干细胞的磁共振成像示踪：理论与应用进展

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.28.029

摘要/Abstract

摘要：

背景：干细胞移植后需要对体内的存活、分布、迁徙、增殖及分化进行连续监测，从而评估其疗效和安全性。
目的：分析近10年国内外干细胞标记及MRI示踪研究的文献学特点。
方法：由第一作者用计算机检索中国期刊全文数据库(CNKI)，及国际数据库Web of Science数据库，2005年1月至2014年12月关于干细胞磁共振成像示踪研究的文章，在标题和摘要中以“干细胞(stem cell)，磁共振成像(magnetic resonance imaging)，示踪技术(tracing technique)”为检索词进行检索，并对文献进行深入分析。
结果与结论：目前，干细胞治疗、器官移植、细菌感染、基因表达、新药开发等众多领域已经广泛应用示踪技术。干细胞的示踪技术主要有同位素示踪法、抗原标记法、荧光蛋白标记法、荧光染料标记法、核磁共振对比增强剂标记法、Lac-Z基因标记法、Y染色体标记法。近年来，随着分子影像学的发展，磁共振成像示踪技术在评估干细胞移植的疗效和安全性中应用越来越多。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 干细胞, 移植, 骨髓间充质干细胞, 脂肪干细胞, 神经干细胞, 脐带间充质干细胞, 磁共振成像, 示踪技术

Abstract:

BACKGROUND: Continuous monitoring is required in the survival, distribution, migration, proliferation and differentiation of transplanted stem cells in vivo thereby to assess its efficacy and safety.
OBJECTIVE: To analyze the characteristics of literature addressing stem cell markers and MRI tracer in the past 10 years.
METHODS: The first author retrieved CNKI and Web of Science by computer for articles about MRI tracing of stem cells published from January 2005 to December 2014, using the keywords of “stem cells, magnetic resonance imaging, tracing technique” that appeared in the title and abstract. Then, the retrieved articles were further analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: Currently, tracing technique has been widely used in stem cell therapy, organ transplantation, bacterial infection, gene expression and new drug development. Stem cell tracing technologies include isotope tracing, antigenic labeling, fluorescence protein labeling, fluorescent dye labeling, nuclear magnetic resonance contrast enhancer labeling, Lac-Z gene labeling, Y chromosome labeling. Recently, with the development of molecular imaging, MRI tracing techniques have been increasingly used to assess the efficacy and safety of stem cell transplantation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

Key words: Stem Cell Transplantation, Magnetic Resonance Imaging, Mesenchymal Stem Cell Transplantation

中图分类号:

R318

龙腾河，崔惠勤. 干细胞的磁共振成像示踪：理论与应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(28): 4588-4592.

Long Teng-he, Cui Hui-qin. MRI tracing of stem cells: theory and application progress[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(28): 4588-4592.

图/表（结果） 2

2.1 干细胞示踪技术的方法干细胞的示踪技术主要有同位素示踪法、抗原标记法、荧光蛋白标记法、荧光染料标记法、核磁共振对比增强剂标记法、Lac-Z基因标记法、Y 染色体标记法。每一种方法都有其优缺点，选择的标记方法应具有特异性强、灵敏度高、对细胞或机体影响小、标记和检测方法简单易行、标记时间合适等特点^[3]，具体见表1。

2.2 磁共振成像示踪技术文献研究进展

2.2.1 CNKI数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪的文献数量分析

文章被引频次分析：CNKI数据库2005至2014年检索干细胞的磁共振成像示踪的文献总计330篇。根据文献计量学，衡量一篇文献质量高低的一个主要标准在于文献的被引用情况，它是同行学者评价文献学术价值的一个重要指标。文献被引用的次数越多，说明该文献的科学影响力越大^[4-5]。CNKI数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪的文章中，近10年被引频次较高的文章，见表2。
文献计量分析：见图1。

近10年来CNKI数据库共收录干细胞的磁共振成像示踪的文献330篇，2005年收录文献12篇，2006年36篇，2007年40篇，2008年32篇，2009年54篇，2010年31篇，2011年29篇，2012年36篇，2013年25篇，2014年35篇。从文献数量的趋势上看，呈总体上升的趋势，2009年发表文献最多，说明近10年干细胞的磁共振成像示踪研究的研究发展较快。2009年是干细胞的磁共振成像示踪研究研究发展较快的一年。

出版机构分析：CNKI数据库2005至2014关于干细胞的磁共振成像示踪研究发表文献较多的机构有东南大学附属中大医院，发表文献17篇，复旦大学发表文献14篇，东南大学发表文献13篇，其他机构发表文献不足10篇。

