我们介绍一种使用美国食品药品监督管理局（FDA）批准的超顺磁性氧化铁（SPIO）——菲柔莫醇（Feraheme）对干细胞进行标记和追踪的技术。该细胞成像技术利用磁共振（MR）成像进行可视化，可便捷地用于患者干细胞移植成功或失败的长期监测与诊断。
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摘要
摘要
基于干细胞的疗法为再生医学领域提供了巨大的潜力。然而，关于其诸多方面仍有待深入理解 体内 移植细胞的动力学。一种可重复非侵入性监测移植干细胞的方法 体内 将使研究人员能够直接监测干细胞移植，并确定植入成功或失败的结果。
目前，多种干细胞正在被研究用于无数应用。本方案聚焦于三种不同的干细胞群体：人胚肾293（HEK293）细胞、人源间充质干细胞（hMSC）以及诱导性多能干细胞（iPS）细胞。HEK293细胞来源于在培养中经剪切的腺病毒5型DNA转染的人胚肾细胞。这类细胞因易于培养、增殖迅速且易于转染，被广泛应用于科研。hMSC存在于成人骨髓中，可在维持多向分化潜能的同时以未分化状态进行扩增，即具有向有限种类细胞类型分化的潜力。hMSC可分化为间充质组织谱系，包括成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞、肌腱、肌肉以及骨髓基质。iPS细胞是通过基因重编程改造的成体细胞，经修饰后可表达与胚胎干细胞特征相似的基因和因子。这些细胞具有多能性，即能够分化为所有细胞谱系1。hMSC和iPS细胞均已在体内实验中展现出组织再生能力in-vivo。
磁共振成像（MR成像）联合超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米颗粒细胞标记在 体内 由于近显微解剖分辨率、较长的血液半衰期可实现纵向成像，以及磁共振成像对SPIO纳米颗粒标记细胞检测所具备的高灵敏度，从而实现了对干细胞的示踪 2-4此外，使用超顺磁性氧化铁颗粒（SPIOs）的磁共振成像在临床上具有可转化性。SPIOs由氧化铁核心组成，表面包被有右旋糖酐、羧基右旋糖酐或淀粉，以防止生物活性的铁核与血浆成分接触。这些试剂可产生局部磁场不均匀性，导致T2加权磁共振图像上的信号降低。 5不幸的是，SPIOs 目前已不再生产。然而，第二代超小SPIOs（USPIO）提供了一种可行的替代方案。Ferumoxytol（FerahemeTM）是一种USPIO，由非化学计量比的磁铁矿核心和外围的聚葡萄糖山梨醇羧甲醚包被组成。通过光散射测定，ferumoxytol的胶体粒子大小为17–30 nm。其分子量为750 kDa，在2T MRI磁场下的弛豫率常数为58.609 mM-1 sec-14Ferumoxytol 最近被美国 FDA 批准作为铁补充剂，用于治疗肾功能衰竭患者的缺铁症。 6本研究团队已将该试剂超说明书用于细胞标记应用。本技术可高效地标记干细胞，使标记细胞在磁共振图像上产生显著的信号效应。该技术可用于临床前及临床环境中干细胞治疗的无创监测。
方案
1. 第1天
1) 铺板细胞
- 在标记前至少18-24小时，将hMSC以80%的融合度接种于T75培养瓶中。如需使用其他容器，请参考表1中的说明。
2. 第2天
2) 准备标记溶液。此配制方案可用于一个处于80%融合度的T75培养瓶，标记浓度为400 μg Fe/ml。如需用于其他培养容器，请参见表1中的说明。
- 在15 ml锥形管中，将1 ml无血清培养基与93.1 μl的ferumoxytol（储备液：30 mg/ml）混合，配制成溶液1。
- 在另一支15 ml锥形管中，将1 ml无血清培养基与7 μl的硫酸鱼精蛋白（储备液：10 mg/ml）混合，配制成溶液2。
- 将每种溶液静置5分钟。
- 将溶液1与溶液2混合，轻轻混匀，形成新的标记溶液。静置5分钟，使超小超顺磁性氧化铁-硫酸鱼精蛋白复合物充分形成。
- 向混合后的2 ml SPIO/硫酸鱼精蛋白溶液中加入5 ml无血清培养基，最终体积为7 ml。
3）准备细胞以进行标记
- 吸去细胞中的培养基。
- 用 2–3 ml 预热的无镁/无钙 D-PBS 或无血清培养基轻柔洗涤细胞一次，以去除可能影响对比剂摄取和标记效率的残留血清蛋白或其他培养基成分。吸去洗涤液。
4）标记细胞
- 将7 ml的标记溶液全部加入细胞中。
- 将细胞放入培养箱（37°C / 5% CO2）中，使细胞在标记溶液中孵育4小时。
- 向细胞的标记溶液中加入700 μl的FCS，使最终血清浓度达到10%。添加血清是为了重建细胞所适应的富集环境，并有助于减少因突然转入无血清环境24小时所可能导致的细胞死亡。
- 继续让细胞在标记溶液中孵育额外20小时。
3. 第3天
5) 准备标记细胞
- 吸去细胞中的标记溶液。
- 用 2–3 ml 预热的无 Mg²⁺/Ca²⁺ D-PBS 轻柔冲洗细胞，随后吸去 PBS。必须使用无 Mg²⁺/Ca²⁺ 的 PBS，因为 Mg²⁺ 和 Ca²⁺ 会影响下一步中胰蛋白酶的消化效率。
- 向细胞中加入 2 ml 预热的 0.05% 胰蛋白酶溶液，并轻轻倾斜培养瓶，使胰蛋白酶均匀覆盖瓶底表面。将细胞置于培养箱（37°C / 5% CO2）中静置 5–7 分钟，或直至细胞开始从培养皿表面脱落。必要时可在显微镜下确认细胞脱落情况。如需促进细胞脱离，可轻敲培养瓶侧面。
