2.1 分子影像学用于追踪干细胞治疗 包括胚胎干细胞、间充质干细胞、神经干细胞、造血干细胞和内皮祖细胞在内的各种干细胞或祖细胞在临床前的实验中已体现出重要的作用，间充质干细胞和胚胎干细胞的研究更是进入了早期临床阶段
[5-6]。这一切都预示着干细胞在疾病治疗方面有着很好的发展前景。然而，干细胞移植后的监测一直存在着问题。随着分子影像学技术的出现，采用非侵入性、纵向量化的成像模式监测干细胞命运，这不仅能够促进临床前动物模型实验研究，也有助于人体干细胞治疗的尝试。
分子影像学是医学影像技术和分子生物学、化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科学相结合的一门新兴交叉学科。通过分子影像学技术，能够提供体内与细胞相关特异性分子的全部信息，是跟踪移植细胞特定的亚细胞结构的有效方式[7]。进行干细胞系统或局部治疗之后，干细胞一方面可以在病灶部位增殖，迁移，定居以产生良好的治疗效果，另一方面移植细胞也存在变成癌细胞的危险性而引起严重的问题，因此对体内移植细胞一段时间内的实时可视化监测十分重要。分子影像技术对生物进程的可视化成像及量化描述，有助于评估细胞移植后的功能效果，同时还可以降低干细胞移植所带来的风险。总而言之，应用非侵入性成像的干细胞治疗不仅对治疗效果，而且对体内干细胞的归巢、迁移、分布、增殖和分化都可以有更深入的了解。
近年来，多种成像技术都应用于评估体内干细胞治疗的效果，综合来看主要发展为以下5大类，光学成像(Optical imaging)、核素成像(Radionuclide imaging)、磁共振成像(Magnetic resonance imaging)、超声成像(Ultrasound imaging)和CT成像(X-ray-based computed tomography)[8]。其中许多包含两种或更多成像模式的混合成像系统甚至实现了商业化。
2.2 细胞的标记方法和成像技术的应用 干细胞治疗成像中分子靶标、成像探针和成像系统的选择必不可少，这其中分子靶标对干细胞成像的灵敏度和特异性起着至关重要的作用。想要检测干细胞能否靶向到指定的位置，就需要对其先进行标记，之后才能进行分子影像检测。一般而言，有两类基本的方法可以用来标记干细胞。
直接标记：在移植前将特定的分子或物质引入细胞，通过不同的成像技术追踪移植干细胞的分布和去向，这是干细胞标记最常用的方法。这种方法比较简单，不涉及细胞基因的修饰；但缺点是细胞分裂过程中标记物容易被稀释从而导致单个细胞标记数量的降低，同时标记物也可能由于分布不对称而在子代细胞中丢失。因此，直接标记法主要用于观察干细胞进人体内后的分布特点以及归巢情况。目前主要采用磁性粒子、放射性核素以及纳米颗粒标记干细胞，并通过非侵入性成像技术进行体内的追踪。
间接标记：通常在移植前需要向细胞内引入报告基因，报告基因可以翻译成酶、受体、荧光或生物荧光蛋白。在注射特定的外源底物后，报告基因产物与底物特异性结合，采用光学成像或正电子发射断层成像等成像方法能够显示干细胞的存活和基因表达情况。如果报告基因表达稳定便可以观测到标记细胞的全部生命周期。但这种方法操作较为复杂，同时由于DNA甲基化和组蛋白脱乙酰基导致的表观遗传基因沉默也可能影响报告基因的转录，对报告基因产生信号具有抑制作用。
下文中将对这些标记方法逐一进行讨论。
2.2.1 磁性颗粒标记 磁性颗粒标记(Magnetic particle labeling)主要应用于磁共振成像(MRI)中，由于其具有空间分辨率和时间分辨率较高的优势，使得MRI在临床前及临床实验中被广泛用于体内细胞的跟踪。MRI的主要原理是磁场中磁偶极子(如水或有机化合物中氢原子)能够有规律的排列成一行，这为细胞的跟踪提供了方便。同时，干细胞由于携带了充足的造影剂，可以产生足够强的正、负信号，使它们在缺血性组织中能够被跟踪。目前，有两种造影剂使用广泛，一种包含了钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)，另一种则包含了超顺磁性氧化铁。如进行短期干细胞跟踪，超顺磁性氧化铁应作为首选。
