干细胞疗法对心肌梗死和心力衰竭等心脏疾病表现出良好的治疗效果，近年来得到广泛的研究。对心脏移植干细胞的细胞行为进行高穿透性和高精准度的影像示踪是心脏干细胞疗法临床转化的关键所在。目前，电子计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等技术常被用于活体干细胞示踪。然而，这些技术难以实现实时的观察定位，在心脏的持续运动下成像的分辨率和准确性受到了较大的限制。因此，在干细胞的心脏再生应用中，迫切需要一种具有足够组织穿透能力和高分辨率的多模态、正对比成像探针，以实现对心脏移植干细胞的有效示踪。

  表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有高特异性、高分辨率、高稳定性、高信噪比，以及操作简便等优势，在生物医学领域表现出良好的应用前景。浙江大学周民研究员团队近年来在拉曼影像生物医学应用领域持续开展工作，发表了一系列相关研究论文（Advanced Sciences 2021；Biomaterials 2021; Biomaterials 2020; WIREs Nanomedicine & Nanobiotechnology 2021; Acta Pharmaceutica Sinica B 2018）。通过基于纳米拉曼探针的SERS技术，实现了对腹腔卵巢肿瘤/结直肠肿瘤的高效识别，实现了肿瘤病灶的精准切除和术后清扫。周民团队前期也开展了基于银纳米材料SERS技术监控下的耐药菌感染伤口灭菌及促愈合研究。

  近日，浙江大学周民研究员团队在材料领域期刊《Advanced Functional Materials》在线发表题为 “Simultaneous Deep Tracking of Stem Cells by Surface Enhanced Raman Imaging Combined with Single-Cell Tracking by NIR-II Imaging in Myocardial Infarction”的研究论文。该工作率先提出了利用拉曼影像技术用于干细胞活体示踪。利用拉曼影像技术的高灵敏度和高分辨率特征，将其应用于干细胞活体示踪，实现了干细胞活体高灵敏度、高分辨率成像。同时结合二区成像的高组织穿透率能力，实现了深层组织干细胞成像。该研究基于金纳米星构建了具有二区荧光/表面增强拉曼双模态成像功能的新型纳米探针 (GDS NPs)。利用此探针实现了心脏注射干细胞的深度和高分辨率活体示踪。

图1. 干细胞拉曼影像/二区荧光双模态成像示意图

  本研究设计了一种由金纳米星和硫化银量子点构成的新型纳米探针，用于心肌梗死治疗过程中间充质干细胞的SERS/NIR-II双模态活体示踪。基于拉曼信号分子标记的金纳米星，可以进行高分辨率拉曼成像，并通过结合硫化银量子点，进一步实现具有高组织穿透性的NIR-II荧光成像。经过标记后，间充质干细胞注射进入心脏梗死区域，并使用拉曼和荧光成像进行持续监测。NIR-II荧光成像技术使我们能够动态评估标记干细胞在体内的分布和代谢情况，而拉曼成像则可以进一步得到标记干细胞在心脏组织中的精确定位，从而揭示干细胞在心脏部位的分布及迁移模式，并同时划分出正常组织和注射区域之间的精确边界。此外，这种探针具有良好的生物相容性，标记后干细胞的生物功能并未发生显著的改变，心超及切片染色等结果也均表明GDS NPs不会对干细胞的心梗治疗效果产生不利影响。综上所述，通过SERS/NIR-II双模态成像可以实现高穿透性和高分辨率的干细胞示踪，并具有良好的生物相容性，在干细胞示踪领域表现出广阔的应用前景。

图2. 皮下干细胞拉曼/二区荧光双模态成像

图3. 干细胞拉曼影像

  浙江大学硕士生华诗远为本文的第一作者，博士生钟淑涵、何健为本文的共同第一作者，周民研究员和胡新央教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了浙江大学附属第二医院眼科中心、浙江大学转化医学研究院、浙江大学附属第二医院心内科、浙江大学现代光学仪器国家重点实验室等的大力支持。该研究也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100468

  课题组主页：https://person.zju.edu.cn/mi