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            WBP全身體積描記系統(tǒng)在肺纖維化研究中的應(yīng)用

            來源:上海塔望智能科技有限公司   2023年05月05日 13:30  

            全身體積描記系統(tǒng)

            whole-body plethysmograph,WBP


            可對(duì)清醒自由活動(dòng)動(dòng)物呼吸參數(shù)進(jìn)行測量,如呼吸頻率,潮氣量,氣道高反應(yīng)性測試(Airway hyperresponsiveness,AHR)等。測試過程中,動(dòng)物可以處于清醒自由狀態(tài),避免了創(chuàng)傷性氣管切開及麻醉的影響,使實(shí)驗(yàn)過程更加簡便,用于呼吸系統(tǒng)模型動(dòng)物對(duì)藥物等反應(yīng)性研究,呼吸性藥物的藥理和毒理學(xué)研究,特別適合于大批量動(dòng)物快速初篩試驗(yàn),適合長期跟蹤研究和重復(fù)性篩查。全身體積描記系統(tǒng)也被應(yīng)用于肺纖維化的研究中。

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            小鼠監(jiān)測艙

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            相關(guān)應(yīng)用


            目前,肺纖維化的發(fā)病率和死亡率逐年增加,同時(shí),臨床上仍缺乏有效的治療手段。研究表明,間充質(zhì)干細(xì)胞可通過包括旁分泌作用、線粒體轉(zhuǎn)移和誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化在內(nèi)的多種機(jī)制治療肺部炎癥并緩解肺纖維化的進(jìn)程。但目前干細(xì)胞治療仍面臨著移植后干細(xì)胞難以監(jiān)測、在肺部滯留時(shí)間短和存活率低等問題。


            針對(duì)上述問題,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳航榕研究員和馬明副研究員團(tuán)隊(duì)利用“金屬卟啉誘導(dǎo)多尺度自組裝”策略構(gòu)建了一種新型多功能探針,用于輔助干細(xì)胞治療。該復(fù)合探針由具有臨床應(yīng)用潛力的原卟啉氯化鈷(CoPP)、金納米顆粒和超順磁Fe3O4納米顆粒三種功能組分構(gòu)成,并借助無銅點(diǎn)擊化學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)干細(xì)胞的高效生物正交標(biāo)記。該自組裝納米探針無需借助額外載體和表面活性劑,可在較低劑量下有效發(fā)揮每個(gè)組分的相應(yīng)功能。具體來說,該納米探針?biāo)哂械腃T造影成像和磁操控兩種功能分別解決了干細(xì)胞在肺部難以監(jiān)測和滯留時(shí)間短的問題;探針在干細(xì)胞微環(huán)境中通過緩釋抗氧化藥物CoPP有效提高干細(xì)胞的存活率和修復(fù)效果等。通過進(jìn)一步構(gòu)建肺纖維化小動(dòng)物模型,證實(shí)了相較于單獨(dú)干細(xì)胞治療組,這種多功能自組裝納米探針介導(dǎo)的干細(xì)胞治療能夠顯著緩解纖維化癥狀并促進(jìn)肺功能恢復(fù),具有良好的臨床應(yīng)用潛力。 

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            (a)多功能探針的制備示意圖;(b)探針用于標(biāo)記干細(xì)胞和肺纖維化治療應(yīng)用示意圖;(c)碗狀多功能探針的TEM圖像;(d)高角環(huán)形暗場像照片和元素分布圖像;(e)多功能探針標(biāo)記干細(xì)胞后的顯微圖像,紅色箭頭表示細(xì)胞內(nèi)的探針顆粒。 



