曹丰：心脏干细胞的分子影像
2015-06-16 14:47
曹丰简介：现任中国人民解放军总医院心血管内科副主任、主任医师，教授，博士研究生导师，国家杰出青年科学基金获得者，解放军总后勤部“科技新星”。中华医学会心血管分会学组委员，中国分子影像学会常委，全军心血管青年委员会副主任委员，亚太心脏介入峰会(TCT-AP)、中国心脏介入大会(CIT) 等主席团成员。长期从事缺血性心脏病心肌损伤修复及再生的基础探索及临床转化研究。承担国家及省部级以上课题7 项，共发表SCI收录论文75篇，获得“Circulation Best Paper Award”、AHA “Best Poster Award”等11 项专业学术奖励，并受邀为Eur Heart J 等22 家SCI 杂志专业审稿人，国家自然科学基金委评审专家。
心血管疾病是一个严重的全球性公众健康和临床问题．有着很高的发病率和病死率。全球每年有1700万人死于心血管疾病，其中一半以上死于心肌梗死。目前常用的药物治疗及血管再通术，虽然从一定程度上缓解患者的症状，但都无法从根本上挽救坏死的心肌。 心肌细胞死亡后纤维组织形成、心室重构，最终发生心力衰竭。2001年orlic教授在nature上提出通过补充外源性干细胞促进心肌再生，为心肌梗死的治疗带来了希望，然而在过去十余年来干细胞研究经历着大起大落的曲折，使人们意识到在临床合理应用之前必须对细胞在体内的存活和功能进行深入研究。 于是， Tim strolar 教授在2008年nature上指出采用影像学推动干细胞在体研究对细胞治疗的临床转化至关重要。
干细胞治疗缺血性心脏病已展示出其广阔的应用前景，可应用于心脏修复的各阶段。尽管干细胞移植治疗缺血性心脏病等临床疾病有着良好的临床应用前景，其局限性仍然是缺少评价干细胞在心肌中归巢及其存活、最佳干细胞类型、移植数量、移植方式以及时间点的选择等的有效方法。分子影像学的兴起，被美国医学会评为未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一。她的最大优势在于能够在活体水平呈现对细胞分子的病理生理过程生过程，逐渐成为干细胞研究的重要手段 ，能无创、实时、长期地对干细胞移植、增殖和存活进行直接示踪和持续监测。能够极大地促进干细胞在缺血性心脏病等临床疾病的应用和发展。
传统的干细胞生物学的研究多采用离体的组织学方法，观察细胞及分子的孤立作用，难以反映复杂交错的体内病理过程。传统的心脏干细胞临床疗效研究中，对心肌灌注、存活力和灌注改变的评价是用超声心动图、核医学SPECT和PET成像、MR成像。这些参数可以用来检测疗效，但不能检测移植干细胞存在与否。.
已经有分子影像学研究用不同的方法开始对这个问题进行了探索，主要分为直接标记技术包括（放射性核素标记、铁磁性标记、微泡标记）和报告基因标记技术。报告基因成像是将报告基因整合到细胞核内染色体上， 产生报告蛋白后再与探针结合产生稳定的细胞信号， 其核心目标是准确反映干细胞的存活和功能。因此，能够在全身系统、对机体没有影响的状况下研究干细胞，而不是采用间接的(临床试验)或有创性的(动物研究)方法，将可以更好地了解干细胞基本的生物学和生理学特征。通过慢病毒载体的构建和反复的流式细胞筛选，我们在国际上首先建立了稳定表达三重融合报告基因(荧光/生物发光/PET)的人和小鼠胚胎干细胞系，兼具生物发光成像的高灵敏性和PET成像的高空间分辨率 ，发现不同分化状态的干细胞在体内存活增殖状态不同， 未分化细胞存在无序快速增殖， 而分化细胞在缺血心肌内移植后仅部分长期存活，并具有对缺血心脏的早期修复功能。
直接标记法是将放射性核素或某种标记物直接标记干细胞进行示踪的方法，如将放射性示踪剂直接标记干细胞进行的放射性核素显像及铁粒子直接标记干细胞进行的磁共振成像(MRI)。其优点是技术简单，操作方便，缺点是由于标记物的脱失和再分布，不能有效地监测活性细胞。如铁粒子标记干细胞进行的MRI或由于放射性核素半衰期短，不能有效监测干细胞的分化及功能。目前已进行的应用分子影像学技术进行的干细胞临床试验中主要应用核素如18 F-FDG、99 m Tc Tc 的标记以及铁粒子直接标记干细胞进行的磁共振成像(MRI)等。
