磁共振活体示踪猪心梗后经冠脉移植间充质干细胞实验研究
In Vivo Tracking of Mesenchymal Stem Cells Following Intra-coronary Injection Post-myocardial Infarction in Swine Using Magnetic Resonance Imaging

研究背景骨髓间充质干细胞(Bone marrow-derived mesenchymal stem cellsMSCs)移植可以修复受损心肌细胞、促使心肌细胞再生、改善心脏功能.MSCs移植已经成为一种新的方法用于心肌细胞再生替代治疗,为临床治疗心血管疾病开辟了一个新的领域.为了明确细胞移植后,脏器功能的改善是否确由移植细胞所引起,需要知道移植细胞能否到达心肌梗塞区域,能否在心肌梗塞区域存活.而观察移植干细胞在体内迁移和转归一直是让人困扰的问题.既往研究多通过处死实验动物行组织切片检查加以证实,这种方法不利于活体对移植细胞迁移做动态观察,也无法适用于临床研究.因此,若将干细胞移植真正应用于临床治疗,必须解决在活体如何识别、追踪移植的干细胞.本研究用超顺磁性氧化铁纳米粒子(superparamagneticiron oxide,SPIO)及CM-DiI荧光双标记骨髓间充质干细胞;通过微创法建立小型猪闭胸式心肌梗塞(myocardial infarction MI)模型;用Over-The-Wire(OTW)球囊经冠脉移植SPIO及CM-DiI双标记的骨髓间充质干细胞;通过磁共振分子成像来活体示踪移植的骨髓间充质干细胞在心肌中的分布.而且本研究还根据磁共振活体示踪结果,创新性的借用分选造血干细胞及肿瘤干细胞的方法:荧光激活细胞分离技术(fluorescence-activated cell sorting,FACS)分选出移植到心肌梗塞区域的骨髓间充质干细胞,为进一部研究骨髓间充质干细胞的作用机理奠定基础.第一部分超顺磁性氧化铁纳米离子和CM-DiI双标记骨髓间充质干细胞目的:观察SPIO及CM-DiI对骨髓间充质干细胞的标记效果.方法:全骨髓及密度梯度离心法分离培养猪MSCs.50μg/mL的SPIO及CM-DiI标记第3代MSCs,普鲁士蓝铁染色鉴定SPIO的标记效率,电子显微镜观察细胞内SPIO的摄取;荧光显微镜下观察CM-DiI标记效率.台盼蓝排斥实验观察标记后细胞活性,四唑盐(MTT)比色实验观察标记后细胞生长情况.结果:SPIO及CM-DiI标记MSCs效率高SPIO浓度为50μg/mL,标记时间24h对MSCs的生长、增殖无影响.结论:SPIO及CM-DiI标记猪骨髓间充质干细胞效率高,对细胞生长增殖无影响.第二部分建立猪闭胸式心肌梗塞模型目的:用微创法建立猪闭胸式心肌梗塞模型.方法:球囊封堵位置在第一对角支远端与第二对角支近端之间,封堵时间为60min.术中心电监护持续监测心电图变化,球囊封堵结束后冠脉造影观察远端血流中断情况.造模7周后行心肌组织病理学检查.结果:造模手术的27头猪死亡3头,24头成功建立心肌梗塞模型;球囊封堵结束后冠脉造影示前降支中远端血流中断;心肌组织病理切片示梗塞区心肌坏死完全.结论:微创法建立猪闭胸式心肌梗塞模型是一种可行、实用的心梗模型制作方法.第三部分经冠脉移植SPIO及CM-DiI双标记骨髓间充质干细胞目的:评价心肌梗塞后经冠脉移植骨髓间充质干细胞的效果及安全性.方法:27头猪分为5组:MI移植双标记MSCs组(n=6);MI移植SPIO加PBS组(n=6);MI移植CM-DiI单标记MSCs组(n=6);MI对照组(n=6);健康猪移植双标记MSCs组(n=3).心肌梗塞模型建立2周后每头猪经冠脉移植1*108个细胞.细胞移植后5周行超声心动图检查,比较MI移植双标记MSCs组及MI对照组左室射血分数及短轴缩短率.心肌组织切片行荧光显微镜观察及普鲁士蓝铁染色,观察经冠脉移植MSCs的效果.结果:实验动物均成功完成MSCs移植,细胞移植中动物无死亡、未见ST段抬高及严重心律失常.细胞移植后5周,MI移植双标记MSCs组射血分数及短轴缩短率高于MI对照组(P<0.05).普鲁士蓝铁染色示移植的MSCs位于心肌梗塞区域,呈蓝色.心肌组织冰冻切片荧光显微镜观察移植的MSCs发出红色荧光,呈条带状分布.结论:经冠脉移植SPIO及CM-DiI双标记骨髓间充质干细胞是安全、有效.第四部分磁共振活体示踪心肌内移植的骨髓间充质干细胞目的:观察磁共振能否活体示踪到经冠脉移植的骨髓间充质干细胞.方法:SPIO标记猪MSCs,普鲁士蓝铁染色鉴定SPIO标记效率.SPIO标记的MSCs在体外行细胞水平磁共振成像.经冠脉移植骨髓间充质干细胞第1、3、5周后行猪心脏磁共振检查.采用快速梯度回波序列完成长轴位四腔心和二腔心扫描,在以长轴位四腔心和二腔心为定位相,垂直于室间隔获得左心室短轴位图像.根据磁共振活体示踪结果,从心尖向心底把心脏切成6~8片.心肌组织切片行普鲁士蓝铁染色及荧光显微镜观察,验证磁共振活体示踪结果.结果:经冠脉移植SPIO及CM-DiI标记的骨髓间充质干细胞在磁共振成像上显影,表现为低信号影,随着时间推移,低信号影逐渐减弱,并可持续至移植后5周.磁共振活体示踪结果与病理组织学检查结果一致.结论:证明磁共振能活体示踪到经冠脉移植的骨髓间充质干细胞.第五部分荧光激活细胞分离技术分选出心梗区移植的骨髓间充质干细胞目的:探讨荧光激活细胞分离技术从心肌梗塞区分选移植的MSCs可行性.方法:制备新鲜心肌组织单细胞悬液,用流式细胞仪(EPIC ALTRA,BeckmanCoulter)F/1通道分选,激发波长:488nm.分选出CM-DiI标记的移植到心肌梗塞区的骨髓间充质干细胞.荧光显微镜观察分选出的移植细胞,流式细胞仪检测分选出的移植细胞周期,并与移植前的MSCs比较.结果:荧光激活细胞分离技术(FACS)从心肌梗塞区分选出移植的骨髓间充质干细胞,进一步证明了磁共振活体示踪结果.分选出的移植细胞荧光显微镜下观察:细胞呈圆形,细胞均显红色荧光,与移植前的细胞类似.分选出的移植细胞周期测定结果示:G1期为58.3%,增殖指数G2+S期达41.6%.结论:荧光激活细胞分离技术(FACS)能从心肌组织分选出移植的MSCs,该方法为干细胞示踪研究提供新的思路.