2.2.2 Web of Science数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪的文献数量分析

国家分布情况：Web of Science数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪研究的760篇文献中，美国发表文献最多，234篇，占文献总数的30.789%，其次为中国发表文献134篇，占17.632%，德国92篇，意大利54篇，日本48篇，韩国44篇，英国41篇，其他国家文献数量不足40篇。Web of Science数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪研究相关文献前10位的国家中国排在第2位，在此领域发展较好。

机构分布情况：Web of Science数据库2005至2014年收录干细胞的磁共振成像示踪的文献数量排在前10位的机构有美国约翰.霍布金斯大学发表文献35篇，美国斯坦福大学发表文献23篇，中国中山大学发表文献22篇，中国东南大学、美国哈佛大学各发表文献14篇，中国浙江大学发表文献13篇，美国华盛顿大学、韩国首尔大学各发表文献12篇，英国伦敦大学帝国理工学院、美国加州大学旧金山分校各发表文献11篇。美国在此领域的研究机构中有5所大学排在前10位，说明在此领域的研究发展很好。
2.3 磁共振成像示踪技术在干细胞研究中的应用分子影像学的概念最先在1999年由Weissleder^[16]提出，分子影像学成像技术主要包括核医学成像、磁共振成像、计算机断层成像、超声成像和光学成像等技术。干细胞治疗、器官移植、细菌感染、基因表达、新药开发等众多领域已经广泛的应用示踪技术。目前细胞示踪研究中应用较多的主要是磁标记细胞MRI示踪成像技术。干细胞移植治疗中，通过监测移植细胞在体内的存活、迁移及分化情况等可以了解移植细胞的转归^[17-18]。干细胞磁共振成像示踪相关研究分析见表3。

华平等^[19]在MRI活体示踪心肌梗死大鼠骨髓间充质干细胞的移植一文中采用新型超顺磁性氧化铁标记骨髓间充质干细胞，体外实验探讨骨髓间充质干细胞被新型超顺磁性氧化铁标记的可行性、安全性。利用MRI 定位了解骨髓间充质干细胞移植后的命运，是否分化，进而明确其治疗缺血性心脏病的作用机制。实验于2010年4月至2011年3月在中山大学孙逸仙纪念医院干细胞研究中心完成。直接贴壁法分离和培养大鼠骨髓间充质干细胞，获得的细胞进行免疫鉴定。以新型超顺磁性氧化铁标记骨髓间充质干细胞，体外MRI成像确定其体内示踪的可行性。标记后锥虫蓝拒染试验、MTT比色试验分别检测标记细胞的活力、增殖情况。60只SD大鼠随机分为3组，制备大鼠心肌梗死模型2周后再次开胸移植含标记骨髓间充质干细胞的PBS混合液、含未标记骨髓间充质干细胞的PBS混合液和等量PBS。于移植后第1天、第3周行MRI检查，动态观察移植细胞的分布、迁徙，并根据MRI图像定位选择性行CD90 免疫组化检查。骨髓间充质干细胞标记后，普鲁士蓝染色见胞浆内蓝色铁颗粒，标记效率为99%，标记细胞与未标记细胞间锥虫蓝拒染率、MTT吸光度差异无显著性意义。体外MRI可检测到标记细胞，并在T2WI及T2W/FFE序列上呈低信号。细胞移植1 d后，在T2WI及T2W/FFE序列上可见标记细胞在梗死心肌边缘呈类圆形低信号；移植3 周后，移植区域信号边界模糊，范围扩大，对比度降低。CD90免疫组化检测证实移植细胞可由梗死边缘向梗死区域迁徙。结果可见新型超顺磁性氧化铁可成功对大鼠骨髓间充质干细胞进行标记，细胞标记后可被MRI检测。

孟增东等^[20]对MRI示踪超顺磁性氧化铁标记骨髓间充质干细胞移植治疗股骨头缺血性坏死进行了研究，实验结果表明SPIO标记的骨髓间充质干细胞与未标记的骨髓间充质干细胞对坏死股骨头有同样的修复效果，且MRI可对SPIO标记的骨髓间充质干细胞进行活体示踪研究，持续时间可长达6周。实验于2010年10月至2011年10月在昆明医科大学动物中心及云南省第一人民医院MRI科完成。将超顺磁性氧化铁标记的兔骨髓间充质干细胞、未标记的骨髓间充质干细胞、生理盐水移植入兔股骨头坏死区，行MRI 检测，观察移植入坏死区的超顺磁性氧化铁标记的骨髓间充质干细胞在SE T2WI、FSE T2WI、GRE T2WI三种扫描序列中信号变化情况；同时行组织学观察及高倍镜下缺损标本边缘新生骨小梁面积百分比行统计学分析。超顺磁性氧化铁标记的骨髓间充质干细胞原位移植侧，在SE T2WI、FSE T2WI、GRE T2*WI三种扫描序列中信号减低区即为实验中的靶点，MRI图像示靶点在3种扫描序列中信号强度均有不同程度的降低，而对照侧则无明显信号改变；移植后6周，超顺磁性氧化铁标记的骨髓间充质干细胞移植侧高倍镜下缺损标本边缘新生骨小梁面积百分比与未标记的骨髓间充质干细胞移植侧间差异无显著性意义(P > 0.05)，均高于生理盐水移植侧，差异有显著性意义(P < 0.01)。结果可见超顺磁性氧化铁标记的骨髓间充质干细胞与未标记的骨髓间充质干细胞原位移植治疗兔股骨头坏死有着同样的效果，MRI可对超顺磁性氧化铁标记的骨髓间充质干细胞进行活体示踪检测。