分子影像学技术对于心脏干细胞临床应用研究的重要意义在于分子影像技术能够帮助人们更好地认识和解决心脏干细胞治疗在临床应用中遇到的困难。这些困难主要包括：（1）待修复心肌组织中有限的干细胞定植、存活及增殖。干细胞分子影像学技术可以实时无创动态地在体检测干细胞的生物分布、定植、存活及增殖等，利用该技术筛选最佳的细胞类型、移植时机等，不断优化干细胞治疗方案。（2）干细胞在待修复心肌组织中较差的分化、成熟及整合能力。由于心脏在整体上是一个有机的功能合胞体，再生的心肌细胞只有与心脏原有肌肉之间x形成耦合性与发射的同步性才能发挥正常心肌的功能。通过构建含心肌分化特异性基因α-MHC启动子的报告基因载体，研究者有望在体检测并通过干预提高移植干细胞向心肌组织的分化效率及整合问题。(3)异体干细胞移植中面临的免疫原性问题。由于临床缺血性心脏病患者多为老龄患者，且多罹患糖尿病等疾病，其干细胞活性及修复能力都较差，异体干细胞移植有望去解决这个问题，却仍然要面对异体免疫原性问题。通过分子影像学技术在体检测干细胞移植后的机体免疫应答反应，可以发现能有效适用于异体干细胞移植的免疫耐受诱导药物。(4)多能干细胞移植中可能存在的致瘤性等安全性问题。分子影像学技术可以实时在体检测多能干细胞移植后的成瘤问题，并有研究发现某些报告基因技术可以抑制多能干细胞移植后的成瘤能力。
尽管目前显像工具已阐明体内干细胞生物学的不同方面，但仍有许多问题有待分子影像学进一步研究和验证。同时，干细胞示踪需要高灵敏度和高分辨率的设备，但目前尚没有哪一种显像方法能涵盖所有方面，仍需进行多模态显像方法的研究和开发，以进一步解决干细胞生物学及临床转化的相关问题，促进分子影像学的发展。今后研究的重点是用分子影像像无创性地评价最佳的细胞类型、细胞剂量和传递途径等指标，加速心脏干细胞研究的临床应用发展。最终目标是将来统一形成安全、可定量和可重复的干细胞移植方案，从而解决心脏干细胞治疗有效性的困扰。
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心血管疾病是一个严重的全球性公众健康和临床问题．有着很高的发病率和病死率。全球每年有1700万人死于心血管疾病，其中一半以上死于心肌梗死。目前常用的药物治疗及血管再通术，虽然从一定程度上缓解患者的症状，但都无法从根本上挽救坏死的心肌。 心肌细胞死亡后纤维组织形成、心室重构，最终发生心力衰竭。2001年orlic教授在nature上提出通过补充外源性干细胞促进心肌再生，为心肌梗死的治疗带来了希望，然而在过去十余年来干细胞研究经历着大起大落的曲折，使人们意识到在临床合理应用之前必须对细胞在体内的存活和功能进行深入研究。 于是， Tim strolar 教授在2008年nature上指出采用影像学推动干细胞在体研究对细胞治疗的临床转化至关重要。
干细胞治疗缺血性心脏病已展示出其广阔的应用前景，可应用于心脏修复的各阶段。尽管干细胞移植治疗缺血性心脏病等临床疾病有着良好的临床应用前景，其局限性仍然是缺少评价干细胞在心肌中归巢及其存活、最佳干细胞类型、移植数量、移植方式以及时间点的选择等的有效方法。分子影像学的兴起，被美国医学会评为未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一。她的最大优势在于能够在活体水平呈现对细胞分子的病理生理过程生过程，逐渐成为干细胞研究的重要手段 ，能无创、实时、长期地对干细胞移植、增殖和存活进行直接示踪和持续监测。能够极大地促进干细胞在缺血性心脏病等临床疾病的应用和发展。
传统的干细胞生物学的研究多采用离体的组织学方法，观察细胞及分子的孤立作用，难以反映复杂交错的体内病理过程。传统的心脏干细胞临床疗效研究中，对心肌灌注、存活力和灌注改变的评价是用超声心动图、核医学SPECT和PET成像、MR成像。这些参数可以用来检测疗效，但不能检测移植干细胞存在与否。.
