心脏干细胞的分子影像研究 曹丰第四军医大学西京医院心内科分子影像中心 Cardiology Xijing Hospital FMMU Fourth Military Medical University
内 容
心血管疾病的流行病调查
冠心病的治疗方法
心肌梗死后心力衰竭
用于心肌再生治疗的干细胞种类 骨髓干细胞 Bone marrow stem cells (BMSC) 内皮祖细胞 Endothelial progenitor cells (EPC) 间充质干细胞 Mesenchymal stem cells (MSC) 骨骼肌成肌细胞 Skeletal myoblasts (SKM) 胚胎干细胞 Embryonic stem cells (ESC) 心脏原位干细胞 Cardiac resident stem cells (CSC) 心脏祖细胞 Cardiac progenitor cells (isl1+) 诱导性祖细胞 Induced progenitor cells (ips)
悬而未决的问题
干细胞治疗的瓶颈
传统的细胞示踪方法 GFP Antibody to GATA-6 Overlay Image Katstura J et al, Circ Res 2005
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活体动物的分子影像成像手段方法
4 个基本条件
分子影像可以帮助我们做什么?
分子影像可以帮助我们做什么? Molecular Cellular Clinical application Small animals
理想的影像技术 1. 良好的生物兼容性, 安全无毒 2. 对干细胞干扰很小 3. 详尽的解剖学定位 4. 细胞存活的量化 5. 不因细胞的增殖而稀释
用于心脏干细胞治疗的 分子影像技术
放射性核素标记 (1) 不同类型干细胞体外培养 ex vivo 与放射性核素共同孵育 (eg, 111 In, 123 I, 99m Tc). 通过开胸心肌内注射或静脉内注射干细胞来研究干细胞的定植 111 In 标记率为 ~90%. 1 小时后标记滞留为 ~ 50%,48 小时为 ~ 25%.
放射性核素标记成像的优点 核素示踪剂为 FDA 批准 临床 SPECT 及 PET 仪器使用方便 核医学专家有多年的成像经验
猪心肌 SPECT 成像 右侧前侧右后侧 Chin BB, et al. 111 In oxine labelled mesenchymal stem cell SPECT after intravenous administration in myocardial infarction. Nuclear Medicine Comm 2003
核素针孔成像 Human endothelial progenitor cells in rat MI model 信号衰减的潜在问题 : 1) [ 111 In]-indium oxine 的半衰期是 2.8 天 ; 所以只能追踪细胞 5-7 天. 2) 111 In 从标记的细胞中泄露出来也可产生信号, 尤其是在肝和肾中. Aicher A et al, Circulation 2003
常用示踪剂 Tracers Imaging Half-life [ 18 F]-FDG PET 2 hours [ 64 Cu]-PTSM PET 13 hours [ 99m Tc]-sestamibi SPECT 6 hours [ 111 In]-indium SPECT 67 hours [ 201 Tl]-thallium SPECT 74 hours [ 124 I]-iodine PET 96 hours
磁性氧化亚铁标记技术 (2) 不同类型干细胞体外培养 ex vivo 与 Feridex(SPIO 与转染试剂的混合 ) 共同孵育 通过开胸心肌内注射或静脉内注射干细胞来研究干细胞的定植 单细胞对铁的吸收量为 ~15 pg. 细胞标记后的活力为 ~95%
MRI 的优势 许多超顺磁性化合物具有生物相容性, 安全, 无毒, 而且被 FDA 批准用于干细胞的应用 临床 MR 仪器可行 放射科医生经验丰富
猪心肌 MRI 成像 Kraitchman DL, et al. In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction. Circulation 2003
潜在问题 标记后, 即使细胞死亡后氧化亚铁颗粒仍然存在 由于未掺入核内因此一旦细胞分裂, 信号将分散到子细胞中而逐渐减弱. 由于巨噬细胞可吞噬颗粒, 细胞信号常于 1-2 周消失 由于伪影干扰, 信号难以定量 起搏器以及支架植入者不能进行 MR 扫描
Lin S, Xie X, Cao F, et al. BMC Biotechnology 2007
信号 探针 检测仪器 心脏干细胞 报告蛋白 mrna 报告基因的 DNA 载体构建 细胞核 启动子 报告基因 载体 (Delivery Vehicle)
高通量多模态系统 MicroPET Imaging Vector Cardiomyocyte 载体 : 慢病毒, 腺相关病毒无胆病毒, 质粒 启动子 : 组成型 (CMV), 组织特异性启动子 (MLC 2v ), 诱导型 (Tet-on) 报告基因 : HSV1-sr39tk, 钠 / 碘同向转运体, 转铁蛋白, 萤火虫荧光素酶 报告探针 : [ 18 F]-FHBG, [ 99m Tc]- 过锝酸盐, 氧化铁, D-l 荧光素 多模态成像 : PET, SPECT, MRI, optical Wu J et al, J Nuclear Cardiology 2004.
