MRI报告基因成像在心脏细胞示踪中的应用进展

浙江中医药大学第一临床医学院，浙江 杭州 310006

MRI报告基因成像在心脏细胞示踪中的应用进展

周鑫斌武丽

浙江中医药大学第一临床医学院，浙江 杭州 310006

近年来基于细胞替代的心脏修复和再生治疗有了长足发展，但目前缺乏连续的非侵入性有效成像手段来评估移植干细胞的存活及预后。核磁共振(MRI)报告基因成像技术的出现使得在体评估心肌梗死后所移植细胞的存活、增殖、迁移及分化情况成为可能。现就MRI报告基因细胞示踪成像的机制、心脏中应用现状及前景做一综述。

核磁共振；报告基因；心脏再生；细胞示踪；文献综述

近20年心脏再生细胞疗法相关研究，不论是临床前心梗治愈模型还是临床试验都有了巨大发展。早年的研究主要使用自体细胞移植替代受损心肌，而近年来不同来源的多能干细胞移植显示了其潜力。虽然不少研究显示细胞移植及归巢后全心功能有暂时改善，但是长期存活的细胞比例却不足1%[1]，并且对于移植细胞高死亡率的发生机制及如何促进移植细胞生存、分化等仍知之甚少。其中主要的障碍在于缺乏细胞移植后的连续的在体非侵入性的检查方法去阐明上述发生过程[2]。

磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)是非侵入性软组织检查的基本手段，具有较好的对比度，新兴的心脏磁共振成像(CMR)能够从细胞至全心水平多尺度描述心脏的特性。MRI报告基因成像的出现使得在体评估细胞生存、迁移及分化成为可能，但大部分仅限于非活动组织及肿瘤[3]，用于评估心肌梗死后移植细胞存活性的仍相对较少。

1 常规MRI细胞示踪技术

MRI细胞示踪依赖标记于细胞上的化学物质，通过调整T1或T2弛豫时间产生对比成像，或者选择性激活转换饱和磁化强度(假彩色对比)成像[4]。比如用钆-二乙三胺五醋酸(Gd-DTPA)标记纤维母细胞，使得T1弛豫时间缩短，可以追踪卵巢肿瘤中纤维母细胞的募集情况，也能追踪小鼠心肌梗死后心脏疤痕形成中巨噬细胞的游走[5]。钆标记细胞的募集可以通过重T1加权成像的阳性对比直接观察或者通过标记与非标记组织T1弛豫时间不同进行测量。除此之外，不同弛豫效能的多种氧化铁纳米粒子也广泛用于细胞标记[6]。标记于细胞内的氧化铁纳米粒子，在磁场中发生相位偏移，导致标记细胞的T2弛豫时间显著缩短，通过观察T2加权成像而有效追踪标记细胞。虽然用缩短T1或T2时间的对比剂标记细胞能通过常规脉冲序列观察，但是这些标记物会影响到成像解剖的完整性，并且标记物在细胞间的不对称分布、细胞标记物的稀释、标记后细胞功能改变、氧化铁蛋白纳米粒子残留对组织的长期损伤等[7-8]都是阻碍运用常规造影剂进行MRI细胞示踪的主要因素[8]。

细胞标记的另一方法是运用能选择性通过化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，CEST)产生对比的造影剂进行示踪[9-10]。给予CEST对比剂特定的射频照射，通过转移周围水中的饱和磁化质子而使得水信号减低。与传统缩短T1/T2的对比剂相比，CEST对比剂产生的对比成像可以选择性地开启。正如Ferrauto等人[9]发现的那样，不同CEST对比剂标记的不同细胞群体，可以通过多种不同光谱加以区分观察。并且由于该方法并未破坏成像中解剖的完整性，故CEST-MRI可以与进一步的心脏结构功能检测措施相结合，但尽管如此，分辨率低、标记稀释、对比剂残留等仍是其发展瓶颈。

2 MRI报告基因成像方法

近十年来研究产生了大量有着不同报告机制的MRI基因报告方法[3]，其中代表性的有三类。第一类是过表达细胞内铁调控因子，如铁蛋白和/或转铁蛋白受体，增加胞内铁含量，从而缩短T2弛豫时间，使得在T2加权成像中能检测该报告基因的表达情况。该方法已用于检测脑细胞的迁移，肿瘤细胞的募集及癌细胞的增殖及内皮细胞的分化等[11]。第二类是利用人工的细胞质膜肽或者抗原作为报告源[3]，并以此为靶点产生T1或T2对比图像。该方法目前主要用于检测癌细胞的增殖。第三类是类似前述的，通过基础表达的CEST报告基因[12]或者转入CEST目标基因[13]从而选择性地产生CEST对比成像。该技术主要用于实验动物脑植入癌细胞后，观察其存活与增殖情况。目前为止所有的MRI报告基因成像研究中，只有少数专注于心脏细胞的动态示踪研究。

