干细胞疗法在临床试验中被用于皮肤损伤、血液和心血管疾病、软骨缺损、糖尿病等多种疾病的治疗。然而，由于干细胞治疗的复杂性，其疗效及安全性一直存在质疑。其中，干细胞在体内的药代动力学未知，是被质疑的主要问题之一。
目前，干细胞追踪常用的PET-CT、MRI成像有价格昂贵、时间空间分辨率有限、通量低等劣势。近年来，活体近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm，活体穿透深度~1cm）荧光成像为细胞示踪提供了新思路。然而，目前使用的NIR-II细胞示踪剂多为无机纳米材料，具有代谢困难及长期滞留所产生的潜在毒性等问题。
近日，中国科学院上海药物研究所分子影像中心程震、陈浩团队与南方科技大学李凯副教授课题组合作，设计出基于NIR-II小分子染料蛋白复合物的干细胞示踪剂（CelTrac1000），用于标记并示踪干细胞在不同疾病环境中的响应和命运。CelTrac1000使用可代谢的NIR-II小分子染料(CH-4T)与穿膜肽（Tat）修饰的人血清白蛋白 (HSA)1:1复合而成，形态类似于上市药物紫杉醇白蛋白（Abraxane等），具有制备生产精确可控、量子产率高、毒性低和可代谢等优点。相关成果于2021年6月19日发表于 Research期刊。
图1、 CelTrac1000的制备过程及结构示意图
合作团队利用该探针对人诱导多潜能干细胞-衍生内皮细胞（iPSC-ECs）1个月内体内血管生成进行可视化，评估了iPSC-ECs移植再生的治疗效果。为验证该方法的时间空间分辨率，研究人员利用CelTrac1000标记小鼠间充质干细胞（MSC）进行了体内动态示踪，并清晰地看到被标记的MSC在血液循环系统中的实时迁移过程。该方法实现了无创小鼠体内单细胞团簇运动、右肺四小叶肺叶呼吸扩张、以及心脏搏动的可视化监测。
最后，研究人员利用CelTrac1000实现了三种疾病模型——急性肺损伤 (ALI)、心肌梗死 (MI) 和大脑中动脉闭塞 (MCAO)中MSC的示踪（图2）。由于MSC具有趋向受伤部位组织富集的特点，利用CelTrac1000标记细胞，可观察尾静脉注射的MSC在疾病小鼠体内的生物分布。有趣的是，该研究发现肺损伤同时会引起小鼠心脏的损伤，而心脏损伤时不会引起肺损伤。此外，研究同时发现了MSC对脑部炎症的响应。
综上，本项研究表明CelTrac1000可用于标记干细胞，同时实现NIR-II高时空分辨率活体示踪，为揭示干细胞在体内的药代动力学机制提供了助力。
图2、急性肺损伤 (ALI)、心肌梗死 (MI) 和大脑中动脉闭塞 (MCAO)中MSC的示踪
上海药物所分子影像中心陈浩研究员为本研究的第一作者，南方科技大学李凯副教授、上海药物所分子影像中心程震研究员为通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金，上海市浦江人才，上海市科技重大专项等项目的资助。
全文链接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9798580/
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