鉴于自身的优势，MRI通过对标记的供体细胞进行定位，可检测细胞植入体内几周后的非侵入性[9]。然而，应用MRI从细胞周围环境中区分出标记细胞还有一定困难，为了解决这些问题，非共振MRI得到了发展，它通过增大自身信号或抑制背景信号的产生而形成较大的对比度，已用于对铁离子标记的人胚胎干细胞进行成像。
2.2.2 放射性核素标记 放射性核素标记(Radionuclide labeling)主要用于核素成像中的细胞标记，通过标记细胞内放射性强度，对生物体内的生化过程和细胞间的相互作用进行监测。核素成像技术主要包括正电子发射断层成像和单光子发射计算机断层成像(SPECT)。与MRI相比，正电子发射断层成像和SPECT具有较高的敏感性，因此更多种类显像剂可进行使用。随着空间分辨率的提高，核素成像已经特别适合进行细胞跟踪，无论是进行短期细胞跟踪，还是长期监测细胞活性和功能，核素成像都扮演着重要角色。想要实时跟踪细胞以确定细胞在靶器官的分布和活性，应该选用半衰期相对较长的同位素，如用于SPECT 的111In-Oxine 和用于正电子发射断层成像的64Cu-PTSM。而在临床实践中，用放射性核素直接标记细胞，则主要使用111In-Oxine以及99Tcm-HMPAO。
但是，这种标记技术也有自身的缺点，如放射性示踪物向非靶细胞潜在的转移性和它们对干细胞活性、功能和分化能力产生的不良反应都对其应用产生了很大的限制因素。因此，区分放射性核素标记所产生的效果有待进一步研究。
2.2.3 纳米颗粒标记 纳米颗粒标记(Nanoparticle labeling)早期主要使用量子点(QDs)这种重要的荧光剂。它是能够发出525-800 nm荧光的无机半导体颗粒，由于其量子性质，量子点的总直径只有2-10 nm[10]。量子点有单一波长的激发光和不同波长的发射光，因此成为多模态成像的理想探针。然而，由于使用不同干细胞或实验方法得出一系列不同的结论、光散射对其适用性的限制以及一些其他的障碍，量子点正式走上临床应用前还有很长的路。
近几年随着纳米技术的发展，磁纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、荧光磁性双功能纳米颗粒也逐渐开始应用，其中磁纳米颗粒使标记效率和分辨率大大提高；二氧化硅纳米颗粒的优势在于制备简便、生物相容性好、灵敏度高；而荧光磁性双功能纳米颗粒更是同时具有荧光可示踪、磁响应和表面功能性等多种优点，因此在生物医学和生物工程研究领域受到推崇。此外，脂质体纳米颗粒可作为生物分子的载体用于干细胞的分化，碳纳米管也可用于干细胞生物效应研究。总之，纳米技术的不断进步，会为干细胞治疗提供一种新的思路与手段。
2.2.4 报告基因标记 报告基因标记(Reporter gene labeling)通常应用于干细胞治疗的非侵入成像，主要研究植入干细胞的存活、转移和外源执行干细胞功能效果。对体内基因表达的成像能够指导外源基因转移至器官、系统的细胞(转基因)或者内源基因中，当前大部分报告基因成像都用于指导转基因技术的使用。一般而言，报告基因编码某些易检验蛋白质的DNA序列，在成像情况下，报告基因编码的报告蛋白与一个特异性探针结合，产生分析信号，生成信号能够被如MRI[11]、正电子发射断层成像、SPECT的显像模式或光学电荷耦合装置(CCD)捕获和量化，所以报告蛋白就为基因活动提供了一个替代的标记。
