移植神经干细胞分布、存活与分化多通道光学成像技术及其在神经损伤修复“可视化”研究中的应用

Regeneration of the nervous system is a grand challenge for modern medicine. Neural stem cell (NSCs)-based therapy has shown considerable potential in the treatment of a broad spectrum of human neurological diseases. However, the mechanisms of NSCs-based therapeutics remain largely unknown, partly due to the lack of efficient cell-tracking methods. Herein, a dual-luciferase reporter gene system containing EF1α promoter-driven red firefly luciferase (RFLUC) and SYN1 promoter-driven nanoluciferase (nanoLUC) will be developed to simultaneously monitor cell viability and differentiation. Then, a fluorescence imaging with Ag2S quantum dots in the second near-infrared (NIR-II) window will be used in combination with bioluminescence imaging. Thus, a multichannel optical imaging platform will be developed to simultaneously monitor the real-time translocation, survival and differentiation of NSCs in a mouse model of traumatic brain injury. Furthermore, key factors that involved in the survival and differentiation of transplanted NSCs will be fully studied to aid the development of efficient cell therapies for brain injury treatment.

神经损伤修复是世界性的医学难题。基于神经干细胞的再生医学疗法是目前神经损伤修复最有前景的方法之一。如何明了神经干细胞在神经损伤部位的存活和向神经分化是目前神经损伤修复研究及其临床转化需要解决的关键问题。然而由于缺少有效的活体影像技术，目前对基于神经干细胞的神经再生疗法如何帮助神经损伤部位进行神经重建还知之甚少。本项目结合基于Ag2S量子点的高组织穿透深度、高时空分辨近红外二区荧光成像方法可对所有外源移植干细胞的精确分布进行实时监测的优点和特异启动子控制的荧光素酶报告基因成像技术能够特异指示干细胞存活和分化的特性，建立可以在活体上对神经干细胞的动态分布、存活和分化进行一体化和精确共定位分析的多功能活体影像技术。并以此多功能活体影像技术为基础，结合基于微环境调控策略，探索影响神经干细胞在脑神经损伤区存活和向神经元分化的关键因素，以指导更安全、有效的神经损伤修复疗法的建立及其进一步临床转化。

基于神经干细胞的再生医学疗法是神经损伤修复最有前景的方法之一。移植干细胞的体内分布、存活和分化能力对于干细胞的疗效至关重要，但干细胞这些体内行为及其相互关系仍未被充分明析。为此，本项目成功开发了一种覆盖400-1700 nm波谱范围的近红外荧光/双生物发光联合成像方法，成功应用于监测活体小鼠模型中移植干细胞的分布、存活和分化行为。在本系统中，基于Ag2S量子点的高组织穿透深度、高时空分辨近红外二区荧光成像用于对所有外源移植干细胞的精确分布进行实时监测。特异启动子控制的红色萤火虫荧光素酶、绿色荧光蛋白、高斯荧光素酶多报告基因成像技术用于特异指示干细胞存活和分化。通过多种光学信号的共定位和定量分析，成功解析了免疫抑制和促分化细胞因子促进移植干细胞存活和分化的过程和机理。进一步，以此多功能活体影像技术为基础，指导开发了一种基于纳米药剂的高效神经干细胞旁分泌和神经元方向定向分化调控技术，建立了一种能够同时调控脑部淀粉样蛋白降解和神经再生修复的多功能干细胞疗法。利用这种多功能神经干细胞疗法，通过单次治疗能够显著改善阿尔茨海默症小鼠的记忆和认知水平。这种宽光谱（400-1700 nm）、多通道的新型干细胞示踪技术大大扩展了对细胞功能和命运的解析能力，有望推动干细胞再生医学疗法的开发及临床转化。