干细胞治疗的潜力
Therapeuticpotential of stem cells
干细胞在治愈多种退行性疾病，遗传疾病和物理创伤等领域具有巨大的潜力。作为多能祖细胞，干细胞可以在体外以及体内移植后（部分情况下）分化为重要的细胞谱系。目前已有超过950项涉及人间充质干细胞（MSCs）1的临床试验正在进行，用于治疗心肌梗塞，自身免疫性疾病和肝病等2。干细胞的应用是非常广泛的，例如最近有两篇文章研究了MSCs在COVID 19感染肺部的治疗方法3,4。
干细胞具有的多能生物学特性已显示它们可产生许多生物活性因子，这些因子可通过减少纤维化，刺激新血管形成和内源性组织再生以及提供免疫调节来改善受损组织的功能5。在抗癌治疗中，MSCs通过调节增殖和免疫细胞的细胞因子的产生来控制炎症6，这种治疗方法已显现出巨大的希望。
干细胞治疗的多种应用和当前用于优化移植结果的临床前研究需要特异性且定量的监测方法，以评估干细胞移植到体内后的情况。
干细胞成像的挑战
Stem cell imaging challenges
干细胞递送和生物分布的无创定量监测具有挑战性。例如光学技术中的生物发光和荧光，会受到深度的限制，并且通常使用基因编码的报导在临床转化上是很复杂的。核成像技术，如PET / SPECT面临的挑战是有限的示踪剂半衰期，长时间研究中大量累积的辐射剂量，以及成本和基础设施方面的挑战7。氧化铁纳米粒子作为示踪剂的磁共振成像（MRI），在临床前和临床细胞追踪中具有悠久的历史。但是，由于MRI是负成像，使得T2示踪剂使用起来有困难，也导致了图像的特异性和定量变得复杂8。
MPI追踪干细胞
Trackingstem cells with Magnetic Particle Imaging
磁粒子成像（Magnetic Particle Imaging, MPI）是一种非侵入性的分子成像技术，可为动物体内任何地方的超顺磁氧化铁（SPIO）纳米粒子示踪剂的空间分布提供敏感的，非深度依赖的图像。MPI已在多种临床前应用中得到证实，包括追踪癌细胞、肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）等；炎症定量；靶向药物递送；血管灌注和精准磁热疗9,10,11,12,13。MPI具有临床转化能力，目前已得到美国NIH的资金支持，合作研发临床使用的成像设备。
图1 静脉注射后对标记的MSC生物分布的MRI和MPI监测
（第一行）MRI图像（300 x103MSC /小鼠）分别用白色实线和虚线勾勒出肺和肝脏。（第二行）长期2D的MPI和光学多模态成像（100 x103 BMSCs）。MPI信号阳性清楚地表明，在7天之内，示踪剂的生物分布从肺部转移到了肝脏。（参考文献17）
MPI是非侵入性追踪干细胞的理想选择。对于细胞追踪，可以在移植前用SPIO示踪剂标记细胞。用SPIO标记MSCs的流程已经建立且已经过大量实验验证14,15,16。移植后，可以用MPI对模式动物进行长时间成像。MPI信号明显且只作用于SPIO示踪剂，没有周围组织的背景信号干扰。MPI是高灵敏度的，且具有良好的线性定量关系，信号不会随深度衰减，因此可以在深部组织中对细胞进行定量成像。最后，取决于示踪剂的类型，MPI信号通常会随时间保持恒定，从而使标记的细胞能够纵向成像数天至数周17,18。
图2 肌肉注射后，示踪剂标记的BMSCs的MPI-CT多模态成像
（上图）注射后缺血性和非缺血性小鼠中BMSCs生物分布模式的示意图。（中图，下图）CION-22标记的BMSCs在9天内，非缺血性（中图）或缺血性（下图）小鼠中的MPI-CT多模态图像。第9天右下角插图是移植干细胞的说明性轨迹，数字表示不同日期的位置。（参考文献17）
MPI具有很高的灵敏度，可以检测微量的示踪剂。在单个的体积元素中，MOMENTUM™成像仪常规可以检测到约25 ng的市售Synomag®纳米颗粒，而对于MPI优化的纳米颗粒，可以检测到1.1 ng19。假设体素大小为2 mm3，则相当于20-300 pmol的纳米粒子，或2.5-56 μmol的铁。对于包含20 pg铁/细胞的细胞，检测的限度将转换为计算得出的50-1250细胞的灵敏度，具体取决于示踪剂。虽然目前还尚未完全测试对细胞追踪的灵敏度极限，但多个科研团队已证明，在活体中最少可以检测到250个细胞18,20。
