基于Au/Gd纳米材料的新型CT/MRI双模态纳米示踪剂的研制及其用于干细胞治疗肺纤维化过程中的示踪研究

Pulmonary fibrosis is one of the most serious diseases of the respiratory system. However, the pathogenesis of pulmonary fibrosis is not clear, resulting in the lack of effective treatment in clinic. Nowadays, mesenchymal stem cells (MSCs) therapy has shown its potentials for pulmonary fibrosis repair. However, some aspects of MSCs in vivo transplantation developed slowly, for instance, distribution, migration and homing, which have restricted the development of MSCs therapy for pulmonary fibrosis. Therefore, exploring novel technologies for tracking MSCs in vivo will play a vital role in solving the above scientific problems. In this project, we propose to develop CT/MRI dual-mode imaging tracer, Au/Gd@SiO2 nanotracer, for noninvasively longitudinal tracking of MSCs in lung. The Au/Gd@SiO2 nanotracer we designed can solve the disadvantages of the existing nanotracer, such as high toxicity, low labeling rate, poor contrast and short tracking time. We use the luciferase reporter gene and Au/Gd@SiO2 nanotracer to label MSCs together. Combining with luciferase-based bioluminescence imaging, Au/Gd@SiO2 with CT/MRI tracer technique can carry out the precise localization of the transplanted MSCs and realize the longitudinal tracking of MSCs in lung, obtaining the accurate information of the distribution, migration and homing of MSCs. The approach developed in our proposal for the longitudinal tracking of MSCs may provide a powerful experimental guidance for MSCs therapy of pulmonary fibrosis.

肺间质纤维化（简称肺纤维化）是呼吸系统最严重疾病之一。该病发病机制尚不清楚，临床上缺乏有效的治疗方法。近几年，间充质干细胞（MSCs）治疗肺纤维化的策略引起了广泛关注。为了提高MSCs治疗肺纤维化的效果，如何对MSCs的分布、迁移和归巢进行示踪成为亟待解决的问题。本项目拟研制安全、高效、适合肺部移植MSCs长期示踪的CT/MRI双模态Au/Gd@SiO2纳米示踪剂，通过对示踪剂的组分调控和包覆，解决现有示踪剂毒性大、标记率低、显影对比度差、示踪时间短等瓶颈问题。同时，将Au/Gd@SiO2与荧光素酶报告基因共同标记MSCs，通过CT、MRI和生物发光影像数据相互印证，排除误读的影像信息，对移植体内的存活干细胞进行精准定位，实现移植干细胞在肺纤维化治疗过程中的长期有效示踪，获得移植干细胞在体内的分布、迁移和归巢、驻留位置等准确信息，为干细胞治疗肺纤维化提供有力的实验依据和指导。

据文献报道，干细胞疗法可以有效抑制肺纤维化疾病。但目前对移植干细胞在体内迁移、归巢等行为缺乏了解，导致其临床应用严重受限。因此，研发一种能对移植干细胞实时示踪的影像技术，充分了解干细胞移植到体内后的迁移分布等情况，有利于阐明干细胞治疗肺纤维化的机制，进而促进其临床转化。在众多影像技术中，CT是临床上常用于肺部诊断的影像技术，为了将移植干细胞与肺部组织区分开来，常需要选用一些具有CT成像功能的纳米示踪剂标记干细胞，从而实现移植干细胞的可视化。针对目前现有的干细胞CT纳米示踪剂存在毒性大，标记率低，显影对比度差，示踪时间短等问题，我们构建了一系列能用于移植干细胞标记及示踪的新型金基纳米示踪剂，对干细胞在治疗肺纤维化过程中的行为机制进行示踪。. 我们通过在金纳米粒子表面负载生物分子，获得具有良好生物相容性及安全性的金基纳米示踪剂，使其在进入干细胞胞内后不影响干细胞的增殖及分化功能；为了提高标记干细胞的CT成像对比度，我们在金纳米示踪剂表面修饰带正电荷的转染剂，促进干细胞对纳米示踪剂的摄取，提高纳米示踪剂对干细胞的标记效率，增强标记干细胞的CT成像对比度；针对因干细胞增殖、分化等因素导致示踪效果变差等难题，我们从纳米粒子的表面理化性质与细胞的相互作用出发，通过对金基纳米示踪剂的表面修饰，增强细胞摄取量，减少干细胞对纳米示踪剂的外排，延长其在胞内的滞留时间，获得稳定的示踪信号，实现了肺部移植干细胞长时程的CT示踪。. 项目执行过程中，我们共构建了7种纳米示踪剂，所研制的纳米示踪剂生物安全性好（细胞存活率90%以上）、干细胞标记率高（标记率95%以上）、显影对比度大、示踪时间长（示踪时间达35天）。利用这些纳米示踪剂并结合CT影像技术我们获取了肺纤维化治疗过程中移植干细胞体内存活、分布和迁移等信息，阐明了干细胞在治疗肺纤维化过程中体内动态分布的形式及规律。