双模态报告基因成像定量分析间充质干细胞定植胶质瘤状态

       近日，中山大学孙逸仙纪念医院放射科沈君主任团队在Academic Radiology上发表最新研究成果，题目为 “Quantification of the Engraftment Status of Mesenchymal Stem Cells in Glioma Using Dual-Modality Magnetic Resonance Imaging and Bioluminescence Imaging”。该研究采用基因工程手段构建了MRI报告基因铁蛋白重链（FTH）及生物发光成像（BLI）报告基因荧光素酶（FLUC）联合过表达的间充质干细胞FTH-FLUC-MSCs。采用瘤周注射、瘤内注射、颈内动脉注射及静脉注射等多种途径将FTH-FLUC-MSCs移植至大鼠原位胶质瘤模型中，经MRI及BLI双模态成像定量分析，发现瘤周注射的FTH-FLUC-MSCs能够迁移到肿瘤组织内部，在肿瘤局部的定植数量较高，在瘤内存活数量最多、存活时间最长，提示在四种移植途径中，瘤周注射是MSCs治疗恶性胶质瘤的最优移植途径和首选移植方式。本研究为沈君教授团队在干细胞治疗胶质瘤领域发表的第四篇高水平SCI论文，建立了一种能定量、准确及长期示踪干细胞的活体评价方式，并为指导干细胞治疗胶质瘤的移植模式的选择提供了实验依据。

胶质瘤是最常见、最致命的原发性颅内恶性肿瘤。近年来，尽管胶质瘤的精准手术治疗及放、化疗均取得了相当进展，但其预后仍非常不理想。寻找一种可携带药物或治疗基因并具有趋向性、能够直达胶质瘤内部的输送载体极具价值。MSCs因能作为药物载体，并具有定向趋化至胶质瘤的能力，已成为胶质瘤靶向治疗的新策略。本团队在前期研究中，采用基于FTH报告基因的MRI活体示踪方法，首次在动物活体水平揭示了经颈内动脉注射的间充质干细胞（MSCs）能够主动穿透血脑屏障迁移定植于脑胶质瘤内，提示MSCs能够作为颅内原位胶质瘤靶向治疗的潜在工具（International Journal of Cancer, 2018, 封面故事，DOI: 10.1002/ijc.31113）。在进一步研究中，本团队利用FTH-MRI活体示踪，发现相对于瘤内注射、正常脑实质注射及颈内动脉注射，仅有瘤周注射的IFN-β过表达MSCs能够抑制胶质瘤生长，揭示瘤周注射的免疫调控的MSCs可能为治疗脑胶质瘤的一种新手段（Journal for ImmunoTherapy of Cancer, 2020，DOI: 10.1136/jitc-2019-000164）。在此基础上，本团队进一步上调MSCs的CXCL10和Nrf2的表达，利用FTH-MRI活体示踪，发现瘤周注射的CXCL10和Nrf2上调的MSCs能够抑制两种小鼠颅内原位胶质母细胞瘤（GL261及CT2A模型）的生长， CXCL10和Nrf2过表达的MSCs在肿瘤微环境中存活能力增强，促进肿瘤组织的T淋巴细胞的募集及免疫激活，发挥对肿瘤的长效免疫杀伤作用，在与人类胶质母细胞瘤免疫微环境更为接近的小鼠CT2A肿瘤模型中，瘤周移植CXCL10-Nrf2-MSCs与免疫检查点阻断疗法（ICB）联合，能显著抑制CT2A肿瘤的生长并延长动物生存时间，而单独ICB治疗并未发挥疗效，提示CXCL10和Nrf2过表达的MSCs是胶质母细胞瘤一种极具潜力的治疗新手段（Journal for ImmunoTherapy of Cancer, 2023, DOI: 10.1136/jitc-2023-007481），抗凋亡性能提升的MSCs能够作为持续输送CXCL10的“细胞工厂”。在上述系列研究中，本团队发现干细胞的移植途径对肿瘤治疗效果产生直接影响，瘤周注射可能是最佳的移植途径，有待采用活体水平精准、定量、动态的可视化监测手段，对不同途径移植的MSCs在胶质瘤内定植状态进行量化分析而明确。针对于此，本研究通过基因工程手段对大鼠MSCs进行FTH和FLUC双报告基因联合修饰，利用MRI和BLI双模态成像对不同移植模式中MSCs在胶质瘤局部的定植率、滞留率等进行定量比较，旨在明确MSCs的最佳移植途径及移植后的滞留、转归情况，为MSCs治疗胶质瘤最佳移植路径的选择提供实验依据。