报告基因的标记 Optical Imaging 大鼠模型中胚胎源 H9c2 心肌成纤维细胞 MicroPET Imaging Wu JC et al, Circulation 2003
优势 & 不足 报告基因整合入 DNA 并稳定表达 能够对细胞信号的强弱进行定量 检测的高敏感型 主要缺点是需要进行体外细胞水平的基因修饰
MRI 标记与报告基因成像的比较
常用的报告基因种类 荧光 : GFP( 绿色荧光蛋白 ), RFP ( 红色荧光蛋白 ) 生物自发光 : 萤火虫荧光素酶, 花虫荧光素酶, 甲虫荧光素酶 核素 PET 或 SPECT: HSV1-tk( 单纯疱疹病毒 1- 胸苷激酶 ), HSV1-sr39tk( 突变型单纯疱疹病毒胸苷激酶 ), D2R( 多巴胺受体 2), D2R80a ( 突变型多巴胺受体 2), hnis( 人钠 / 碘同向转运体 ) MR: 转铁蛋白受体 酶 : B- 半乳糖苷酶
分子生物学研究手段 报告基因可以商品化购买 (eg, Fluc, Renilla, GFP, RFP) 采用分子克隆技术可以连接特异启动子和报告基因 采用 RT-PCR 证实报告基因 mrna 的存在 采用 Western blot 证实报考蛋白的表达 采用酶学分析测定蛋白活性
萤火虫荧光素酶 ( 生物发光受体基因 ) ATGGAAGACG CCAAAAACAT AAAGAAAGGC CCGGCGCCAT TCTATCCGCT GGAAGATGGAA CCGCTGGAGA GCAACTGCAT AAGGCTATGA AGAGATACGC CCTGGTTCCT GGAACAATTG CTTTTACAGA TGCACATATC GAGGTGGACA TCACTTACGC TGAGTACTTC GAAATGTCCG TTCGGTTGGC AGAAGCTATG AAACGATATG GGCTGAATAC AAATCACAGA ATCGTCGTAT GCAGTGAAAA CTCTCTTCAA TTCTTTATGC CGGTGTTGGG CGCGTTATTT ATCGGAGTTG CAGTTGCGCC CGCGAACGAC ATTTATAATG AACGTGAATT GCTCAACAGT ATGGGCATTT CGCAGCCTAC CGTGGTGTTC GTTTCCAAAA AGGGGTTGCA AAAAATTTTG AACGTGCAAA AAAAGCTCCC AATCATCCAA AAAATTATTA TCATGGATTC TAAAACGGAT TACCAGGGAT TTCAGTCGAT GTACACGTTC GTCACATCTC ATCTACCTCC CGGTTTTAAT GAATACGATT TTGTGCCAGA GTCCTTCGAT AGGGACAAGA CAATTGCACT GATCATGAAC TCCTCTGGAT CTACTGGTCT GCCTAAAGGT GTCGCTCTGC CTCATAGAAC TGCCTGCGTG AGATTCTCGC ATGCCAGAGA TCCTATTTTT GGCAATCAAA TCATTCCGGA TACTGCGATT TTAAGTGTTG TTCCATTCCA TCACGGTTTT GGAATGTTTA CTACACTCGG ATATTTGATA TGTGGATTTC GAGTCGTCTT AATGTATAGA TTTGAAGAAG AGCTGTTTCT GAGGAGCCTT CAGGATTACA AGATTCAAAG TGCGCTGCTG GTGCCAACCC TATTCTCCTT CTTCGCCAAA AGCACTCTGA TTGACAAATA CGATTTATCT AATTTACACG AAATTGCTTC TGGTGGCGCT CCCCTCTCTA AGGAAGTCGG GGAAGCGGTT GCCAAGAGGT TCCATCTGCC AGGTATCAGG CAAGGATATG GGCTCACTGA GACTACATCA GCTATTCTGA TTACACCCGA GGGGGATGAT AAACCGGGCG CGGTCGGTAA AGTTGTTCCA TTTTTTGAAG CGAAGGTTGT GGATCTGGAT ACCGGGAAAA CGCTGGGCGT TAATCAAAGA GGCGAACTGT GTGTGAGAGG TCCTATGATT ATGTCCGGTT ATGTAAACAA TCCGGAAGCG ACCAACGCCT TGATTGACAA GGATGGATGG CTACATTCTG GAGACATAGC TTACTGGGAC GAAGACGAAC ACTTCTTCAT CGTTGACCGC CTGAAGTCTC TGATTAAGTA CAAAGGCTAT CAGGTGGCTC CCGCTGAATT GGAATCCATC TTGCTCCAAC ACCCCAACAT CTTCGACGCA GGTGTCGCAG GTCTTCCCGA CGATGACGCC GGTGAACTTC CCGCCGCCGT TGTTGTTTTG GAGCACGGAA AGACGATGAC GGAAAAAGAG ATCGTGGATT ACGTCGCCAG TCAAGTAACA ACCGCGAAAA AGTTGCGCGG AGGAGTTGTG TTTGTGGACG AAGTACCGAA AGGTCTTACC GGAAAACTCG ACGCAAGAAA AATCAGAGAG ATCCTCATAA AGGCCAAGAA GGGCGGAAAG ATCGCCGTG 萤火虫荧光素酶 : 1.65 kb, 在 NheI 和 XhoI 限制性位点克隆
