干细胞及微环境与中枢神经损伤修复的分子影像实验研究

Central nervous system (CNS) injury is a life-threatening disease and major reason of disability. Stem cell transplantation is a potential therapeutic approach to improve the regional micro-environment, replace of disabled neural function. Therefore, it is important to understand the interactions between stem cell and microenvironment, and to develop the non-invasive, repetitive, tempo-spacial dynamic molecular imaging technology. This proposal is to explore the interaction between stem cell therapy and microenvironment using both in vitro oxygen and glucose deprivation-reperfusion (OGD-Rep) model, and middle cerebral artery occlusion (MCAO) rat model, by the combination of in vivo and in vitro assessments, for instance, MTT, Western blot, immunohistochemical assays, and in vivo positron emission tomography (PET) molecular imaging methods using a various probes to reflect the cellular microenvironment, for instance, glucose, hypoxia, apoptosis and methionine metabolism.

中枢神经损伤造成的神经功能缺损与再生是困扰人类健康的难题。体外诱导多功能干细胞（iPSC）是一种万能干细胞，有可能成为安全、有效、可控地解决人类面临的大多数医学难题的重要方法，而微环境影响与决定干细胞分化方向。本研究提出PET分子影像联合体外质谱分析方法，利用多组合分子影像探针技术，以脑缺血大鼠为模型，实现活体状态下定量、实时、长时程监测移植iPSC前后大鼠脑内葡萄糖、乏氧、蛋氨酸、凋亡等微环境变化；高灵敏、精确定量监控大鼠脑脊液和缺血梗死区相关蛋白质类细胞因子的状态和变化；定量荧光显像评价移植iPSC在脑内的分布、存活、生长、迁移和治疗疗效等关键信息。实现iPSC的精确示踪和微环境的可视化及定量评价，多靶点、多角度、多层次探索iPSC与微环境的相互作用和微环境代谢网络变化规律，阐明iPSC及微环境对中枢神经损伤修复的作用和机理，为中枢神经损伤修复研究提供新思路和新方法。

本研究分析了iPSC移植后脑中风大鼠在亚急性期和慢性期的脑微环境改变，全面展示了干细胞移植后缺血区大脑的蛋白质表达谱，揭示了干细胞治疗缺血性脑卒中的关键机制，为缺血性脑卒中的病理和治疗策略提供了新的见解。研究利用PET分子影像、神经行为学测试、iTRAQ联合LC-MS/MS质谱技术等方法，证实了iPSC治疗后的脑中风大鼠在葡萄糖代谢和神经行为学方面均有明显改善；并分别在亚急性期和慢性期，对iPSC移植大鼠的脑微环境进行深入研究，发现共有39个蛋白在iPSC移植大鼠脑中差异表达，表明iPSC移植后的脑微环境会发生广泛改变，这些改变有助于缺血性脑卒中的神经保护。该研究的重要性在于，在缺血性脑卒中的亚急性期和慢性期，对iPSC移植大鼠的脑微环境进行了全面的分析，并且对发现的差异表达蛋白进行了时空分析，将为干细胞治疗策略的进一步改进或替代治疗提供新的思路。