纳米医学是将纳米科学与技术的原理和方法应用于医学领域的一门学科。随着纳米技术快速发展，纳米医学与干细胞结合已成为研究热点。纳米材料的尺寸、结构与成分赋予其独特的理化性质，可实现多功能集成，并得到了医学领域的广泛关注。我们将围绕纳米探针在干细胞移植中的成像示踪、纳米技术调控干细胞增殖与分化，基于纳米技术的干细胞组织工程支架、纳米材料和干细胞结合治疗慢性疾病及医疗美容等研究热点领域，对纳米材料与干细胞的协同应用进行概述。
虽然目前干细胞疗法在很多疑难疾病的治疗中已显现出良好的临床前效果，但其安全性和作用机制尚未完全明确，阻碍了其向临床转化的步伐，所以开发合适的干细胞活体示踪剂跟踪干细胞移植到体内后的存活、迁移以及增殖分化状况变得空前急迫和重要。理想的干细胞活体示踪剂应该具备安全、长时间稳定标记、能指示干细胞的存活情况、能抗细胞增殖稀释、能反映干细胞分化和功能发挥情况的特点。这些要求给现有医学影像技术及活体示踪剂的研发提出了巨大挑战。近年来，纳米技术和分子生物学技术的飞速发展为干细胞活体示踪技术的发展提供了新的思路。已有一些探索性的工作将基于纳米颗粒的干细胞标记与其他标记技术结合，用于监测治疗过程中移植干细胞的位置、迁移、存活和分化，显示出纳米示踪剂用于干细胞治疗的巨大潜力。
图1 干细胞示踪近红外荧光纳米探针
荧光成像是经典的光学成像技术，具有高灵敏度、高特异性、低成本等特点。但对于在体示踪来说，基于传统小分子荧光染料或者荧光蛋白的成像会存在严重的生物荧光背景干扰、容易光漂白及只适用于浅表成像等问题，限制了其作为干细胞示踪手段的应用[1]。而纳米荧光量子点的高光学稳定性及发光区间的可调变性提高了荧光成像在体内长期追踪干细胞的能力。
量子点(quantum dots,QDs)是一系列可发射荧光的无机半导体纳米粒子，它们丰富的发光性能来源于颗粒三个维度上纳米尺寸决定的量子限域效应：当半导体尺寸小到跟其激子波尔半径(一般为几纳米)相当时，半导体的能级发生分裂，产生了各种能级结构。激发电子在不同能级之间的跃迁使量子点对光的吸收产生了选择性，激发电子与空穴复合时发出荧光，且发光性能(强度、纯度及波长)都可以通过可控的纳米量子点制备技术来调节[2]。基于生物成像的需要，当前可通过调节量子点的组分及缺陷态结构来实现 QDs 近红外(near infra-red,NIR)发射，以增加成像的深度和信噪比[3]。
例如，具有近红外发射性能的 CaSe@ZnS 核/壳结构被用来标记和跟踪 C57BL/6 小鼠模型中脂肪组织源性干细胞(adipose tissue-derivedstem cell,ADSC)[4]。王强斌等人制备了具有近红外二区(NIR-Ⅱ,1000~1700nm)发光性能的 Ag2S QDs 并结合经典的生物发光红色荧光素酶(red fluorescence luciferase,RFLuc)标记人间充质干细胞，实现了对移植的人间充质干细胞在颅骨缺损小鼠模型中的存活和成骨分化的动态跟踪[5]。此外，上转换荧光纳米粒子(upconversion nanoparticles,UCNPs)通过反斯托克斯过程吸收几个近红外光子发出荧光的特性，使其也适合用于标记和跟踪小鼠间充质干细胞[6,7]。
然而，QDs 中的重金属离子和 UCNPs 中掺杂的稀土金属离子始终是干细胞示踪向临床应用转化的障碍。与无机纳米粒子相比，聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)材料属于有机分子，具有相对更好的生物安全性，它们在分散态下不发光，在聚集态下发射出强荧光，这与传统荧光材料聚集猝灭(ACQ)的情况完全相反。这种独特的特性使 AIE 纳米材料具有持久稳定的荧光信号，且相比无机 QDs 类发光物质，AIE纳米材料具有更高的荧光量子产率(大约 25%)[8-10]，具备用于干细胞长期示踪的潜力。例如，Ding 等人利用 AIE 材料在脂肪干细胞中有极好的滞留性的特点，用 AIE 纳米点对移植到小鼠体内的 ADSC 进行在体示踪，以生物发光和 GFP 标记为对照的体内定量研究表明，AIE 纳米点可以准确定量报告后肢缺血小鼠模型中 ADSC 的命运[11]。
此外，AIE 单体很容易设计和调整，以具备近红外甚至近红外二区发光的能力。Yang 等人制备了近红外发射的 AIE 纳米点，量子产率高达 33%，用于标记 ADSC，示踪其对放射造成的皮肤损伤进行修复的过程，表明 AIE 纳米点可以稳定标记和示踪至少1 个月的时间[12]。
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