WBP 全身体积描记系统在肺纤维化研究中的应用

全身体积描记系统（whole-body plethysmograph，WBP）可对清醒自由活动动物呼吸参数进行测量，如呼吸频率，潮气量，气道高反应性测试（Airway hyperresponsiveness，AHR）等。测试过程中，动物可以处于清醒自由状态，避免了创伤性气管切开及麻醉的影响，使实验过程更加简便，用于呼吸系统模型动物对药物等反应性研究，呼吸性药物的药理和毒理学研究，特别适合于大批量动物快速初筛试验，适合长期跟踪研究和重复性筛查。全身体积描记系统也被应用于肺纤维化的研究中。


目前，肺纤维化的发病率和死亡率逐年增加，同时，临床上仍缺乏有效的治疗手段。研究表明，间充质干细胞可通过包括旁分泌作用、线粒体转移和诱导巨噬细胞极化在内的多种机制治疗肺部炎症并缓解肺纤维化的进程。但目前干细胞治疗仍面临着移植后干细胞难以监测、在肺部滞留时间短和存活率低等问题。
 
针对上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所陈航榕研究员和马明副研究员团队利用「金属卟啉诱导多尺度自组装」策略构建了一种新型多功能探针，用于辅助干细胞治疗。该复合探针由具有临床应用潜力的原卟啉（CoPP）、金纳米颗粒和超顺磁 Fe3O4 纳米颗粒三种功能组分构成，并借助无铜点击化学实现对干细胞的高效生物正交标记。该自组装纳米探针无需借助额外载体和表面活性剂，可在较低剂量下有效发挥每个组分的相应功能。具体来说，该纳米探针所具有的 CT 造影成像和磁操控两种功能分别解决了干细胞在肺部难以监测和滞留时间短的问题；探针在干细胞微环境中通过缓释抗氧化药物 CoPP 有效提高干细胞的存活率和修复效果等。通过进一步构建肺纤维化小动物模型，证实了相较于单独干细胞治疗组，这种多功能自组装纳米探针介导的干细胞治疗能够显著缓解纤维化症状并促进肺功能恢复，具有良好的临床应用潜力。 


（a）多功能探针的制备示意图；（b）探针用于标记干细胞和肺纤维化治疗应用示意图；（c）碗状多功能探针的 TEM 图像;（d）高角环形暗场像照片和元素分布图像；（e）多功能探针标记干细胞后的显微图像，红色箭头表示细胞内的探针颗粒。 
   

• 博莱霉素诱导的肺纤维化模型及骨髓间充质干细胞移植

36 只雄性 C57BL/6 小鼠适应 1 周，随机分为 6 组： (1) 对照，(2) PF，(3) PF +生理盐水，(4) PF + MSC，(5) PF + ASCP-BCN 标记 MSC，(6) PF + ASCP-BCN 标记 MSC +磁铁（n = 6）。 用博莱霉素（BLM）诱导肺纤维化。简单地说，小鼠被麻醉，将 BLM（5 mg/kg）溶于 100μL 无菌生理盐水中，通过气管插管缓慢注入气管腔。生理盐水组小鼠仅给予 100μL 无菌生理盐水。给药后第 7 天重复上述步骤。将未标记的间充质干细胞和标记的间充质干细胞（每只小鼠 1×106 个细胞）放在 100 μL 生理盐水中，在第一次注射 BLM 后第 10 天气管内移植到小鼠肺中。在 PF + ASCP-BCN 标记的 MSC +磁体组中，每只小鼠的胸部都附着一个 NdFeB 磁体。第一次注射 BLM 后第 28 天处死小鼠，取肺组织。


 

• 肺功能评价

在第一次注射 BLM 后的第 28 天，给小鼠称重，并将其放入 WBP 全身体积描记系统中，记录其肺功能数据。然后采集小鼠的肺以进行进一步的鉴定。取出每只小鼠的一个肺叶，轻轻擦拭其表面的血液。将肺组织称重，在 60℃ 下烘烤 72 h。再次称重干肺组织，测定肺的湿干比。用 HYP 检测试剂盒检测肺组织中的 HYP 浓度。

• 骨髓间充质干细胞对 PF 的治疗作用

为了评估 ASCP-BCN 标记的骨髓间充质干细胞在 PF 治疗中的可行性，实验采用了博莱霉素（BLM）诱导小鼠 PF 模型。BLM 干预导致小鼠肺功能显著降低，表现为每分钟呼吸量（MV）的增加、50% 肺活量下的呼气流量（EF50）、吸气流量峰值（PIF）和呼气流量峰值（PEF）的增加。骨髓间充质干细胞移植后可轻微降低上述肺功能参数，ASCP-BCN 标记的骨髓间充质干细胞移植和磁吸引进一步减轻上述肺功能参数，说明其在促进骨髓间充质干细胞治疗效果中发挥重要作用。特别是，ASCP-BCN 标记的 MSCs +磁操作移植组小鼠的呼吸频率和吸气流量峰值几乎达到了对照组小鼠。更重要的是，标记间充质干细胞移植和磁操作不仅降低了纤维化肺中的羟脯氨酸（HYP）浓度，而且降低了炎症引起的肺湿干比。

相关研究成果近期以「Cobalt protoporphyrin-induced nano-self-assembly for CT imaging, magnetic-guidance, and antioxidative protection of stem cells in pulmonary fibrosis treatment」为题发表在 Bioactive Materials（2023,21,129）期刊上。 

相关链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22003383 
 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300669