蒋新华等^[21]在SPIO标记脂肪干细胞移植退变椎间盘内的MRI活体示踪一文中将脂肪干细胞移植至兔退变的椎间盘内，通过活体监测SPIO标记的脂肪干细胞在退变椎间盘内的存活、迁移和转归，发现脂肪干细胞组椎间盘T2WI信号强度的减低较PBS组缓慢，病理结果同样显示各时间点脂肪干细胞组椎间盘的退变程度均较PBS组轻，提示脂肪干细胞盘内移植有助于退变椎间盘的修复。实验于2009年1月至2010年5月在中山大学孙逸仙纪念医院公共实验室完成。新西兰大白兔20只，兔椎间盘被分为4组，即正常对照组(L_1/2)，脂肪干细胞组(L_2/3)，PBS 组(L_3/4)，SPIO-脂肪干细胞组(L_4/5)。SPIO-脂肪干细胞移植后即刻T2WI/FFE 序列上可见椎间盘内明显低信号，8周后仍可检测到低信号。

葛风等^[22]对MRI活体示踪大鼠脑内超顺磁性氧化铁标记成人神经干细胞进行了研究，实验证明用MRI活体示踪移植磁化标记成人神经干细胞在TBI模型大鼠脑内迁移和分布是可行、有效的。实验于2009年10月至2010年2月在复旦大学神经外科实验室完成。建立大鼠脑部左侧半球创伤性脑损伤模型，超顺磁性氧化铁体外标记成人神经干细胞。模型建立后2周将标记成人神经干细胞立体定向移植入大鼠脑部右侧半球。在移植后1 d、3 d、1周和2周分别行大鼠头部MRI。2周后处死大鼠取脑，用普鲁士蓝染色法进行染色，观察标记神经干细胞的迁移。超顺磁性氧化铁体外标记成人神经干细胞的成功率约为85%。移植后行头颅MRI 可见位于右侧半球的移植部位FSE T2WI 和GRE T2序列呈环形低信号。随时间推移，创伤性脑损伤后移植标记干细胞组大鼠头颅MRI 可见脑内有一低信号线，指向对侧脑挫伤部位，而创伤性脑损伤后移植未标记干细胞组，正常大鼠移植标记干细胞组无信号线。MRI显像结果与脑切片普鲁士蓝染色观察到的结果是相符合的。

王更银等^[23]在超顺磁性氧化铁标记脐带间充质干细胞后的活体MRI示踪一文中，观察了超顺磁性氧化铁标记人脐带间充质干细胞的适宜浓度，及标记后干细胞移植入心肌梗死实验犬体内的MRI示踪成像。实验于2010年5月在解放军白求恩国际和平医院完成。无菌条件下留取健康新生儿脐带，分离培养间充质干细胞并进行细胞表面标志检测。不同质量浓度的超顺磁性氧化铁标记第3代人脐带间充质干细胞，采用开胸冠状动脉结扎法建立犬心肌梗死模型并经心电图和病理对模型进行鉴定。56 mg/L超顺磁性氧化铁标记干细胞后移植实验组，相同质量浓度超顺磁性氧化铁注射对照组，分别于移植前、移植后第7，28天行核磁显像，第14，28天进行心肌病理检测。分离得到的人脐带间充质干细胞表达间充质干细胞表面标记CD29，CD44 及CD105均在90%以上，不表达造血细胞系的特征CD14，CD34与CD45。超顺磁性氧化铁质量浓度在14-84 mg/L时，对细胞增殖与活性无明显影响，标记率接近100%。心电图及组织病理检测均显示心肌梗死模型制作成功。56 mg/L的超顺磁性氧化铁标记细胞并移植后，核磁可对移植细胞清晰显像；病理检测可见普鲁士蓝染色阳性的细胞，生长方向同心肌细胞一致。提示14-84 mg/L范围的超顺磁性氧化铁可有效标记人脐带间充质干细胞，且核磁可以对超顺磁性氧化铁标记的人脐带间充质干细胞进行活体示踪。

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