干细胞作为乳腺成像工具

文摘

干细胞是一种科学感兴趣的领域,由于他们的治疗潜力。有不同的团体,这取决于分化状态。我们可以发现孤独的干细胞,但通常他们在利基市场分配。干细胞不永远生存。他们为衰老的影响。癌症干细胞是最好的功能定义,程序可以丰富的肿瘤细胞致瘤的财产,可以再生原发肿瘤的异质性。循环肿瘤细胞从原发肿瘤细胞有分离,在血液中循环。他们可能构成种子随后的增长更多的肿瘤(转移)在不同的组织。分子成像方面的进展允许更深入地理解干细胞的体内行为,已被证明是不可缺少的在临床前和临床研究。第一个成像技术监测多能干细胞体内,磁共振成像(MRI)提供高时空分辨率获得详细的形态和功能信息。 Advantages of radioscintigraphic techniques include their picomolar sensitivity, good tissue penetration, and translation to clinical applications. Radionuclide imaging is the sole direct labeling technique used thus far in human studies, involving both autologous bone marrow derived and peripheral stem cells.

1。干细胞

干细胞是一个科学领域感兴趣的主要是由于他们的治疗潜力。

干细胞的术语来我们通过组织学家在19世纪,谁介绍了它作为一般、抽象术语专门参与修复或再生细胞。在1950年代发现骨髓细胞能重建造血系统的辐照,现代干细胞概念开始结晶实验程序的移植和调整1,2]。定义组织干细胞Potten和吕弗勒提出的未分化细胞(相对于功能组织),能够扩散和生产大量分化功能的后代;他们有能力自我维护的人口和损伤后的再生组织。

这意味着干细胞由于其功能属性和定义而不是显式的直接就可以观察到的特征。这功能定义相对于干细胞的作用与功能组织再生功能。但是这个定义并不给我们任何具备干细胞特征识别形态(3]。

另一点是,它假定干细胞是undifferenctiated他们来自早期的发展阶段,这意味着,在一个组织,我们可以找到各种类型的干细胞,或成熟的干细胞在不同的点。(所以,给了一个可能的方法来分类的交通和成熟的细胞)。大多数在可能有特定的分化标记将使干细胞的区别在相互关系和功能细胞最终生产关系。

灵活性是一个关键方面我们应该包括在干细胞的定义。这对干细胞有可能停止增殖,即成静,在这种情况下,它不作为一个实际的干细胞,但因为它可以重新循环作为干细胞的潜力。同样运输细胞不能正常self-maintain,但这样做可能在特殊情况下,从而代表一个潜在的干细胞。最近发现干细胞的行为可以通过普通细胞后,引入少量的基因已经加强了利益。

与这一背景下,所有的干细胞是相同类型的细胞,但是正如我们之前提到的有不同组的他们根据分化状态;在这个意义上的三个主要群体包括:toti或多能,多功能,细胞的承诺。第一组是胚胎干细胞有能力创建任何类型的组织。第二组细胞分化,还干细胞,它可以创建任何类型的组织来源于embrionary层之一,内胚层、中胚层和外胚层,,例如,间充质干细胞(msc)。最后第三组是那些可以产生两个或两个以上的血统的组织,例如,心脏干细胞(二者)[4]。

关注成人干细胞,正如我们之前提到的,他们分布在不同的成人组织,但很好奇他们没有一个即兴的分布。实际上他们使用本地化最保护地区的组织,也就是说,心里;他们更丰富的心房和顶点,这两个本地化支持组织的压力小或心室区域神经系统。我们可以发现孤独的干细胞,但通常他们分配在利基市场(图1)。我们定义一个利基喜欢类型的细胞和细胞外基质,可以无限期的房子(SCs)和控制一个或多个干细胞自我复制和生产他们的后代在活的有机体内。这意味着他们特定的解剖位置,调节他们如何参与组织生成,维护和修复。利基保存干细胞耗竭,而保护宿主免受名干细胞增殖。它构成组织生理学的基本单元,集成信号调节的平衡响应干细胞生物的需求。干细胞的简单的位置并不足以定义一个利基。利基必须解剖和功能维度。所以领域包括:功能空间组织、过滤的信号(增殖、凋亡…),支持细胞,提供特定的工会,如钙粘蛋白和确定类型划分(对称或不对称)5]。