- 向培养瓶中加入 4 ml 预热的完全培养基以中和胰蛋白酶。用移液器轻柔吹打数次，使胰蛋白酶/培养基/细胞混合液充分混匀，然后将全部液体转移至 15 ml 锥形离心管中。在 400 RCF 条件下离心 5 分钟。
- 小心吸去上清液，避免扰动细胞沉淀。将细胞沉淀重悬于 5 ml 培养基（含血清或无血清）中，随后在 400 RCF 条件下再次离心 5 分钟。
- 重复第 5.5 步所述的细胞洗涤过程。总共需洗涤细胞三次，以彻底去除培养基中残留的游离对比剂及细胞表面附着的对比剂。
- 在此时进行细胞计数，以获得最准确的细胞数量，因为在前期洗涤过程中会有细胞损失。同时进行细胞活力检测。细胞现已准备好用于后续分析或实验应用。可采用 T1-w 和 T2-w 参数进行磁共振成像，因为尽管 ferumoxytol 是一种 T2-w 对比剂，但也表现出 T1 效应。可用于成像 ferumoxytol 标记细胞的代表性 T2-w MRI 参数包括：FSE 或 SE_Multislice 序列，TR 为 2000–2500 ms，TE 为 60–80 ms。若要获取 T1-w 图像，可降低 FSE 或 SE_Multislice 序列的 TE 值，或使用高 TR 和低 TE 的 GRE 序列。图 4 展示了标记干细胞成像的一种潜在 in vivo 应用。
4. 代表性结果：
标记细胞在T2加权MR图像上表现出显著的变暗或负性对比效应，而在T1加权MR图像上则表现出明显的增亮或正性对比效应（图2）。标记后5天进行的纵向MR成像和活力检测显示，与未标记对照组相比，MR信号无显著变化，对细胞活力亦无显著影响（数据未显示）。
标记的干细胞随后可分化为多种细胞类型，或通过静脉注射用于 体内 研究
图1. 使用氧化铁纳米颗粒ferumoxytol标记干细胞的示意图时间线。
图 2. 细胞沉淀置于离心管中矢状面切面的磁共振图像。A) 未标记对照组。B) 标记细胞在T2加权FSE或SE_Multislice成像上显示出明显的T2效应或负性对比剂效应，且在T1加权GRE序列上显示出T1效应或正性对比剂效应。
图3. 含细胞沉淀的离心管矢状截面图。通过T2加权磁共振成像可检测低至10,000个铁葡聚糖标记的细胞。
图4. 注射至小鼠脑室的ferumoxytol标记干细胞的磁共振成像。A) 未注射USPIO标记干细胞的小鼠脑部轴向磁共振图像。B) 轴向、C) 冠状面和D) 矢状面磁共振图像，显示注射至小鼠脑内的USPIO标记干细胞（白色箭头）所产生的T2负性对比效应。
表 1. 在不同容器中进行细胞标记时的数量调整。
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讨论
提高干细胞移植效率对于推动再生医学的发展至关重要。一种用于干细胞的非侵入性可视化技术 体内 显著增强了我们理解导致成功植入结果的机制的能力。用于磁共振可视化的磁性标记，例如我们所展示的这一方法，能够 体内 利用磁共振成像技术追踪干细胞。此前已将磁性标记的干细胞移植至靶组织，并通过磁共振成像实现了长达数周的可视化观察 7由于细胞内溶酶体对氧化铁纳米颗粒的储存作用，可实现长期标记与纵向成像 8然而，对铁标记细胞进行长期监测仍面临诸多挑战。其一，与铁标记细胞的纵向成像相关的一个挑战是，随着健康且具有活性的细胞增殖，对比剂会被分配至子代细胞。这种对比剂向子代细胞的分配是不均等的，导致随时间推移对比剂产生显著的稀释效应。另一个与铁标记细胞长期监测相关的挑战，是难以区分最初被标记且仍存活的细胞与局部的吞噬细胞（如巨噬细胞）——后者可能吞噬了由最初被标记但已死亡的细胞所释放出的对比剂。 4我们的研究团队已发现，用非超顺磁性氧化铁（ferumoxytol）的氧化铁纳米颗粒标记的活体与凋亡干细胞移植后的长期信号动力学存在差异。 9-11
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披露
本研究的所有作者均无利益冲突披露。
致谢
本工作获得了美国关节炎与肌肉骨骼及皮肤病研究所的资助：3R01AR054458-02S2。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| D-MEM 高糖 | Sigma-Aldrich | D5648 | 或根据所需干细胞系选择其他基础培养基 |
| D-PBS （无 Ca++、Mg++） | GIBCO，由 Life Technologies 提供 | 14190-144 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 0.05% | Invitrogen | 25300-120 | |
| 胎牛血清（FBS） | Hyclone | SH30071.03 | |
Ferumoxytol (Feraheme) | AMAG | 59338-0775-01 | |
| 硫酸鱼精蛋白 | APP Pharmaceuticals | 22930 |
参考文献
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