报告基因的稳定转染对于评价植入细胞的生存状态十分有用，因为只要细胞有活性，报告基因就可以表达。在干细胞再生领域，一些传统的报告基因如绿色荧光蛋白(GFP)、萤火虫荧光素酶、海肾荧光素酶和单纯疱疹病毒胸腺激酶可以允许在小动物体内进行定位。然而，由于使用报告基因需要对细胞进行基因操作，这可能导致插入突变的发生，因此该技术存在一定的限制因素。
2.3 干细胞治疗理想的成像模式 一种理想的成像模式一般要满足以下几方面的需求，空间分辨率高 (<1 nm)、时间分辨率高(<1 ms)、视野广阔(100 nm- 1 m)、无电离辐射、内源性对比度高、不受体外因素干扰、能够看到体内任何部位、同时显示结构和功能、花费低且操作简便。但目前，还没有一种成像模式能够满足全部的观察需求。因此，选择何种成像模式依赖于想要解决的问题。如需要较高的空间和时间分辨率，MRI为首选，需要较高的灵敏度则可以选择核素成像。此外直接标记和报告基因的使用也分别用与干细胞递送和归巢特性地研究以及长期监测细胞生物性和生存能力。
为了推进分子影像的进步以及在干细胞治疗中更好的应用，多模态成像已经成为分子影像学技术发展的新方向。它采用两种或两种以上成像模式作用于同一物体，实现了不同成像模式的优势互补，从而为实验研究和临床应用提供更为精确详实的信息。目前已推出了SPECT-CT、PET-CT和PET-MRI等多模式相结合的成像技术，这为分子影像学带来了新的曙光。
2.4 不同干细胞进行分子影像学跟踪的进展 干细胞治疗为神经退行性疾病、心血管疾病、糖尿病、关节炎、脊髓损伤、脑卒中和烧伤等众多疾病和损伤的治疗康复提供了巨大的可能性。随着对各种类型干细胞了解的深入，哪种干细胞对于临床治疗最有希望以及通过什么机制使得干细胞治疗产生良好的疗效等问题将逐一被解答。
2.4.1 成像技术应用于胚胎干细胞的治疗 胚胎干细胞是多能干细胞，能够自我更新和分化成几乎所有类型的细胞，被认为是近年来再生医学主要的研究对象。人和鼠的胚胎干细胞衍生出了心肌细胞、神经细胞、造血细胞、骨原细胞、肝细胞、胰岛素生成细胞、角质细胞和内皮细胞等各种各样的细胞系。迄今为止，胚胎干细胞的移植已经作为细胞坏死性心脏病、缺血性疾病、中枢神经紊乱和糖尿病潜在的治疗手段被广泛研究。然而由于具有形成体内畸胎瘤的较高风险，胚胎干细胞驱动的再生也面临着瓶颈。于是对胚胎干细胞移植进行精确、敏感、非侵入性的监视，便可以促进基础研究向未来临床应用的转化。目前，包括MRI、生物发光(BLI)、荧光，正电子发射断层成像等许多成像模式都用于分析移植胚胎干细胞在组织再生中的行为。
大量数据证实了应用于生物发光的报告基因对于检测胚胎干细胞和人胚胎干细胞转化的内皮细胞具有更好的标记效果。在探测细胞位置方面MRI则以其高分辨率更有优势。虽然操作简便和高灵敏体现了正电子发射断层成像的价值，但是由于要向生物体重复性注入放射性物质，产生潜在辐射累积，对胚胎干细胞的生存能力和多能性具有不良反应。因此正电子发射断层成像潜在的缺陷也不容忽视。此外，目前许多放射示踪物较短的半衰期也限制了正电子发射断层成像的使用[12]。基于上述原因，研究者便创造并使用了一种包含红色荧光蛋白(RFP)，萤火虫荧光素酶和单纯疱疹病毒胸苷激酶三融合的报告基因结构[13]。这个融合的报告基因可将荧光，生物发光和正电子发射断层成像各自的优势相结合，共同用于研究活体内胚胎干细胞移植和增殖的时空动力学，而且已证明对老鼠胚胎干细胞生存能力、增殖、分化和蛋白质的表达没有明显的不良反应。
2.4.2 成像技术应用于间充质干细胞的治疗 间充质干细胞在机体内广泛存在，能够分化为中胚层来源的细胞，如骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞，此外还有向内胚层和神经外胚层分化的潜能。间充质干细胞因在体外具有很低的免疫原性而在临床研究中被广泛的使用。在临床前的实验中，间充质干细胞已经应用于中枢神经系统、造血器官、心脏、肾脏、肝脏、肺、胰腺、关节、眼、皮肤等组织再生过程，同时最新的数据表明骨髓来源的间充质干细胞将首先用于再生医学的治疗[14]。