利基也可能诱发病态实行异常对干细胞或其他目标函数。干细胞之间的相互作用及其细分为维持组织和创建必要的动态系统的最终设计的干细胞疗法。

利基市场的一个重要方面是,确定类型的干细胞。这些细胞在这方面很特别,因为通常当一个细胞进入细胞周期产生两个子细胞相似。在干细胞的情况下这可能改变,所以有两个选项,如下所示。(我)对称分裂:细胞给两个子细胞类似于她,就像一个普通的细胞类型或两个细胞的承诺。(2)不对称:作为干细胞分裂的结果,我们将会得到两个不同的子细胞,一个类似于母亲和另一个细胞,这是一个承诺,所以她会成熟的细胞(图2)。

再一次这个细胞功能是利基市场的监管机构,这收到的名称假说免费的利基。这一假说告诉我们,如果有空间只有一个干细胞的利基,部门将不对称,但是如果有两个空间,将对称。对称分裂embrionary时期更加频繁和不对称细胞营业额。

两种蛋白质涉及定义划分的类型:麻木α-adaptin。蛋白质在细胞中同质分布时,该部门是对称的;相反,如果蛋白质浓缩在一个细胞极端,部门将不对称6]。

相反被认为干细胞不永远生存。他们对衰老的影响,证明了Anversa的工作(7,8]。ROS增加端粒酶缩短,产品,增加水平的p53, p16和p66在干细胞,是所有人共同的事实与衰老细胞。

许多正在努力研究的机制涉及干细胞治疗的目的。退行性损伤、tisular坏死,他们所有的证人在干细胞的应用。事实上,有几个临床试验的关注与干细胞替代治疗,在心脏病,神经学、骨科,但仍然结果不如研究者和临床医生。

2。癌症干细胞

最近新发现可以应用于干细胞在肿瘤领域知识。现在的理论中的肿瘤干细胞的起源是越来越多的接受,和每天都有越来越多的研究人员集中他们的努力在这方面。

癌症干细胞(casc)是最好的定义的功能,作为一个族群可以丰富的肿瘤细胞致瘤的财产,可以再生在免疫力低下小鼠原发肿瘤的异质性。公司的存在是假设在60^”年代,实验孤立在过去的几十年,先是在急性髓系白血病,在坚实的癌症,如乳腺癌。重要的是,公司被证明是对常规治疗,如化疗和放疗。因此,未来的隔离、分子特征,及在癌症的治疗目标可能马克了解他们的发病机理有重大突破。

同时,发现只有一小部分细胞内恶性肿瘤可以发起新的肿瘤移植导致许多癌症生物学家接受认为干细胞是背后的驱动力恶性肿瘤和癌症治疗提倡重定向控制或根除干细胞。显然,我们生活在一个时代关于干细胞生物学的观点和理论是知识景观的重要组成部分9]。

癌症是一种干细胞疾病的假设包括在肿瘤,至少两种类型的细胞群:成人肿瘤细胞和干细胞等,以及在正常组织。有人建议,癌症是由于正常的干细胞体内平衡的改变。得到大量的癌症干细胞对称分裂,这将为癌症治疗根除。肿瘤干细胞假说表明,这种类型的细胞有各种干细胞的特征:自我更新的能力,无限的增殖潜能,多行分化,形成新成年细胞不对称分裂,和它们形成的转移,也就是说,所有成人肿瘤细胞都来自这种细胞(图3)。为这些属性被称为启动肿瘤细胞也可能是负责肿瘤耐火性和复发。

3所示。循环肿瘤细胞

另一个概念是循环肿瘤细胞(ctc)细胞脱离原发肿瘤和血液循环。ctc可能构成种子随后的增长更多的肿瘤(转移)在不同的组织10]。

细胞转移的能力也获得入侵另一个组织的能力11]。上皮细胞癌症这涉及细胞经历一个Epithelial-Mesenchymal过渡(EMT)。EMT包括上皮细胞失去上皮特征和获得更多的间质表型发生在细胞由于细胞骨架变化。这些变化使细胞得到一个更加迁移表型(10,12),的概率增加肿瘤细胞进入血液和淋巴系统。这个过程是影响趋化因子及其受体被认为发挥重要作用在肿瘤发展通过影响肿瘤转换、生存、增殖,入侵和转移和血管生成的监管和tumour-leukocyte交互。尽管如此,大多数的循环肿瘤细胞似乎被摧毁(11]。那些坚持可能获得转移的能力,一旦进入靶器官可能接受Mesenchymal-Epithelial过渡(遇到),扩散,如果环境有利于肿瘤细胞可能会建立一个新的传播从而完成转移过程(13]。

