干細(xì)胞療法對心肌梗死和心力衰竭等心臟疾病表現(xiàn)出良好的治療效果，近年來得到廣泛的研究。對心臟移植干細(xì)胞的細(xì)胞行為進行高穿透性和高精準(zhǔn)度的影像示蹤是心臟干細(xì)胞療法臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在。目前，電子計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等技術(shù)常被用于活體干細(xì)胞示蹤。然而，這些技術(shù)難以實現(xiàn)實時的觀察定位，在心臟的持續(xù)運動下成像的分辨率和準(zhǔn)確性受到了較大的限制。因此，在干細(xì)胞的心臟再生應(yīng)用中，迫切需要一種具有足夠組織穿透能力和高分辨率的多模態(tài)、正對比成像探針，以實現(xiàn)對心臟移植干細(xì)胞的有效示蹤。
表面增強拉曼光譜（SERS）技術(shù)具有高特異性、高分辨率、高穩(wěn)定性、高信噪比，以及操作簡便等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。浙江大學(xué)周民研究員團隊近年來在拉曼影像生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)開展工作，發(fā)表了一系列相關(guān)研究論文（Advanced Sciences 2021；Biomaterials 2021; Biomaterials 2020; WIREs Nanomedicine & Nanobiotechnology 2021; Acta Pharmaceutica Sinica B 2018）。通過基于納米拉曼探針的SERS技術(shù)，實現(xiàn)了對腹腔卵巢腫瘤/結(jié)直腸腫瘤的高效識別，實現(xiàn)了腫瘤病灶的精準(zhǔn)切除和術(shù)后清掃。周民團隊前期也開展了基于銀納米材料SERS技術(shù)監(jiān)控下的耐藥菌感染傷口滅菌及促愈合研究。
近日，浙江大學(xué)周民研究員團隊在材料領(lǐng)域期刊《Advanced Functional Materials》在線發(fā)表題為 “Simultaneous Deep Tracking of Stem Cells by Surface Enhanced Raman Imaging Combined with Single-Cell Tracking by NIR-II Imaging in Myocardial Infarction”的研究論文。該工作率先提出了利用拉曼影像技術(shù)用于干細(xì)胞活體示蹤。利用拉曼影像技術(shù)的高靈敏度和高分辨率特征，將其應(yīng)用于干細(xì)胞活體示蹤，實現(xiàn)了干細(xì)胞活體高靈敏度、高分辨率成像。同時結(jié)合二區(qū)成像的高組織穿透率能力，實現(xiàn)了深層組織干細(xì)胞成像。該研究基于金納米星構(gòu)建了具有二區(qū)熒光/表面增強拉曼雙模態(tài)成像功能的新型納米探針 (GDS NPs)。利用此探針實現(xiàn)了心臟注射干細(xì)胞的深度和高分辨率活體示蹤。
圖1. 干細(xì)胞拉曼影像/二區(qū)熒光雙模態(tài)成像示意圖
本研究設(shè)計了一種由金納米星和硫化銀量子點構(gòu)成的新型納米探針，用于心肌梗死治療過程中間充質(zhì)干細(xì)胞的SERS/NIR-II雙模態(tài)活體示蹤。基于拉曼信號分子標(biāo)記的金納米星，可以進行高分辨率拉曼成像，并通過結(jié)合硫化銀量子點，進一步實現(xiàn)具有高組織穿透性的NIR-II熒光成像。經(jīng)過標(biāo)記后，間充質(zhì)干細(xì)胞注射進入心臟梗死區(qū)域，并使用拉曼和熒光成像進行持續(xù)監(jiān)測。NIR-II熒光成像技術(shù)使我們能夠動態(tài)評估標(biāo)記干細(xì)胞在體內(nèi)的分布和代謝情況，而拉曼成像則可以進一步得到標(biāo)記干細(xì)胞在心臟組織中的精確定位，從而揭示干細(xì)胞在心臟部位的分布及遷移模式，并同時劃分出正常組織和注射區(qū)域之間的精確邊界。此外，這種探針具有良好的生物相容性，標(biāo)記后干細(xì)胞的生物功能并未發(fā)生顯著的改變，心超及切片染色等結(jié)果也均表明GDS NPs不會對干細(xì)胞的心梗治療效果產(chǎn)生不利影響。綜上所述，通過SERS/NIR-II雙模態(tài)成像可以實現(xiàn)高穿透性和高分辨率的干細(xì)胞示蹤，并具有良好的生物相容性，在干細(xì)胞示蹤領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖2. 皮下干細(xì)胞拉曼/二區(qū)熒光雙模態(tài)成像
圖3. 干細(xì)胞拉曼影像
浙江大學(xué)碩士生華詩遠(yuǎn)為本文的第一作者，博士生鐘淑涵、何健為本文的共同第一作者，周民研究員和胡新央教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院眼科中心、浙江大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院、浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院心內(nèi)科、浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室等的大力支持。該研究也得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100468
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