     本研究成功构建FTH-T2A-FLUC慢病毒载体，转染大鼠MSCs，获得FTH与FLUC均过表达的FTH-FLUC-MSCs。采用MRI和BLI双模态成像技术，在活体水平能够监测到经瘤周、瘤内、颈内动脉和尾静脉等途径移植的FTH-FLUC-MSCs向原位胶质瘤的迁移、定植、滞留的动态变化。通过对BLI信号强度进行定量分析，发现经瘤周注射（61%）和瘤内注射（71%）的FTH-FLUC-MSCs在胶质瘤中的定植效率明显高于动脉注射（30%）和静脉注射（0%）。在观察期内，瘤周注射的FTH-FLUC-MSCs数量逐渐下降，但在移植后的第11天，肿瘤内仍测得滞留细胞（约为移植细胞量的5.74%）；而通过瘤内及颈内动脉移植的FTH-FLUC-MSCs数量迅速减少，在注射后第11天在瘤内无法检测到细胞。经尾静脉注射后，未发现FTH-FLUC-MSCs定植于胶质瘤中。经组织学分析进一步证实，与瘤内注射和动脉注射途径相比，通过瘤周注射的FTH-FLUC-MSCs在肿瘤组织中的滞留率最高，滞留时间最长。

不同途径移植的FTH-FLUC-MSCs向大鼠原位胶质瘤的迁移及定植的在体MRI及BLI监测

不同途径移植的FTH-FLUC-MSCs在胶质瘤内定植效率及滞留率的定量分析

不同途径移植的FTH-FLUC-MSCs在胶质瘤内定植及滞留变化的组织学验证

       MSCs具有干细胞自我更新的能力，且具有向颅内肿瘤趋化的特性，能作为携带治疗药物或基因的输送载体。移植工程化的MSCs可能是治疗颅内恶性胶质瘤的极有前景的新策略。本研究构建基因工程化FTH-FLUC-MSCs，采用MRI和BLI双模态成像的优势互补，在活体水平动态定量分析经瘤周、瘤内、动脉及静脉注射等多种途径移植后FTH-FLUC-MSCs在原位胶质瘤内的定植状态，发现瘤周注射可能是MSCs治疗胶质瘤的最佳移植途径。本研究利用活体、动态、量化分析手段，明确了移植工程化的MSCs可治疗颅内恶性胶质瘤的最佳移植策略，为干细胞活体示踪和治疗效果监测提供了一种新方法，有望促进干细胞在肿瘤治疗领域的研究与应用。

全文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1076633224004422

沈君

曹明慧  李韵华

      广东省珠江学者特聘教授，教育部新世纪优秀人才，中国研究型医院研究型人才，入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。国家卫健委百万减残工程专家委员会专业委员，中国研究型医院学会肿瘤影像诊断学专业委员会副主委，中国医学影像技术研究会放射学分会常委，中华医学会放射学分会神经学组委员，中华医学会心血管病学分会心血管病影像学组委员，广东省医师协会放射医师分会主委，广东省精准医学应用学会分子影像分会主委，广东省医学会肿瘤影像与大数据分会候任主委，广东省医学会放射医学分会副主委，广东省辐射防护协会医学辐射防护专业委员会副主任委员。

      承担国家重点研发计划1项（课题骨干）、NSFC-广东联合基金集成项目1项（课题负责人）、国家自然科学基金面上项目6项（主持）、国家自然科学基金数学天元基金数学与医疗健康交叉重点专项1项（医学PI）、广东省重点领域研发计划1项（主持）。以第一/通讯作者发表SCI论文128篇，包括Cell、Nat Biomed Eng、Nat Commun、Adv Sci、Adv Funct Mater、ACS Nano、Small、Small methods、Nano Lett、Biomaterials、Clin Cancer Res、J ImmuoTher Cancer和Radiology等国际权威期刊。

      广东省医师协会放射科医师分会秘书，广东省精准医学应用学会分子影像分会委员，广东省女医师协会放射专业委员会委员。主要从事恶性肿瘤影像学诊断及干细胞治疗研究，主持国家自然科学基金1项、广东省自然科学基金1项，以第一或共同第一作者在SCI期刊发表论著5篇、中文核心期刊发表论著1篇，包括Journal for ImmunoTherapy of Cancer、International Journal of Cancer、Academic Radiology及Quantitative Imaging in Medicine and Surgery等专业领域知名期刊。

      主要从事干细胞治疗与分子影像学研究，参与国家自然科学基金（82171996、81801756）、广东省自然科学基金（2022A1515010279）等多项课题研究，共发表SCI论文3篇，包括以共同第一作者发表SCI论著1篇。