骨髓干细胞的MPI成像
MPI of bone marrow-derivedstem cells
骨髓干细胞（BMSCs）是MSCs的一个组成部分，对骨骼（例如软骨组织和骨组织）的生长和修复很重要。BMSCs可以提供无限制的组织来源，并具有更高的移植成功率21，而传统的骨移植疗法由于排斥反应而成功率较低。随着研究人员致力于改善BMSC移植，需要一种非侵入性方法来定量监测移植的成功率，并验证基于干细胞的再生方法的可行性2,14。
图1展示了MPI如何在静脉注射后，追踪SPIO标记的BMSCs的生物分布。在图中，我们看到了对SPIO标记的BMSCs长时间的MRI和MPI监测。MPI和MRI提供互补的图像，MPI填充了MRI中的T2信号空隙。此外，MPI成像显示了BMSCs中的示踪剂如何随着时间从肺向肝脏转移，这种变化在MRI图像中很难观察到17。
图2展示了MPI如何监测股骨缺血期间BMSCs。非缺血性和缺血性小鼠在腓肠肌中肌肉注射了SPIO标记的BMSCs。用MPI和X射线/ CT对动物进行9天的纵向成像。MPI观察到BMSCs向连接位点迁移，这与以前的报道一致，即干细胞可以迁移到受损组织去响应炎症因子22。
图3 纳米粒子标记的MSC移植到活体内颅骨缺损中，第1天和第14天MRI和MPI的图像
（第一组:未标记的MSC；第二组:标记MSC的示踪剂为Ferumoxytol；第三组: 标记MSC的示踪剂为Ferucarbotran）（a）MRI图像（FSE; TE / TR = 42 ms/ 3000 ms）。（b）相同颅骨缺损部位的MPI图像。（c）对应的T2弛豫时间。（d）根据MSC的MPI信号估算铁含量，数据显示为每个实验组三只动物的平均值和标准差。（参考文献23）
如图3所示，Nejadnik等人23使用MPI来监测BMSC对小鼠颅骨缺损模型的治疗。该研究对标记的BMSCs持续监测了14天，并将MRI的T2成像与MPI成像进行了比较。MPI数据量化了干细胞的存活率，而MRI的T2成像无法实现。MPI和MRI图像的共同配准可实现干细胞移植的定位和量化。
值得一提的是这项实验将基于铁的MPI成像与基于氟的MRI成像相结合（此处未显示），该研究使用MPI监测Ferumoxytol标记的MSCs在C57BI / 6小鼠后肢肌肉中的移植，氟MRI监测随后的炎症，质子MRI进行结构学成像24。
神经祖细胞的MPI成像
MPI ofneural progenitor cells
在图4中，我们看到了MPI如何用于神经干细胞移植的定量和高灵敏度监测。首先，将人胚胎干细胞分化为神经祖细胞并进行标记。植入大鼠脑后，在87天内通过MPI监测移植物。研究人员还证明了，MPI信号与纳米颗粒浓度的增加呈线性关系18。他们得出结论，MPI在监测神经干细胞移植方面具有巨大的潜力。
图4 MPI在87天中定量追踪了大鼠的NPC神经植入物
移植到前脑皮层（动物1-2），侧脑室附近（动物3）的SPIO标记的NPC的长期MPI成像，以及作为对照（动物4）的前脑皮质中等效的仅SPIO示踪剂。（参考文献18）
MOMENTUM™和干细胞追踪
MOMENTUM™and stem cell tracking
Magnetic Insight公司的MOMENTUM™MPI系统是世界上第一个自屏蔽的临床前MPI解决方案。使用强大的无磁场区域（FFR）梯度和专有的X空间重建过程，MOMENTUM™可以产生具有高灵敏度和高分辨率的MPI图像。MPI目前已发表大量的文献，是体内干细胞长期监测和定量的理想选择17,18,23,24。MOMENTUM™还提供集成的CT选项，可轻松进行解剖学成像共配准。
结论
Conclusions
随着干细胞研究从细胞培养工作转向临床前和临床研究，研究人员越来越需要活体成像工具。这些工具必须能够准确定位且精确定量移植的干细胞，特别是在长期的研究中。MPI为研究人员提供了传统医学成像技术的补充解决方案，并填补了MRI，PET，SPECT和光学成像固有的空白。
Synomag®是德国Micromod Partikeltechnologie GmbH的注册商标。
参考文献
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