组织工程化骨中金纳米示踪骨髓间充质干细胞骨修复的双能CT在体实验研究

In tissue engineering and mesenchymal stem cells (MSCs) therapy for bone repair, the lack of understanding in the fate of implanted cells hinders its wide application in patient care. Its key technical difficulty is the lack of the in vivo imaging modality to detect and monitor the implanted MSCs. This project will use dual-energy CT and three-material decomposition technology to image the gold nanoparticle (AuNPs)-labeled MSCs. The study will involve two phases, including the dual-energy CT imaging of in vitro cell culture and that of in vivo animal bone defect model, using a bone tissue carrier engineered to carry AuNPs-labeled MSCs. We hypothesize that use of dual-energy CT implemented on both dual-source CT system and conventional single-source CT simulating dual-energy mode can quantitatively distinguish between AuNPs-labeled MSCs and calcium-based materials bone tissue, both in vivo and vivo. Continuous monitoring with CT scans at different time points will be performed to evaluate the location, distribution, and migration of AuNPs-labeled MSCs in a dynamic fashion noninvasively. The innovative use of dual-energy CT and its capability of material decomposition, and AuNPs as molecular imaging contrast agent for monitoring the fate of MSCs in bone implant for defect repair will demonstrate its great potential in clincial practice. It will also provide itself as a novel imaging tool for detecting and tracing stem cell in transplantation for both basic and translational research.

在组织工程技术及干细胞治疗中，缺乏对植入体内细胞的转归和安全有效的细胞植入量的了解是制约其临床应用的瓶颈所在。目前临床跟踪植入体内细胞在技术上存在巨大困难。为了研究金纳米（AuNPs）作为临床用分子影像学造影剂示踪MSCs骨修复的可行性，本项目将使用AuNPs标记的MSCs，在体外细胞培养及体内动物骨缺损的模型，使用组织工程化骨中的载体限制AuNPs标记的MSCs，运用高端双能CT以及常规螺旋CT模拟双能模式，活体动态精确定量区分标记MSCs的纳米金、载体钙及周围正常骨钙，对MSCs的迁移、分布、定位及其时间动力学过程作在体、无创、持续的定量监测评价。本项目创新使用临床用双能CT的分子影像学成像方法监测组织工程化骨中的载体限制的AuNPs的MSCs，证实常规螺旋CT可以实现临床跟踪植入体内细胞，能有力促进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转化应用的转换。

目的：设计了一种新型的无创活体检测手段，使用表面修饰技术以提高金纳米颗粒（AuNPs）生物相容性和被细胞吞噬量，运用双能CT成像技术完成活体干细胞示踪。..内容与方法：1. 金纳米颗粒(AuNPs)是使用柠檬酸钠还原氯化金酸溶液的方法合成，在金纳米颗粒表面包裹一层薄硅层合成AuNPs@SiO2纳米颗粒，之后在AuNPs@SiO2纳米颗粒的表面进行表面修饰合成AuNPs@SiO2-TS纳米颗粒。观察骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells ,BMSCs)对金纳米颗粒的吞噬作用，研究金纳米颗粒对BMSCs增殖、成骨细胞分化及成脂分化和成软骨细胞分化的影响。2. 双能CT（Dual energy CT ,DECT）体外扫描，体外分离、选择性成像经过金纳米颗粒标记的BMSCs和兔股骨骨组织。3. 建立兔的股骨骨缺损模型，进行BMSCs移植治疗骨缺损，DECT扫描并后处理，活体示踪BMSCs在骨缺损修复治疗中的情况。..结果：1. AuNPs@SiO2-TS与BMSCs共培养一天，金纳米颗粒的吸收量高达每细胞~255pg的量，14天之后金纳米颗粒的数量未发生明显的减少。修饰过的金纳米颗粒对细胞的活性、细胞毒性以及细胞的周期均没有显著影响，对BMSCs的成骨、成软骨和成脂分化能力也没有显著影响。2. DECT成像的数据进行后处理，AuNPs@SiO2-TS纳米颗粒和兔股骨骨组织自动分离识别、显示BMSCs分布图。3. 研究首次证实了用细胞探针技术标记的BMSCs可以运用临床常规CT或DECT来扫描示踪，后处理显示了BMSCs向骨皮质缺损位置迁移的趋势。..结论：1. 我们特别设计的AuNPs@SiO2-TS纳米颗粒在标记BMSCs时具有高剂量和低毒性的特点，并且在14天的研究中，修饰后的纳米颗粒对BMSCs的功能没有产生影响，使得临床DECT成像技术有机会实现对纳米颗粒标记的BMSCs在骨修复过程中的进行示踪。2. DECT技术可以自动识别区分股骨骨骼和纳米颗粒标记的BMSCs，标记的干细胞逐渐向骨皮质缺损方向转移。3.临床双能CT成像技术实现了BMSCs在骨组织修复过程中的转移情况的实时观察，这一研究方法为进一步研究干细胞剂量的优化以及骨组织修复过程中干细胞的体量和重要作用等问题提供了有效的研究手段。