基于稀土纳米造影剂的双源CT方法及其对骨组织工程中干细胞的示踪研究

To evaluate the concentration, differentiation and prognosis of stem cells is one of the key problems for bone tissue engineering. Owing to the lacking of non-invasive and continued tracking method, it is hard to determine the effectiveness and influence of stem cells. In this proposal, dual-source CT is used for tracking stem cells in bone tissue engineering for the first time, by using upconversion nanoparticles as the contrast agent. By means of the study on CT contrast properties of upconversion nanoparticles, the labeling capability of cells by nanoparticles, the discrimination between nanoparticles and scaffold by dual-source CT, and the tracking of stem cells moving, distribution and localization, we propose to develop a novel dual-source CT approach with upconversion nanoparticles as contrast agent to address the key problem in cell tracking, including the feasibility, the tracking time, effectiveness and the influence of parameters. Furthermore, by this method, the movement of stem cells in vivo and the reparing process of bone defect should be further evaluated. This study, on one hand, will broaden the application fields of upconversion nanoparticles, on the other hand, will provide a support for the mechanism study in stem cells-based bone tissue engineering, and be helpful for the translation from the lab to clinical practice.

由于缺乏对组织工程骨修复时干细胞无损、持续在体示踪的有效方法，如何评价干细胞的局部浓度、确定其分化和转归过程是制约其临床应用的瓶颈问题之一。预实验中我们发现采用稀土上转换纳米颗粒作为造影剂、通过双源CT的方法能够突破干细胞示踪中临床影像难于分辨骨组织与造影剂的造影信号这一关键技术难题。因此，本项目通过对上转换纳米颗粒自身CT造影能力的研究、纳米颗粒对细胞标记能力和标记时间的研究、双源CT方法对纳米颗粒与骨支架造影信号分辨能力的研究、以及对纳米颗粒标记的干细胞迁移、分布、定位情况的示踪研究，明确基于稀土纳米颗粒造影的双源CT无损示踪干细胞的可行性、可示踪时间、有效性及其影响因素作用规律，并据此探讨植入体内干细胞的转归和骨缺损的修复过程。本项目的进行将拓展稀土上转换纳米颗粒在生物医用中与CT造影相关的应用，并将有力地促进干细胞治疗潜在机制的基础研究，加速干细胞移植治疗向临床治疗的转化。

无法实时、在体的示踪干细胞植入体内后的迁移、运动、繁殖、分化等情况，是干细胞研究中的关键瓶颈，这一瓶颈带来了许多干细胞应用过程中的具体问题，例如干细胞作用机理不清、无法获知何种程度疾病需要多少干细胞剂量、进行治疗干预的合适时间点和合理植入位置等等，极大的限制了干细胞对重要疾病治疗研究的发展。本项目提出采用稀土纳米材料稳定标记干细胞、再通过双源CT和MRI等临床常规影像设备对干细胞的迁移进行示踪的思路，从而为上述瓶颈问题提供了一种可能的解决方法，将有可能推动整个干细胞领域的进一步发展。具体研究围绕四个方面的内容开展：1）设计、合成NaLnF4纳米颗粒，研究其CT造影能力的影响；2）纳米颗粒与骨髓间充质干细胞（BMSCs）的相互作用研究；3）标记BMSCs的NaLnF4纳米颗粒造影能力研究；以及4）大动物体内以骨缺损的干细胞植入为模型的双源CT研究。研究取得了如下进展：1）通过纳米材料的成分设计，同时实现了CT、MRI和上转换荧光多重造影能力，并可以通过双源CT实现不同组分材料的CT信号分离；2）通过纳米材料的表面修饰筛选，实现了对BMSCs细胞的大量、稳定的标记能力，并证实其对BMSCs干细胞无明显细胞毒性，对干细胞的繁殖、细胞周期、多向分化能力无明显影响；3）体内实验证明可以采用临床常规影像设备MR/双能CT、在大动物体内进行标记后干细胞的示踪监控，并同时可以利用稀土纳米颗粒的荧光成像性质进行离体观察，与体内观察监测结果进行相互印证。研究初步证实了项目提出的思路，为干细胞植入治疗领域无法在体实时示踪的问题提出了新的解决方案，为进一步相关机理研究和治疗中相关参数的确定提供了有效手段，同时大动物（兔）模型以及临床常规影像设备的使用，将为今后的转化打下良好基础。在项目的支持下发表SCI论文5篇，申请发明专利1项，参加国际学术会议3次，协办会议1次，培养博士2名。