已经有分子影像学研究用不同的方法开始对这个问题进行了探索，主要分为直接标记技术包括（放射性核素标记、铁磁性标记、微泡标记）和报告基因标记技术。报告基因成像是将报告基因整合到细胞核内染色体上， 产生报告蛋白后再与探针结合产生稳定的细胞信号， 其核心目标是准确反映干细胞的存活和功能。因此，能够在全身系统、对机体没有影响的状况下研究干细胞，而不是采用间接的(临床试验)或有创性的(动物研究)方法，将可以更好地了解干细胞基本的生物学和生理学特征。通过慢病毒载体的构建和反复的流式细胞筛选，我们在国际上首先建立了稳定表达三重融合报告基因(荧光/生物发光/PET)的人和小鼠胚胎干细胞系，兼具生物发光成像的高灵敏性和PET成像的高空间分辨率 ，发现不同分化状态的干细胞在体内存活增殖状态不同， 未分化细胞存在无序快速增殖， 而分化细胞在缺血心肌内移植后仅部分长期存活，并具有对缺血心脏的早期修复功能。
直接标记法是将放射性核素或某种标记物直接标记干细胞进行示踪的方法，如将放射性示踪剂直接标记干细胞进行的放射性核素显像及铁粒子直接标记干细胞进行的磁共振成像(MRI)。其优点是技术简单，操作方便，缺点是由于标记物的脱失和再分布，不能有效地监测活性细胞。如铁粒子标记干细胞进行的MRI或由于放射性核素半衰期短，不能有效监测干细胞的分化及功能。目前已进行的应用分子影像学技术进行的干细胞临床试验中主要应用核素如18 F-FDG、99 m Tc Tc 的标记以及铁粒子直接标记干细胞进行的磁共振成像(MRI)等。
分子影像学技术对于心脏干细胞临床应用研究的重要意义在于分子影像技术能够帮助人们更好地认识和解决心脏干细胞治疗在临床应用中遇到的困难。这些困难主要包括：（1）待修复心肌组织中有限的干细胞定植、存活及增殖。干细胞分子影像学技术可以实时无创动态地在体检测干细胞的生物分布、定植、存活及增殖等，利用该技术筛选最佳的细胞类型、移植时机等，不断优化干细胞治疗方案。（2）干细胞在待修复心肌组织中较差的分化、成熟及整合能力。由于心脏在整体上是一个有机的功能合胞体，再生的心肌细胞只有与心脏原有肌肉之间x形成耦合性与发射的同步性才能发挥正常心肌的功能。通过构建含心肌分化特异性基因α-MHC启动子的报告基因载体，研究者有望在体检测并通过干预提高移植干细胞向心肌组织的分化效率及整合问题。(3)异体干细胞移植中面临的免疫原性问题。由于临床缺血性心脏病患者多为老龄患者，且多罹患糖尿病等疾病，其干细胞活性及修复能力都较差，异体干细胞移植有望去解决这个问题，却仍然要面对异体免疫原性问题。通过分子影像学技术在体检测干细胞移植后的机体免疫应答反应，可以发现能有效适用于异体干细胞移植的免疫耐受诱导药物。(4)多能干细胞移植中可能存在的致瘤性等安全性问题。分子影像学技术可以实时在体检测多能干细胞移植后的成瘤问题，并有研究发现某些报告基因技术可以抑制多能干细胞移植后的成瘤能力。
尽管目前显像工具已阐明体内干细胞生物学的不同方面，但仍有许多问题有待分子影像学进一步研究和验证。同时，干细胞示踪需要高灵敏度和高分辨率的设备，但目前尚没有哪一种显像方法能涵盖所有方面，仍需进行多模态显像方法的研究和开发，以进一步解决干细胞生物学及临床转化的相关问题，促进分子影像学的发展。今后研究的重点是用分子影像像无创性地评价最佳的细胞类型、细胞剂量和传递途径等指标，加速心脏干细胞研究的临床应用发展。最终目标是将来统一形成安全、可定量和可重复的干细胞移植方案，从而解决心脏干细胞治疗有效性的困扰。