，达到修复SCI的目的，目前未见靶向定位的干细胞再生修复SCI的报道。基于体外DMFT对MSCs促分化的前期研究，我们进一步以SCI动物模型，用纳米磁粒及荧光蛋白双标记的MSCs局部移植、DMFT定位激活和功能重建的多组对照，并采用分子生物学、免疫组化、免疫荧光、MicroPET、激光共聚焦及磁共振等观察，揭示原位MSCs在DMFT作用下定位和修复的生物学行为，阐明MSCs迁移的细胞分子机制和功能再生作用，为SCI修复重建提供新思路、新方法与实验依据。

脊髓损伤（SCI）后的功能重建再生一直是临床中的世界难题，应用干细胞移植治疗修复SCI是当今研究的热点。间充质干细胞（MSCs）因具有自我更新和在不同的内环境下演变成不同类型细胞的潜能，已被广泛用于损伤后组织包括SCI修复的研究。然而，动物与临床试验表明植入的干细胞往往不能主动迁移至受损部位、损伤处血流及炎症环境也导致干细胞原位流失或再生能力低弱，使局部受损组织的功能重建受阻。因此，如何控制移植干细胞在体内的命运和走向是科学家们试图解决的一个重要科学问题。为能有效引导干细胞到达并定位于所损的SCI处，本研究拟以磁性纳米颗粒引入干细胞作为介导，并通过体外动态旋磁场的磁导技术（DMFT），趋使磁化MSCs定向移位、归巢、细胞活动与功能激活，以达到动力磁靶下的体内定位与促SCI进修复的目的，目前尚未见靶向定位的干细胞再生修复SCI的报道，该实验为探索性研究。本项目通过体外、体内试验来验证MSCs的分化能力与增殖能力，测试了超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIO）标记MSCs的安全性和在磁场中的定向迁移能力。实验通过制作SD大鼠脊髓损伤模型，移植SPIO标记的MSCs至脊髓损伤处；术后应用DMFT使移植MSCs定植于脊髓损伤部位，并通过记录大鼠术后下肢功能恢复评分、免疫组化荧光、激光共聚焦等检测观察，分析了其磁化MSCs在DMFT作用下的体内定位与修复的生物学行为。体内外结果显示25μg/ml SPIO对MSCs增殖、分化能力无阻碍影响，对细胞无明显毒性，且能在外磁场作用下做定向迁移及定位，但用普鲁士蓝染色标记细胞定位不够精确。在脊髓损伤模型中SPIO磁化MSCs移植治疗后，大鼠后肢功能实验组明显优于对照组；免疫荧光及蛋白印迹检测SPIO磁化MSCs移植组相关神经标志物的表达SPIO磁化MSCs-DMFT组高于对照组，实验结果为SCI修复重建提供了新思路和可行方法。其相关研究结果部分已在国外期刊发表，并在陆续投稿中，共计6篇SCI (其中IF>5.0 两篇，IF>3.0 四篇), 发明专利一项。该研究期间培养了硕士研究生2名，博士研究生3名。