国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2008 Nov;31(6):473—475 翻 蕾 技术学 SPIO在非吞噬细胞成像中的应用及研究进展 Advancement of SPIO S application and research in non-phagocytic ceHs imaging 张文高杨学军 【摘要】超顺磁性氧化铁(SPIO)纳米颗粒作为MRI对比剂在医学领域发挥着越来越重要的作用。以SPIO 结合MRI为基础的细胞示踪是一种较新的无创性的活体内细胞检测技术,它的独特优势使其成为干细胞移 植、肿瘤血管生成、免疫细胞分布监测等方面的研究热点。就SPIO在非吞噬细胞标记和示踪研究方面的进展予 以综述。 【关键词】超顺磁性氧化铁;细胞成像;细胞标记;细胞示踪;非吞噬细胞 早在1988年。Stark等[ ]首次报道将氧化铁微 通常在纳米范围内,颗粒大小的不同影响其在体内 粒用于肝脏MR成像.正常肝组织中的kupffer细胞 分布的特异性和磁性。SPIO颗粒大小、所带电荷量 吞噬铁颗粒而在MRI上呈现低信号,肿瘤性病变由 以及所被覆物质的自然属性决定了其结构稳定性、 于缺乏吞噬细胞而被周围低信号的正常肝组织衬 生物分布和代谢速度。影响磁性纳米颗粒进入细胞 托出来。1992年,Norman等[ ]利用MRI观察老鼠脑 有两个主要因素:首先是纳米颗粒与细胞膜的亲和 内由顺磁性氧化铁颗粒标记的非吞噬类细胞.在 力:其次是纳米颗粒透过胞膜进入胞质的能力。细 T2WI上植入标记的细胞局部显示出低信号。随着医 胞膜及一般未修饰的SPIO颗粒都带负电荷,静电 学影像技术的发展。人们将磁性粒子与抗体或受体 的斥力使细胞不容易摄取。葡聚糖、去铁蛋白、羧酸 结合,通过细胞表面相应的受体使磁性粒子与细胞 聚酰胺树脂等包被材料及多聚左旋赖氨酸(poly—L— 结合并进入细胞内;还可将磁性氧化铁粒子制成特 lysine,PLL)、脂质体、植物血凝素等转染介质的应 定的标记物,通过哺乳类动物细胞非特异性膜表面 用大大增强了细胞对其的吞噬能力。 吸收过程进人细胞内。从肝脏成像到干、祖细胞等 2 SPIO的超顺磁性和成像原理 的成像历经了由宏观到微观、由吞噬细胞到非吞噬 与传统的钆类顺磁性对比剂一样,SPIO也能增 细胞的发展。随着MRI的发展,检测的效率和敏感性 强质子弛豫,但其增强的原理不同。SPIO特殊的化 不断提高,现已达到生物大分子水平。近年来超顺磁 学结构使之在较弱的磁场中也可产生较大的磁性, 性氧化铁(superparamagnetic iron oxide,SPIO)在非 而外磁场撤消后磁性也迅速消失,即具有所谓超顺 吞噬细胞示踪和成像技术的应用中得到迅速发展。 磁l生。SPIO颗粒分布于组织后,呈不均匀分布,造成 可将活体内的靶细胞可视化,获得细胞在活体内的 局部磁场的不均匀,从而加速了质子去相位的T2弛 生物学分布并可示踪其迁徙、运输、分化情况。这种 豫,使组织信号降低,而对T 影响较小。 成像手段具有无创、可重复性强和敏感性高等优点. 3 SPIO标记非吞噬细胞的机制 结合高分辨力MRI可清晰显示标记细胞。MRI以其 3.1直接胞吞作用 直接将葡聚糖等包被的SPIO 无放射性、软组织分辨力高和可重复性好等优点备 与细胞共同培养。在不使用转染试剂时要达到理想 受推崇;SPIO纳米分子探针则因其结合MRI在细 的标记效率需要较高的氧化铁浓度。由于高浓度的 胞成像方面的优点而成为当前研究的热点。 铁无疑增加了潜在的细胞毒性,已逐渐被其他方法 1 SPIo的理化特性及表面修饰 取代。文献报道的直接胞吞法几乎全是对SPIO的 SPIO颗粒多由葡聚糖等包裹氧化铁构成.直径 毒理学研究。 作者单位:300052,天津医科大学总医院神经外科 3.2受体介导的胞吞作用 由于转铁蛋白受体在 通讯作者:杨学军.Email:ydenny@yahoo.COITI 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30571904,30772228) 多种细胞的胞膜均有表达.所以目前以转铁蛋白受 DOhlO.3784/j.issn.1674-1897.2008.06.151 体介导的SPIO细胞摄取应用较为广泛。