改良单纯疱疹病毒胸苷激酶 (PET 报告基因 ) ATG CCC ACG CTA CTG CGG GTT TAT ATA GAC GGT CCC CAC GGG ATG GGG AAA ACC ACC ACC ACC ACG CAA CTG CTG GTG GCC CTG GGT TCG CGC GAC GAT ATC GTC TAC GTA CCC GAG CCG ATG ACT TAC TGG CGG GTG CTG GGG GCT TCC GAG ACA ATC GCG AAC ATC TAC ACC ACA CAA CAC CGC CTC GAC CAG GGT GAG ATA TCG GCC GGG GAC GCG GCG GTG GTA ATG ACA AGC GCC CAG ATA ACA ATG CCT TAT GCC GTG ACC GAC GCC GTT CTG GCT CCT CAT ATC GGG GGG GAG GCT GGG AGC TCA CAT GCC CCG CCC CCG GCC CTC ACC ATC TTC CTC GAC CGC CAT CCC ATC GCC TTC ATG CTG TGC TAC CCG GCC GCG CGG TAC CTT ATG GGC AGC ATG ACC CCC CAG GCC GTG CTG GCG TTC GTG GCC CTC ATC CCG CCG ACC TTG CCC GGC ACC AAC ATC GTG CTT GGG GCC CTT CCG GAG GAC AGA CAC ATC GAC CGC CTG GCC AAA CGC CAG CGC CCC GGC GAG CGG CTG GAC CTG GCT ATG CTG GCT GCG ATT CGC CGC GTT TAC GGG CTA CTT GCC AAT ACG GTG CGG TAT CTG CAG TGC GGC GGG TCG TGG CGG GAG GAC TGG GGA CAG CTT TCG GGG ACG GCC GTG CCG CCC CAG GGT GCC GAG CCC CAG AGC AAC GCG GGC CCA CGA CCC CAT ATC GGG GAC ACG TTA TTT ACC CTG TTT CGG GCC CCC GAG TTG ATG GCC CCC AAC GGC GAC CTG TAT AAC GTG TTT GCC TGG GCC TTG GAC GTC TTG GCC AAA CGC CTC CGT TCC ATG CAC GTC TTT ATC CTG GAT TAC GAC CAA TCG CCC GCC GGC TGC CGG GAC GCC CTG CTG CAA CTT ACC TCC GGG ATG GTC CAG ACC CAC GTC ACC ACC CCC GGC TCC ATA CCG ACG ATA TGC GAC CTG GCG CGC ACG TTT GCC CGG GAG ATG GGG GAG GCT AAC TGA 胸苷激酶片段 : 1 kb, 在 BamHI 和 EcoRI 限制性位点克隆
单体红色荧光蛋白 (FACS) ATG CCC ACG CTA CTG CGG GTT TAT ATA GAC GGT CCC CAC GGG ATG GGG AAA ACC ACC ACC ACC ACG CAA CTG CTG GTG GCC CTG GGT TCG CGC GAC GAT ATC GTC TAC GTA CCC GAG CCG ATG ACT TAC TGG CGG GTG CTG GGG GCT TCC GAG ACA ATC GCG AAC ATC TAC ACC ACA CAA CAC CGC CTC GAC CAG GGT GAG ATA TCG GCC GGG GAC GCG GCG GTG GTA ATG ACA AGC GCC CAG ATA ACA ATG CCT TAT GCC GTG ACC GAC GCC GTT CTG GCT CCT CAT ATC GGG GGG GAG GCT GGG AGC TCA CAT GCC CCG