            博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化模型

            及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植


            36只雄性C57BL/6小鼠適應(yīng)1周,隨機(jī)分為6組: (1)對(duì)照,(2) PF,(3) PF +生理鹽水,(4) PF + MSC,(5) PF + ASCP-BCN標(biāo)記MSC,(6) PF + ASCP-BCN標(biāo)記MSC +磁鐵(n = 6)。 用博萊霉素(BLM)誘導(dǎo)肺纖維化。簡單地說,小鼠被麻醉,將BLM(5 mg/kg)溶于100μL無菌生理鹽水中,通過氣管插管緩慢注入氣管腔。生理鹽水組小鼠僅給予100μL無菌生理鹽水。給藥后第7天重復(fù)上述步驟。將未標(biāo)記的間充質(zhì)干細(xì)胞和標(biāo)記的間充質(zhì)干細(xì)胞(每只小鼠1×106個(gè)細(xì)胞)放在100 μL生理鹽水中,在第一次注射BLM后第10天氣管內(nèi)移植到小鼠肺中。在PF + ASCP-BCN標(biāo)記的MSC +磁體組中,每只小鼠的胸部都附著一個(gè)NdFeB磁體。第一次注射BLM后第28天處死小鼠,取肺組織。

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            肺功能評(píng)價(jià)

                   在第一次注射BLM后的第28天,給小鼠稱重,并將其放入WBP全身體積描記系統(tǒng)中,記錄其肺功能數(shù)據(jù)。然后采集小鼠的肺以進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定。取出每只小鼠的一個(gè)肺葉,輕輕擦拭其表面的血液。將肺組織稱重,在60℃下烘烤72 h。再次稱重干肺組織,測定肺的濕干比。用HYP檢測試劑盒檢測肺組織中的HYP濃度。

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            ASCP-BCN標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞及磁性操作對(duì)PF的治療作用



            (a) MSC治療博萊霉素誘導(dǎo)的PF小鼠模型的實(shí)驗(yàn)方案。(b-e)小鼠肺功能沒有治療(控制)和骨髓誘導(dǎo)PF模型小鼠不同治療(鹽水、間充質(zhì)干細(xì)胞,ASCP-BCN標(biāo)記間充質(zhì)干細(xì)胞,和ASCP-BCN標(biāo)記間充質(zhì)干細(xì)胞+磁操作)后28天第一次注射骨髓:
            (b) 呼吸每分鐘,(c)呼氣流量量50%的肺活量,(d)峰值吸氣流量,和(e)的呼氣流量峰值。
            (f)肺內(nèi)HYP的含量。
            (g)各組肺的濕干比。
            (h)各組肺切片的代表性H&E染色圖像、Masson三色染色圖像、α-SMA免疫組化染色圖像。
            (i)通過H&E染色對(duì)應(yīng)的Ashcroft評(píng)分評(píng)估PF的嚴(yán)重程度。
            (j)Masson三色染色測定肺膠原沉積面積百分比。
            (k)免疫組化染色顯示α-SMA陽性細(xì)胞的百分比。
            (l)肺組織中α-SMA和TGF-β的免疫blot分析,(m)相應(yīng)的α-SMA和TGF-β蛋白的相對(duì)表達(dá)水平。


            骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)PF的治療作用

            為了評(píng)估ASCP-BCN標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在PF治療中的可行性,實(shí)驗(yàn)采用了博萊霉素(BLM)誘導(dǎo)小鼠PF模型。BLM干預(yù)導(dǎo)致小鼠肺功能顯著降低,表現(xiàn)為每分鐘呼吸量(MV)的增加、50%肺活量下的呼氣流量(EF50)、吸氣流量峰值(PIF)和呼氣流量峰值(PEF)的增加。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植后可輕微降低上述肺功能參數(shù),ASCP-BCN標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植和磁吸引進(jìn)一步減輕上述肺功能參數(shù),說明其在促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療效果中發(fā)揮重要作用。特別是,ASCP-BCN標(biāo)記的MSCs +磁操作移植組小鼠的呼吸頻率和吸氣流量峰值幾乎達(dá)到了對(duì)照組小鼠。更重要的是,標(biāo)記間充質(zhì)干細(xì)胞移植和磁操作不僅降低了纖維化肺中的羥脯氨酸(HYP)濃度,而且降低了炎癥引起的肺濕干比。


            相關(guān)研究

            成果近期以“Cobalt protoporphyrin-induced nano-self-assembly for CT imaging, magnetic-guidance, and antioxidative protection of stem cells in pulmonary fibrosis treatment”為題發(fā)表在Bioactive Materials(2023,21,129)期刊上。 




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