能够使用多种成像模式对细胞进行跟踪依赖于分子影像技术的多功能性。间充质干细胞移植的直接标记物主要包括用于MRI的铁氧化物，正电子发射断层成像的18F-hexafluorobenzene或18F-FDG以及SPECT的111In-oxine或111In-tropolone。这其中，使用超顺磁性的铁氧纳米粒子作为MRI的对比剂，可能是跟踪间充质干细胞治疗的最佳选择[15]。虽在精确度和灵敏度上还有很大的提升空间，但非侵入性的MRI毫无疑问地成为了临床应用中的首选。间接标记则依赖于移植前转入细胞的成像报告基因的表达，使用报告基因跟踪间充质干细胞移植的一个经典的例子是Love等[16]的实验。他们使用了三融合报告基因系统(Fluc-RFP-ttk)用于多模态成像，监测间充质干细胞移植到NOD-SCID小鼠后的情况。携带报告基因的间充质干细胞通过生物发光成像信号十分明显，同时，正电子发射断层成像的数据又提供了对一个区域内细胞数量定量估计。这种在小动物模型中通过使用生物发光成像和小动物正电子发射断层成像对标记干细胞进行研究是相当可靠的方法。
2.4.3 成像技术应用于神经干细胞的治疗 神经干细胞的再生治疗被认为是脑血管疾病、外伤性脑损伤以及神经退行性疾病等中枢神经系统相关疾病最有希望的治疗方法。治疗后的中枢神经系统可分化为神经细胞，通过髓鞘再生形成少突胶质细胞，通过对受损的脉管系统进行延伸形成星形胶质细胞[17]。临床前研究的巨大进展为神经干细胞在老年痴呆症、舞蹈病、脑卒中和脊髓损伤中的应用提供了可能性，神经系统疾病的干细胞治疗也有望提供一种新的治疗选择。
但神经干细胞治疗也存在着很大的障碍，首先与人体其他组织相比，中枢神经系统缺乏再生增殖能力，其次神经干细胞存在于人体脑部，其组织深度和血脑屏障(BBB)给治疗增加了障碍。为了解决这些问题，监测神经干细胞主要采用MRI、正电子发射断层成像和光学成像。MRI已在过去的30年中用于诊断脑损伤，成为了神经病理学临床诊断的助手。超顺磁性氧化铁和磁共振报告基因均可用于神经干细胞的标记。正电子发射断层成像在过去20年临床应用中被用来评价大多数疾病中神经递质的变化。目前，使用黄嘌呤磷酸核糖转移酶报告基因正电子发射断层成像系统，并同时使用黄嘌呤报告探针，能够解决血脑屏障所产生的问题。此外，生物发光的研究是有关神经干细胞光学成像技术中最为透彻的，应用于许多小动物的研究。未来随着成像模式的改进，成像效果的评估以及成像技术的发展，用于各种神经病理学的神经干细胞治疗有着光明的前景。
2.4.4 成像技术应用于造血干细胞的治疗 造血作用一般指造血干细胞产生各种类型完全分化的子代血细胞。造血干细胞的研究和临床应用早在其他组织干细胞应用之前就已经走上了历史舞台，产生了很多干细胞生物模型。然而，在哺乳类干细胞系统中对造血作用的体内实时成像一直面临着很大的困难，特别是在骨髓中非侵入性长时间的成像具有更大的挑战。造血干细胞的生活环境大多是一个复杂的，多组分的微环境，成骨细胞仅仅是目前鉴定出来的一种主要成分。而且，在稳态条件下只有少量的造血干细胞分化为血细胞，大部分具有长期再造潜能的造血干细胞则主要处于静止状态或很少分裂。因此明白造血作用的机制有着重要的临床意义，虽然过去几十年进行了深入的研究，但遗憾的是许多问题仍然没有得到根本解决。
目前，对造血干细胞行为的连续观察主要采用MRI，生物发光和双光子荧光显微镜检查[18-19]。在移植后使用双光子荧光显微镜对骨髓内造血祖细胞的连续观察已经能够分辨单个细胞，由此弥补了MRI和生物发光中细胞灵敏度和分辨率较低的缺陷。同时，使用双光子荧光显微镜还可以观察骨髓中正常或异常的造血骨细胞的归巢并描述这些细胞的特定的位置[20]，为造血干细胞移植治疗相关理论的研究奠定了基础。