第一个证据表明ctc标记应用在其他物种的人类医学是守恒的。五个常见的标记包括检测CK19也有用ctc在狗的血液恶性乳腺肿瘤(14]。

标准程序隔离循环干细胞(ctc)涉及细胞分类分组人口的细胞表面标记的基础。许多这样的表面标记已报告出现在公司。这些标记变化取决于我们正在考虑的器官。

ctc的检测可能有重要的预后和治疗的影响,而是因为它们的数量非常小,这些细胞不容易发现15]。循环肿瘤细胞在不同频率每毫升转移性疾病患者的全血。到目前为止,已经开发出了多种研究方法隔离并列举ctc (16]。唯一的美国食品和药物管理局(FDA)清除方法枚举全血的ctc CellSearch系统。使用这种方法做了大量的临床试验表明,ctc的存在是一个强有力的预后因子对于转移性乳腺癌患者的总生存期,大肠癌、前列腺癌。

外观形态是人类根据运营商,因此受到大型interoperator变化(17]。几种ctc枚举方法存在使用形态外观识别ctc,也可能适用不同形态的标准。前列腺癌的一项研究表明,不同形态的定义循环肿瘤细胞有类似的预后价值,尽管绝对数量的细胞中发现患者和正常捐助者通过十多年不同形态之间定义不同(18]。

癌症细胞的行为和转移发展会更好如果我们将能够遵循这些细胞。

4所示。干细胞成像:MRI和放射性核素成像(PET和SPECT)

在过去的十年里,分子成像方面的进展允许一个更深的了解在活的有机体内干细胞的行为,并在临床前和临床研究中被证明是不可缺少的。

有两种主要类型的分子成像技术:直接细胞标记和报告基因显像(图4)。前者使用造影剂,如磁性粒子,发光纳米颗粒直接或放射性核素标记细胞,而后者改变细胞基因转录和翻译一名记者蛋白质。而直接标签既容易实现,是常用的,对比信号与每个细胞分裂和稀释技术无法区分活细胞和死细胞(19]。报告基因,另一方面,只表示由活细胞和信号传播子细胞(20.]。然而,报告基因成像需要使用质粒转染的遗传物质,逆转录病毒,或病毒载体,这引发了插入突变的担忧,可能需要使用的凋亡诱导“自杀基因”在未来可能使用在诊所(21,22]。

(一)

(b)

5。核磁共振成像

作为第一个成像模式监控多能干细胞在活的有机体内磁共振成像(MRI)提供高时空分辨率获得详细的形态和功能信息。它需要吸收的对比剂的干细胞,最常见的是超顺磁性氧化铁(SPIO)纳米颗粒。SPIOs可以诱导变化在T2 relaxivity摩尔浓度(23,24]。有两种主要方法,干细胞可以直接由SPIOs标记。一个方法是磁操作包括阴离子和阳离子SPIOs转染剂的涂料,如硫酸鱼精蛋白或poly-L-lysine [25]。干细胞随后吞噬孵化期间产生的复杂的24 - 48小时左右(26]。尽管许多研究已经表明,磁oporation并不影响细胞生存能力或函数在低剂量(26- - - - - -28),有证据表明,高剂量能抑制间充质干细胞(MSC)移植和集落形成能力(29日]。

几组显示使用SPIOs无创性磁共振神经干细胞移植,移植和形态分化(30.,31日]。对比信号在这些研究中发现了长达六周和干细胞保留繁殖和分化的能力。其他组织表明,核磁共振可以用来追踪间充质干细胞(msc)在心肌梗死后心脏修复(32]。这里的信号可以检测到长期三到八周。然而,SPIO-labeling方法固有的缺点之一是他们无法区分可行的细胞从清除死细胞或巨噬细胞。

6。PET和SPECT

radioscintigraphic技术包括他们的优点picomolar敏感性,良好的组织渗透,翻译临床应用(19]。事实上,放射性核素成像是唯一直接标记技术到目前为止在人类研究中,涉及两个自体骨骨髓来源干细胞(33和外周造血干细胞34- - - - - -36]。

有两个主要的放射性核素成像技术:正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)。SPECT示踪剂直接发出伽马射线在一个方向上,与宠物追踪器,发送两个伽马射线方向相反,因此拥有符合检测具有更高的空间分辨率。然而,SPECT通常是由于其寿命更长和更容易获得更便宜的放射性同位素。

使用最广泛的宠物的同位素被氟18 (18 f),半衰期为110分钟。铜- 64 (^64年铜)更长的半衰期12.7小时(37]。^64年铜可以提供更长的持续时间在活的有机体内干细胞行为的可视化。^64年铜也可以绑定到一个亲脂性的redox-active载体分子,pyruvaldehydebis (N4-methylthiosemicarbazone) (PTSM)。^64年Cu-PTSM已经被用于图像为分化对肾血统胎儿恒河猴(38)和已被证明缺乏不良细胞效应(39]。