先使SPIO 473 国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2008 Nov;3 1(6) 与转铁蛋白共价结合,后将其复合物与细胞共同培 和未添加因子的氧化铁标记细胞分别进行培养,结 果显示,加入相应分化因子的标记和未标记MSC分 养,复合物与细胞膜上的转铁蛋白受体结合,胞膜 内陷将SPIO吞入细胞内。但也有研究认为这种依 赖于转铁蛋白的细胞摄取大多仅仅是将SPIO贴附 于细胞膜表面而不是有效的将其吞入细胞内[3]。 别向脂肪、软骨和骨细胞分化,相应的免疫组化特 点是各自出现了脂质空泡、蛋白聚糖和矿基质;未 加入分化因子的MSC则未出现分化现象,证明氧化 铁标记不会对被标记细胞产生毒性,细胞仍具有正 3-3转染试剂介导的胞吞作用①阳离子聚合物 法:最常用的有多聚左旋赖氨酸、硫酸精蛋白等。 ②脂质体法:带正电荷的脂质体将带负电荷的SPIO 常的分化能力。Kostura等 的研究结果则与之不 同.认为SPIO标记后MSC的脂肪和骨形成能力不 包裹后由细胞吞入。Park等 使用两种不同大小的 氧化铁颗粒标记胚胎干细胞。在同样浓度时不使用 转染试剂的标记率均明显低于使用转染试剂组。经 过转染试剂转染后细胞标记率明显提高,即使较低 浓度的SPIO亦可以达到良好的标记效果,消除了 高浓度铁对细胞的潜在毒性,是目前较常用的方法。 4 SPIO标记非吞噬细胞可行性和细胞示踪成像 效果 随着以干、祖细胞等为基础的治疗和体内细胞 示踪技术的成功。更加迫切需要以无创的检测方法 了解这些非吞噬细胞的转归和分化情况。在临床研 究中,传统的组织病理检查必须从体内取得组织以 进行细胞探测,这显然不适合大多数的病例。MRI 以其无创、分辨力高、可重复性强等优点成为了磁 性标记细胞探测的理想选择 20世纪90年代初期即有研究者使用SPIO标 记植入鼠脑内的神经前体细胞[ 。近来Neri 使 用顺磁性氧化铁颗粒标记神经前体细胞,证实了 MRI无创检测脑组织内磁性标记移植细胞的可行 性和可靠性。研究显示,细胞对磁性氧化铁颗粒的 摄取依赖于剂量和时间,对啮齿动物的嗅鞘细胞、 雪旺细胞、少突胶质细胞和造血干细胞的标记证实 了此观点。实际上对吞噬细胞的研究也得到相同的 结论。Chang等_6_将SPIO标记的神经干细胞移植人 右侧纹状体出血的大鼠的左侧纹状体内.随后几周 内MRI检查显示胼胝体呈低信号改变,证实细胞经 胼胝体向脑出血病灶迁移。 间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)作 为一种具有强大分化潜能的干细胞常用于损伤组 织的移植修复。大量研究均使用SPIO标记移植的 MSC,并观察它们的迁移、分化等行为。Hauger等[ ] 将SPIO标记的MCS静脉输人肾小球损伤的动物 体内,取损伤肾组织进行检测,结果普鲁士兰染色、 免疫荧光和MRI检查都提示阳性。在针对MSC分 化能力的研究中,Farrell等[8]将添加分化诱导因子 474 受影响,但软骨形成能力受到抑制。Lee等_l0]对人脐 带血MSC的研究也表明,当采用较高浓度的SPIO 标记时,细胞的软骨形成能力和神经形成能力更易 受到抑制。Jing等[“]将SPIO标记的MSC注射到软 骨损伤的动物膝关节囊内,MRI成功地显示出细胞 迁移到髌上囊关节液、胭窝软组织和股骨软骨下骨 等处。但未发现MSC迁移到受损的关节软骨内,再 次证明了SPIO对MSC软骨形成能力的影响。 此项技术的发展使几乎所有的非吞噬细胞都 可以用SPIO标记并成像和示踪。Tallheden等m]研 究表明,MRI在体和离体均检测到了SPIO标记的 人胚胎干细胞,并证实经标记的胚胎干细胞仍保持 良好的增殖能力和分化潜能。Rice ”]利用氧化铁 标记的脂肪衍生干细胞移植治疗因大脑中动脉闭 塞引起脑损伤的大鼠.MRI检测标记细胞可见损伤 脑组织内呈低信号的区域与免疫组化脂肪衍生细 胞特异性标记阳性区域一致。在内皮祖细胞磁f生标 记研究中也得到类似的研究结果。Arbab等[14]使用 MRI示踪的氧化铁标记内皮祖细胞。使其向肿瘤迁 移和参与其新生血管形成,可见肿瘤周围低信号区 域与免疫组化CD133标记阳性区域一致。 为使术前MRI与术中光学成像相关联,以更好 地指导肿瘤切除,Kirsher等 ]将SPIO与荧光基团 偶联形成的一种光学和MRI双功能探针,用于胶质 瘤成像及指导手术切除。