3 MRI报告基因成像用于移植后心脏细胞生存及增殖的评估

CMR用于心脏细胞示踪成像的研究仍处于起步阶段。目前大多研究通过对心肌梗死模型动物移植干细胞，并以报告基因表达细胞MRI成像为指标监测细胞的活力及增殖情况，旨在通过心脏MRI梯度回波成像T2/T2*的对比鉴别出报告基因表达细胞。为了更加安全地增加细胞内铁含量，一系列的研究都是通过铁调节元件的过表达实现对比显像[14-16]。而也有一项独立试验，以静脉注射铁氧化纳米颗粒结合的抗体去标记报告基因所编码的质膜抗原达到成像目的。这些早期的研究显示了CMR能用于识别有活力的心脏细胞群体，证实了增殖过程中MRI报告基因能持续表达，并且未显示出报告基因表达过程中细胞自身功能的改变。

3.1 以过表达铁蛋白作为MRI报告基因 在Naumova等[14, 16]人的早期研究中，研究者们将过表达鼠铁蛋白重链基因载于含组成激活启动子的巨细胞病毒(CMV)，并将其转入小鼠骨骼成肌细胞(C2C12细胞系)，普鲁士蓝染色证实过表达铁蛋白的C2C12细胞铁吸收及潴留增加。与正常的相比，过表达铁蛋白的C2C12细胞T2弛豫时间下降了25%，而如果处于铁含量丰富的环境，该下降幅度可达50%。

为了在体验证铁蛋白过表达对于MRI细胞示踪作用，研究者分别将野生C2C12细胞和过表达铁蛋白的C2C12细胞移植入心肌梗死C3H小鼠心脏，3周后过表达铁蛋白C2C12在T2/T2*加权像中显示出明显的低信号，并且Naumova等发现标准的亮血T2*加权回波序列成像对于检测铁蛋白过表达细胞最为有效，其评估的心脏移植细胞范围的大小与后期组织学评估的大小存在强相关性[17]。

也有类似研究将猪的心脏干细胞移植入心肌梗死小鼠心脏，并以过表达的人源铁蛋白重链作为MRI细胞追踪的报告基因[15]。Campan等人首先利用慢病毒(lenti-virus)诱导人载铁蛋白重链过表达，并最终将该转基因型的心脏干细胞培养成细胞集团[14, 16]，而过表达的铁蛋白重链并未改变其决定多分化潜能的细胞表面标记物及心脏细胞谱系。心肌梗死模型小鼠接受心脏干细胞移植4周后，其左室射血分数明显改善，重复验证也证实了铁蛋白重链过表达心脏干细胞和野生型心脏干细胞移植后其活力、增殖及关键细胞表面标记物均无显著差异[14]。

上述研究结果显示了利用过表达铁蛋白作为报告基因的MRI成像在心肌梗死细胞移植治疗后评估其存活及增殖的潜力。但需要指出的是，由于实际应用时空间分辨率的问题，MRI报告基因成像可能会受到部分容积效应的影响。

3.2 以膜结合受体靶抗原作为MRI报告基因 Chung等人[18]设计出能表达血凝素酸(hemagglutinin acid，HA)及myc抗原的胚胎干细胞。并且他们将超顺磁性氧化铁(super-paramagnetic iron oxide，SPIO)纳米颗粒共价固定于抗HA及myc的单克隆抗体上，通过与相应抗原结合发挥MRI报告基因作用。最初的体外研究显示，当与目标SPIO微粒共同培养时，表达HA及myc的胚胎干细胞信号显著下降。后期动物实验显示接受HA及myc阳性胚胎干细胞移植的动物，用SPIO结合的HA或myc抗体处理5天后相应移植区域信号强度下降，该心肌组织区域也通过生物荧光成像及组织H&E染色得到证实。SPIO标记颗粒能有效克服基于铁蛋白的报告基因成像低敏感性较低问题，且SPIO只需要在成像前8-12小时注射，具有能在扫描室外注射的优势。但是SPIO标记的多能干细胞应用于心脏再生时，仍需要证实上述报告基因是否会改变细胞的活力、增殖及分化，并且HA及mys等作为外来抗原是否会引起宿主的免疫反应也需要更深入的研究。

4 总结及展望

MRI报告基因成像示踪技术的出现使得我们对相应疾病中细胞的作用及细胞再生的过程机制有了更深入了解。但其发展也存在不少制约瓶颈，如针对MRI报告基因所需的细胞基因型改变的安全性仍需要长期研究[17]，并且目前的MRI成像主要基于T2*加权像信号的减弱，应有更多的MRI分子成像方法相结合来完整显示细胞信息，同时也需要更多特异性的MRI报告基因来显示多能干细胞所分化的不同细胞谱系。虽然该技术在心脏分子成像中的应用刚刚起步，但其在评估心脏再生治疗中移植细胞的存活、增殖及分化方面有着巨大潜力，对这些机制更加深入的认识能有效促进干细胞存活及心肌组织再生技术的发展。

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周鑫斌(1989-)，男，浙江湖州人，浙江中医药大学第一临床医学院在读硕士，研究方向：心血管系统疾病。

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1007-8517(2014)11-0044-02

2014.04.03)