CCC CCG GCC CTC ACC ATC TTC CTC GAC CGC CAT CCC ATC GCC TTC ATG CTG TGC TAC CCG GCC GCG CGG TAC CTT ATG GGC AGC ATG ACC CCC CAG GCC GTG CTG GCG TTC GTG GCC CTC ATC CCG CCG ACC TTG CCC GGC ACC AAC ATC GTG CTT GGG GCC CTT CCG GAG GAC AGA CAC ATC GAC CGC CTG GCC AAA CGC CAG CGC CCC GGC GAG CGG CTG GAC CTG GCT ATG CTG GCT GCG ATT CGC CGC GTT TAC GGG CTA CTT GCC AAT ACG GTG CGG TAT CTG CAG TGC GGC GGG TCG TGG CGG GAG GAC TGG GGA CAG CTT TCG GGG ACG GCC GTG CCG CCC CAG GGT GCC GAG CCC CAG AGC AAC GCG GGC CCA CGA CCC CAT ATC GGG GAC ACG TTA TTT ACC CTG TTT CGG GCC CCC GAG TTG ATG GCC CCC AAC GGC GAC CTG TAT AAC GTG TTT GCC TGG GCC TTG GAC GTC TTG GCC AAA CGC CTC CGT TCC ATG CAC GTC TTT ATC CTG GAT TAC GAC CAA TCG CCC GCC GGC TGC CGG GAC GCC CTG CTG CAA CTT ACC TCC GGG ATG GTC CAG ACC CAC GTC ACC ACC CCC GGC TCC ATA CCG ACG ATA TGC GAC CTG GCG CGC ACG TTT GCC CGG GAG ATG GGG GAG GCT AAC TGA 单体红色荧光素酶 : 0.7 kb, 在 HindIII 和 SacII 限制性位点克隆
多模态成像的优势 萤火虫荧光素酶 : 小动物光学成像. 红色荧光蛋白 : FACS 分析和荧光显微镜检查. HSV1-sr39tk: micropet 小动物实验, 临床 PET 人体实验 Ray P et al, Cancer Research 2004
三重报告基因的载体构建 LVLTR pubiquitin GFP Fluc HSVtk 3 SIN LTR : ESC : 用于流式细胞分选出稳定表达细胞系. : 活体的生物发光成像, 报告探针采用 HSVtk( 单纯疱疹病毒 - 胸苷激酶 ): 针为 [18F]-FHBG. 作为 PET 的报告基因. 探 Cao F et al, Circulation 2006;113:1005-1014 (Best Basic Science Paper Award in Circulation 2006)
流式细胞分选 DAPI Fluorescence Overlay
生物发光 (BLI) Xenogen IVIS System
Fluc Radiance ( p/s/cm2/sr )X10 4 Fluc Radiane / Control ( fold) 生物发光成像技术比较不同基因转染 方法的效率 H9 H1 Control Plasmid Lipo+P Electro+P Nucleo+P LentiV 200 150 100 50 0 Control Plasmid Lipo+P Electro+P Nucleo+P LentiV H1 H9 200 150 100 50 0 Control Plasmid Lipo+P Electro+P Nucleo+P LentiV Cao F et al, Molecular Imaging and Biology 2010 H1 H9
SSEA-4 SSEA-1 egfp LVLTR pubiquitin Fluc egfp 3 SIN LTR AKP Oct-4 egfp Cell Number Cao F, et al. Plos One, 2008
PET 成像 Molecular Basis Concorde MicroPET P4 Switch UB-eGFP-Fluc to UB-eGFP-HSV1tk or UB-eGFP-Fluc-HSV1tk for PET imaging
报告基因修饰对干细胞基因表达谱 & 蛋白表达谱的影响 Wu JC, Cao F, et al. Physiol Genomics 2006;25:29-38 Wu JC,Cao F, et al, Proteomics 2006;6:6234-49
