微米和纳米

利用光声成像纳米造影剂实时追踪植入活体心脏的干细胞

心脏病是世界头号杀手。由于心脏器官缺乏自身修复机制,一旦发生损伤便难以再生。为了解决这一临床难题,越来越多的研究人员开始关注干细胞治疗这一新兴领域。已有动物实验证实,通过将诱导性多能干细胞分化的心肌细胞(iPSC-CMs)移植注射到受损的心脏中,心脏功能可以得到显著提高。然而,如何精准高效的评估植入的iPSC-CMs细胞数量、位置及其在受损心肌组织中的定植情况依然是生物医学技术上的难点。

利用光声成像纳米造影剂实时追踪植入活体心脏的干细胞

▲ 图 1有机半导体纳米粒子标记的iPSC-CMs。纳米粒子成功的聚集在心肌细胞内肌纤维周围。放大倍数:400x

为了更好的评价和优化iPSC-CMs在心脏修复与再生中的作用,来自斯坦福大学心血管研究中心Joseph Wu教授,秦绪磊讲师,陈昊东和杨华啸博士,以及新加坡科技研究局(A*STAR)的李凯研究员在内的研究学者通过跨国合作成功设计了一种具有光声效应的有机半导体纳米粒子(Semiconducting Photoacoustic Nanoparticle, PANP),并将该纳米粒子用于iPSC-CMs的活体细胞标记。与现有的纳米粒子相比,他们研发的纳米粒子可标记超过90%的iPSC-CMs,成功解决了iPSC-CM难以被标记的难题。同时他们发现,这种纳米粒子不具有细胞毒性,对细胞功能没有实质影响。

在进一步的体内心脏成像实验中,作者利用超声和光声双模态成像引导,行胸腔穿刺术直接将iPSC-CMs注射入高速跳动的心脏受损区域(scar area)。24小时后,光声成像可以实时追踪定位植入的iPSC-CMs。由于光声模式具有非常高的成像信噪比和对比度,该技术可以准确判断和量化移植成功的iPSC-CMs,而普通超声成像则不具备这种能力(图2)。同时,由于光声成像纳米粒子具有非常高的灵敏度,研究人员可以成功检测到不多于2000个细胞,是目前为止利用分子成像方法最灵敏的体内细胞成像技术之一。

利用光声成像纳米造影剂实时追踪植入活体心脏的干细胞

▲ 图2 利用超声和光声双模态在跳动心脏中对移植细胞进行成像。

通信作者之一的Joseph Wu教授是这样评价这项新技术的:“这项技术为我们提供的一种在小动物模型中更优的体内细胞追踪方法。这种纳米颗粒具有非常高的光声信号及特异的光谱特征,可用于检测和分辨非常少量的移植细胞。”

基于这项技术在小动物模型中的出色表现,作者下一步的目标是探索其在大动物模型和临床上的应用。

该论文作者为:Xulei Qin,† Haodong Chen,† Huaxiao Yang,† Haodi Wu,Xin Zhao, Huiyuan Wang, Evgenios Neofytou, Dan Ding, Sarah Heilshorn, Heike Daldrup-Link, Kai Li,* Joseph C. Wu,* (†共同第一作者,*共同通讯作者)

参考资料:

1.Photoacoustic Imaging of EmbryonicStem Cell-Derived Cardiomyocytes in Mouse Hearts with Semiconducting Polymer-based Nanoparticles, Adv. Funct. Mat., DOI: 10.1002/adfm.201704939

2. Nanoparticles help trackhuman heart muscle cells in mice in Stanford study.https://scopeblog.stanford.edu/2017/11/16/nanoparticles-help-track-human-heart-muscle-cells-in-mice-in-stanford-study/

利用光声成像纳米造影剂实时追踪植入活体心脏的干细胞

来源:高分子科学前沿

投稿 荐稿 合作:editor@polysci.cn

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