使用最广泛的SPECT放射性核素是铟- 111 (^111年),67小时的半衰期和亚稳锝- 99米(^99年mTc), 6个小时的半衰期。而^111年在细胞成像提供了一个时间窗口,^99年矿渣mTc可用于大剂量短期提高成像分辨率。几组使用^111年在图像在活的有机体内走私和biodistribution msc在网站的犬的心肌损伤(40,41和猪动物模型42]。人类临床研究也使用^111年In-oxine [35,43,44)来评估干细胞贩卖急性和慢性心肌梗死。

尽管PET和SPECT提供高度敏感,这两种技术有几个缺点,包括放射性核素泄漏成不属预定目标的细胞(45),有限的时间窗口成像由于半衰期衰减,降低空间分辨率磁共振成像相比,电离辐射的发射,可能影响干细胞增殖和生存。

多能干细胞有许多相同的属性与癌症细胞,包括自我更新、增殖迅速,缺乏接触抑制,以及端粒末端转移酶的活动(46,47]。此外,细胞操作,如体细胞重编程的诱导多能干细胞(万能),报告基因的转染和生存基因的过度表达,可以产生意想不到的肿瘤发生的副作用。畸胎瘤的形成是另一个担忧,连同其潜力退化成恶性畸胎瘤(46]。考虑到这些风险,了解干细胞致瘤性为未来的临床应用是至关重要的。

一项研究使用含有酶的双融合记者萤火虫荧光素酶(美国人)和GFP表明畸胎瘤的形成取决于细胞数量。评估在八周,至少1×105心肌内的老鼠注射需要为其形成畸胎瘤(48]。此外,较低的阈值为1×104个细胞后后肢注射需要形成畸胎瘤、提供洞察利基的依赖49]。由于血管生成发挥重要作用在肿瘤的生长和发展,重要的是要调查不仅肿瘤本身,而且它支持基质。一项研究用钠碘同向转运(NIS)记者成像显示,msc积极追踪肿瘤增长,它们分化成血管和支撑结构50]。的upregulationαvβ3整合素在肿瘤血管生成中发挥作用。其中一项研究使用直接PET成像^64年Cu-DOTA-RGD4目标αvβ3整合素,成功地可视化在活的有机体内hESC畸胎瘤形成在老鼠模型中。这些发现表明整合蛋白在畸胎瘤的形成和血管生成发挥重要的作用。此外,PET成像可能有前途的临床适用性监测致瘤性在人类因为BLI缺乏渗入组织的能力。

由于畸胎瘤形成的风险,有一个报告基因,作为一个成像形态以及故障保险自杀开关是非常可取的。一项研究使用HSV1-tk宠物记者成像有选择性地破坏新兴畸胎瘤并更昔洛韦的管理。未来的发展方向为减轻致瘤性的风险不仅包括使用reporter-suicide基因,而且向量和transgene-free重编程体细胞的万能和长期的多峰性成像能够观察新兴肿瘤细胞和他们的支持基质。

虽然大量的信息已经知道生存,biodistribution,致瘤性,和多能干细胞免疫原性,重要的知识差距依然存在。分子成像将继续发挥关键作用在回答关于临床应用的关键问题以及在帮助我们了解干细胞生物学的潜在机制。

事实上,一个新的显像剂,radio-labelled刺猬,检测癌症干细胞,从而具有成像“干细胞的肿瘤细胞通过正电子发射断层扫描(PET)在乳腺癌患者,根据试验研究结果,发表在美国癌症研究协会第101届年会2010年。詹妮弗Sims-Mourtada博士RadioMedix分子研发主管,Inc .,休斯顿,德克萨斯州和同事测试的能力检测乳腺癌癌人群使用蛋白质,声波刺猬与正电子同位素放射性标记的镓- 68。增加激活hedgehog途径是观察到的癌症干细胞和恶性肿瘤。绑定的radio-labelled刺猬patched-1刺猬乳腺癌细胞表面的受体发生,表明潜在的乳腺癌的分子成像的宠物。显著增加绑定在文化丰富乳腺癌干细胞样细胞。

7所示。结论

更多的在活的有机体内必须进行分子成像的研究来证实这些细胞的长期生存。干细胞治疗的安全性的致瘤性和免疫排斥反应也必须彻底检查。为此,分子成像研究的能力评估癌症的风险形成长期的免疫抑制或评估方法可行的移植是非常重要的。

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肿瘤学杂志

乳腺癌的分子成像

文摘