BMI (photons/sec/cm^2) micropet(%id/g) BMI(phontons/sec/cm^2) ESC 存活增殖的在体多模态分子影像 P/s/cm 2 /s r 10 P/s/cm 2 /s r 10 P/s/cm 2 /s r 10 P/s/cm 2 /s r 10 P/s/cm 2 /s r 10 8 8 8 8 8 6 1 0 3 4 6 1 0 5 4 6 1 0 5 4 6 1 0 6 4 6 1 0 6 4 2 2 2 2 2 Control 0 0.5%ID/ g Day 5 0 Day 10 0 Day 15 0 Day 20 0 1%ID/g 0%ID/g pub-fluc-mrfp-hsvttk 0%ID/g 3.0E+09 2.5E+09 firefly activity TK activity 6 5 3.0E+09 2.5E+09 y = 5E+08x R 2 = 0.924 2.0E+09 4 2.0E+09 1.5E+09 3 1.5E+09 1.0E+09 2 1.0E+09 5.0E+08 1 5.0E+08 1.0E+06 4 7 14 21 0 1.0E+03 0 1 2 3 4 5 days after cell transplantaion micropet(%id/g)
胚胎干细胞的心肌细胞定向分化 ( 胚样 体诱导 ) transduction In vivo ctn-t α-actin Connexin-43 MEF-2c
分化后自发搏动的心肌细胞
冠状动脉前降支结扎的心肌梗死模型 Preoperative I/R Post-operative
Log10 [Fluc Radiance] (photons/s/cm^2/sr) Log 10 [BLI Signal] % Activity (Day 2) 2 7 14 21 28 35 90 120 180 240 300 365 Days post-transplantation 7 6 5 4 0 10 20 50 150 250 350 Days Days Post post-transplantation Transplatation 100 80 60 40 20 0 0 10 20 50 150 250 350 Days post-transplantation ctnt egfp DAPI Cx43 egfp DAPI
LVFS (%) LVESD (cm) LVEDD (cm) 心功能改善的超声评价 * * PBS hesc-cm Weeks post-transplantation PBS hesc-cm PBS hesc-cm week 4 LV LV LV week 8 LV
活体观察 PET 自杀报告基因技术对 胚胎干细胞致瘤性的遏制 Cao F et al, Circulation 2006;113:1005-1014
Log 10 [BLI Signal] 未分化胚胎干细胞的无序生长 以及致瘤性 0 7 14 21 28 Days post-transplantation 11 10 9 8 7 6 5 4 hes cells hesc-cm 2 4 7 10 14 21 28 Days post-transplantation * * * I II III IV egfp ctnt
Cao F et al, Stem Cell & Development 2007
%ID/g 10 20% ID/g 1 P/s (x10 7 ) 64 Cu-labeled DOTA-RGD 18 F-Labeled FLT 18 F-Labeled FDG 40 Control Tumor H9-DF teratoma Integrinβ 3 CD31 Overlay 30 20 * 2008 Control 10 0 * * RGD FLT FDG Control H9-DF Tumor teratoma Control H9-DF Tumor teratoma Control H9-DF Tumor teratoma Teratoma Cao F, et al. Cancer Research 2009
对干细胞治疗的免疫反应的观察 Swijnenburg R, Cao F, etal. PNAS. 2008
CD90 CD44 MSCs CD45 CD31 G FP CD 90 CD 44 CD 11 CD1 06 Passage 1 Passage 3 CD 34 CD 45 CD1 17
2D Bioluminescence imaging and quantification of MSCs Control 1X10 6 2X10 6 4X10 6 6X10 6 8X10 6 10X10 6
FLI Fluorescence imaging and quantification of MSCs Control 1X10 6 2X10 6 4X10 6 6X10 6 8X10 6 10X10 6