然而该探针特异性并不 高,在标记胶质瘤细胞的同时,反应性星形细胞及 巨噬细胞也着色,使得该探针描绘的肿瘤范围大于 实际的肿瘤范围O Meng等[16]对该方法进行了改良。 既往研究发现,基质金属蛋白酶一2(matrix metallo— proteinase'2。MMP一2)在胶质瘤和其他神经上皮来 源的肿瘤中呈特异性高表达,而在非神经上皮来源 的肿瘤和正常脑组织中不表达,氯毒素(Chlorotox— in,Cltx)恰恰能与MMP一2受体特异性结合。使用 Chx修饰SPIO合成特异性、高效l生的胶质瘤靶向探 针.以此探针标记胶质瘤细胞,从而真正实现了在 国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2008 Nov;3 1(6) 细胞水平特异性标记胶质瘤,为手术精确切除胶质 瘤提供了参考。 5 SPIO对标记细胞的影响和安全性检测 SPIO的毒性来自于铁。铁是细胞正常代谢的必 参考文献: [1]Stark DD,Weissleder R,Elizondo G,et a1.Superparamagnetic iron oxide:clinical application as a contrast agent f0r MR imaging of the liver[J1.Radiology,1988,168(2):297-301. 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[4]Park BH,Jung JC,Lee GH,et 1a.Comparison of labeling efficiency of different magnetic nanopartieles into stem cell[J].Colloids Surf 测得的细胞成活力和增殖能力无明显受损。但这不 足以证实氧化铁不会对细胞自我更新和分化能力 产生潜在影响,因为这两点是干、祖细胞最基本且 非常重要的特征性表现。研究表明.即使给予不同 的促分裂因子.细胞仍具有向成熟神经细胞方向发 展的能力,且形成的初级细胞克隆可以稳定地传 代。更重要的是。标记细胞还具有干细胞特有的自 我更新功能。将细胞置于更高浓度的氧化铁中而使 细胞铁超载时,细胞的增殖和分化能力受损,甚至 导致细胞死亡,显示出过高浓度铁的延迟毒性。关 于SPIO对MSC的软骨形成能力的影响.尚存在争 议,有待于进一步研究。 随着SPIO颗粒结构的不断完善和转染试剂的 使用,细胞标记效率显著增加,在铁浓度很低时亦 能达到理想的标记效果,因此该项技术的安全性大 大提高,开辟了良好的临床应用前景。 6 SP10的局限性 细胞分裂使胞质内的氧化铁稀释,导致标记移 植细胞中的氧化铁逐渐减少.使MRI信号减弱而影 响对干、祖等前体细胞迁移、分化和转归等的长期 观察研究。另外,SPIO产生MRI的负性增强效果, 不易与伪信号区分。有待于新的脉冲序列和新的计 算机图像重建技术的出现。 7发展及展望 SPIO在非吞噬细胞成像中的应用大大推动了 以细胞为基础的治疗手段和活体内细胞示踪技术 的发展。结合MRI和其他可以评价功能、代谢参数 的影像学检查技术(如PET),进一步开发相关的硬 件和软件,并结合体内高分辨力的影像检测手段和 体外的组织病理和免疫组化技术.可以更进一步提 高其在临床和科研中应用的可行性及效率。随着对 SPIO特性研究的深入和SPIO的商品化,其在非吞 噬细胞成像技术领域中的应用势必会有更广阔的 前景 A Physicochem Eng Asp,2008,313—314;145—149. 『5]N M,Maderna C,Cavazzin C,et a1.Efifcient jn vitro labeling of human neural preeursor cells with superparamagnetic iron oxide particles:relevance for in vivo cell tracking[J].Stem Cells,2008, 26(2):505-516. 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