干细胞系列小知识(XXXXXXXⅣ)-超声成像纳米示踪剂和光声成像纳米示踪剂- 大数跨境

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干细胞系列小知识(XXXXXXXⅣ)-超声成像纳米示踪剂和光声成像纳米示踪剂

一米生物

2025-10-14

导读：我们将分多期内容分享传递更新、更全面的干细胞研究和应用信息，建议收藏！

超声成像纳米示踪剂和

光声成像纳米示踪剂

相比于光学成像，共振成像技术(magnetic resonance imaging,MRI)具有更佳的组织穿透深度和更高的分辨率，同时又可以获得解剖和生理信息。MRI 信号是在超声成像使用探头发射出超声波于人体组织上并接收回波数据成像，由于人体不同组织的声阻抗和衰减特性具有差异，经过不同组织的回波强度具有差异，因而成像能反映人体组织结构。超声成像具有良好的时空分辨率和较大的组织穿透深度，是干细胞移植的又一种有效示踪手段^[1]。然而，传统超声成像存在移植细胞与邻近软组织之间对比较弱，分辨率差而不能有效示踪。为了解决这一问题，提高成像分辨率，超声造影剂(ultrasound contrastagents,UCAs)应运而生。传统的 UCAs 是由脂质、蛋白质或生物相容性聚合物包裹的微气泡^[2]，由气态的内核和柔软的外壳组成，当进入血液或组织时有较高的可压缩性，当超声作用到这些微泡时，在声压作用下可引起体积的变化，产生很强的反射回波^[3]。然而，这些微泡的微米尺度、较差的结构稳定性以及较短的半衰期限制了它们在干细胞示踪中的应用。所以最近，许多工作集中在 UCAs 的小型化上。纳米 UCAs 已经被开发用于移植干细胞的超声成像示踪，如纳米气泡、二氧化硅纳米颗粒和纳米管等^[4]。然而，纳米微泡通常不具有足够的回声，因为它们太小，无法有效地散射超声波。一种“小到大”的变化策略被提出，用来解决这个问题。例如，Min 等人制备了一种碳酸盐共聚物纳米粒子，该纳米粒子可以水解，原位产生微米级的 CO₂气泡用于超声造影，从而很好地解决了微米气泡造影剂难以标记细胞，纳米气泡造影剂超声信号又太弱的问题^[5]。二氧化硅纳米粒子和其他玻璃基纳米材料，由于具有刚性特征，跟组织的界面上存在高阻抗失配，可以显著增强超声信号^[6]。Chen 等制备了一种类外泌体二氧化硅(exosome-like silica nanoparticles,ELS)纳米粒子，用于干细胞标记和示踪^[7]。

他们发现，该纳米粒子独特的圆盘形状及其正电粒促进了细胞的摄取，有效增强了回声信号。Farzad Foroutan^[8]等合成了可生物降解的 P₂O₅-CaO-Na₂O 磷酸酯基玻璃纳米球(phosphate-based glass nanospheres,PGNs)，作为超声造影剂标记间充质干细胞，发现其在体内和体外的检测限分别为 5μg/mL 和 9μg/mL。可用于 4000 个细胞的超声成像，在成像所需剂量下没有细胞毒性。重要的是，PGNS 可以生物降解到水介质中，降解产物容易在体内代谢。这些氧化硅基及玻璃基的纳米粒子由于其相对较高的结构稳定性、低毒性、以及可调节的结构和尺寸，在超声成像实时干细胞跟踪中具有广阔的应用前景。

图1 光声成像基本原理

光声成像(photoacoustic imaging,PAI)是一种基于光声效应^[9]原理的生物医学成像方式。光声效应即来自光的能量被材料吸收并作为声振^[10]释放。在成像过程中，近红外激光源将光以脉冲(1~100ns)的形式打到目标组织^[11]上，引起目标组织经历热弹性膨胀，释放机械波，被 PAI 检测器作为信号检出。这种成像方式将光学成像的高对比度与超声成像的深穿透性相结合，能以实时和非侵入性的方式提供功能和解剖信息。光声成像的对比剂可以是内源性的强吸收分子(如氧合和脱氧血红蛋白^[12]、黑色素^[13]、脂质^[14]和水等)或外源性的小分子染料，如美国食品药品监督管理局批准的吲哚菁绿和其他近红外菁染料被用于 PAI，但这些分子较差的水溶性及光稳定性影响了它们的活体细胞示踪应用。近红外吸收性能的纳米材料则具有好的光学稳定性和水分散性，因此很多被开发用作移植干细胞位置追踪、功能表征、活性监测的 PAI 探针。目前常用的光声纳米造影剂主要有金纳米颗粒、普鲁士蓝纳米颗粒、有机纳米粒子、黑色素纳米颗粒等。其中，金纳米颗粒因其优异的光热转换效率、稳定的成像能力和生物安全性而被广泛应用于移植干细胞成像中。Suggs 等采用不同尺寸(20nm、40nm、60nm)的金纳米球标记并追踪体内间充质干细胞，证明了纳米颗粒标记后细胞功能仍能维持^[15]。结果还发现标记干细胞中的金纳米颗粒信号可在 14 天内仍可被检测到，表明 PAI 可以长期、无创地跟踪细胞。各向异性金纳米颗粒具有较好的光热转换效率，即光声效应。Ricles 等使用双金纳米颗粒系统(由金纳米棒和金纳米球组成)来跟踪移植的干细胞，并对浸润的微噬细胞成像，开发了一种区分传递性干细胞和浸润性免疫细胞新的方法，这可能有助于揭示损伤愈合的机制^[16]。Dhada 等^[17]设计了一种活性氧(reactive oxide species,ROS)敏感染料(R775c)包覆金纳米棒合成材料，可通过 PAI 技术同时观测移植干细胞的活力与体内所在位置。此外，普鲁士蓝纳米颗粒由于在近红外区域有很强的光吸收，也被广泛用于光声成像造影。Kim 等利用普鲁士蓝纳米颗粒在 740nm 处具有很强的光吸收的特性，进行干细胞的示踪^[18]。结果表明该纳米颗粒具有良好的生物稳定性和光声检测能力，对体内细胞的检测限可达 200/μL，检测时间可持续到注射后 14 天^[19]。

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参考文献

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