骨髓来源的 MSC 在缺血心肌中的趋化定植 Sham I/R Sham I/R Sham I/R Day 1 Day 2 Day 4 Sham I/R Sham I/R Sham I/R Day 6 Day 8 Day 10 Sham I/R Sham I/R Sham I/R Day 14 Day 21 Day 28 Sheikh AY, Lin S, Cao F, et al, Stem Cells 2007;2677-84
离体心脏组织中的骨髓干细胞的生物 发光信号 Sheikh AY et al, Stem Cells 2007;2677-84
不同成体干细胞心肌内移植后 的分子影像 Cell fusion: Cre-lox mediated recombinase Von de bogt K, Cao F, et al. Circulation, 2009
Cell fusion: 干细胞治疗机制之一 : 细胞融合
观察 Stat3 信号通路在干细胞干性维持 中的作用
如何提高成体干细胞的在体存活 提高细胞质量 体内微环境调控 联合基因治疗 联合药物治疗 运用组织工程手段
Ligation of proximal femoral artery Ligation of distal femoral artery * control ischemia POD 0 * p < 0.05
* * * * * Postoperative Days * p < 0.05
组织特异性成像 - 比较 Ad-CMV-Fluc 和 Ad- MLC-Fluc - 用心肌组织特异性 MLC 启动子替换组成型 CMV 启动子可使 Fluc 基因限定在心脏中表达, 而不在肝组织中表达 Boecker W et al, Molecular Imaging 2004
大动物成像 报告基因 - Ad-CMV-HSV1tk 报告基因 -[ 124 I]FIAU Bengel FM et al, Circulation 2003
双重报告基因的 PET 成像 两个 PET 报告基因 (D2R80a 和 HSV1-sr39tk) 被 IRES 分开, 并分别用 [ 18 F]-FESP 和 [ 18 F]-FHBG 报告探针显像. PRG 表达在细胞培养 (r 2 =0.97) 和活体动物 (r 2 =0.85) 中均有很强的相关性. Chen I et al, Circulation 2003.
心脏基因治疗的 PET 成像 PET 报告基因 (HSV1-sr39tk) 和治疗热点基因 VEGF (vascular endothelial growth factor) 密切相关. 通过 HSV1-sr39tk PET 报告基因成像, 我们可以间接观察 VEGF 治疗靶向基因的持续时间, 定位和定量 Wu JC et al, Circulation 2004.
心肌灌注, 代谢 & 基因成像 Ischemic rat Heart injected with Ad-CMV-VEGF 121 -CMV-HSV1sr39tk Wu JC et al, Circulation 2004.
POD0 POD7 POD14 POD21 BLT/MicroCT dual modality imaging system hp finite element method (hp-fem) BLT reconstruction
小 结
Circulation. 2006 J Nucl Med. 2006 STEM CELLS. 2008 BMC Biotech. 2007
Massoud T & Gambhir S. Molecular imaging in living subjects. Genes & Dev 2003
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下一步发展 Cardiology Xijing Hospital FMMU Fourth Military Medical University
第四军医大学王海昌 MD., PhD 张荣庆 MS 孙冬冬 MD., PhD 王亚斌 MD 范伟伟 MD 王慎旭 MD 李霜 MD 西安电子科技大学田捷 PhD 刘俊廷 PhD 王福 PhD Cardiology Xijing Hospital Grant Support: Stanford University, MIPS Joseph C.Wu MD., PhD Irving Weisman PhD Sam S. Gambhir MD., PhD Chris Contag MD., PhD Ahmad Y. Sheikh MD. NIH Xiaoyuan Chen PhD 军事医学科学院输血研究所谢小燕 PhD China NNSF (Cao F), Xijing Research Boosting grant (Cao F) FMMU Fourth Military Medical University