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急性心肌梗死（Acute myocardial infarction,AMI）是在冠状动脉病变的基础上,冠状动脉的血流急剧减少或中断导致的心肌缺血性坏死。心梗也是心血管疾病中死亡率最高的疾病。心梗后出现严重心律失常、心衰、休克,可进一步使梗死面积扩大。从上个世纪至今,心梗治疗经历了心脏移植、药物治疗、手术再通、以细胞治疗为主的心脏再生疗法等具有里程碑意义的方法技术的发展。但药物、手术等治疗手段无法再生坏死心肌,使得干细胞再生疗法在近年来成为研究的热点。其中,人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（human induced pluripotent stem cells derived cardiomyocytes,hi PSC-CMs）是具有巨大治疗潜力的用于修复损伤心脏的细胞类型。尽管干细胞再生疗法发展迅速且有着良好的应用前景,但干细胞移植后在体内的存活、增殖、分化、迁移等作用机制和安全性等问题仍不明确。活体水平研究的不足以及临床转化的脱节极大地制约了干细胞再生真正推广走向临床应用。因此,移植干细胞的在体生物学行为与疗效连续评估的影像学监测至关重要。分子影像学是分子生物学和现代医学影像学相结合的前沿交叉领域,它能无创地从分子水平反映细胞在体内的生物过程并能对其进行定性定量分析。目前常用的分子影像学技术方法包括光学成像、正电子发射断层显像（positron emission tomography,PET）、磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）、超声成像等。这些影像技术均有各自的优缺点,但没有哪一种单一影像模态能同时涵盖高灵敏度和高分辨率的成像要求。我们仍需进行多模态影像方法的研究和创新,以进一步解决干细胞治疗临床转化相关问题。为此,本研究通过新一代CRISPR/Cas9（clustered regularly short palindromic repeats/CRISPR-associated nuclease 9）基因编辑技术将携带三重融合报告基因TF（triple fusion）的质粒整合至人尿液来源诱导多能干细胞（human urine-derived induced pluripotent stem cells,h Ui PSCs）中,构建了TF-h Ui PSCs细胞系,并进一步将其分化为心肌细胞（TF-h Ui CMs）。体外水平实验证实,经CRISPR/Cas9基因编辑后,TF-h Ui PSCs及TF-h Ui CMs细胞系均分别维持干细胞和心肌细胞的基本特性,且具有良好的生物发光和PET分子影像成像能力;体内实验证实,报告基因成像系统成功监测了移植TF-h Ui CMs的存活、增殖、迁移等在体生物学行为;移植细胞通过改善左心室收缩功能、微血管形成及葡萄糖代谢等发挥心脏保护作用。本研究将最新的基因工程技术与干细胞的体外、体内成像应用相结合,以实现hi PSC-CMs治疗的临床转化潜力。第一部分CRISPR/Cas9技术构建携带多重报告基因干细胞本项研究首次利用CRISPR/Cas9技术对人类尿液来源的诱导多能干细胞进行基因编辑,将含有单体红色荧光蛋白（mrfp）、萤火虫荧光素酶（fluc）和单纯疱疹病毒胸苷激酶（hsvtk）的报告基因质粒整合至干细胞的AAVS1基因位点上,得到携带多重报告基因的TF-h Ui PSCs,并对其多能性进行了多角度的验证。该报告基因细胞系含有的mrfp可评价转染过程中表达细胞的比例,fluc和hsvtk可分别实现生物发光成像（bioluminescence imaging,BLI）和PET成像。同时也通过细胞活力和增殖能力等多项指标,证明了外源性报告基因对干细胞本身活性和增殖能力无负面影响,为进一步细胞和动物实验奠定了基础。第二部分报告基因细胞系体外成像能力及移植TF-h Ui CMs的在体命运示踪该部分对TF-h Ui PSCs及TF-h Ui CMs进行了体外和体内成像研究。尤其是,从细胞和动物水平实现了TF-h Ui CMs的多模态成像能力,实时、连续地对移植后TF-h Ui CMs的在体命运进行监测。针对细胞移植后存活率低下的问题,在移植前对TF-h Ui CMs作了促存活方案预处理,在体多模态成像显示TF-h Ui CMs在移植后5周内信号强度逐渐增强,表明移植细胞在体内的存活与增殖。在体多模态成像监测了移植细胞在体内定植、增殖及迁移等一系列生物学行为。第三部分急性心肌梗死的TF-h Ui CMs移植治疗作用及潜在机制研究该部分对移植TF-h Ui CMs细胞的心功能改善作用作了探究。移植细胞通过改善心脏梗死交界区的微血管密度,调节葡萄糖代谢等途径,促进梗死心脏的心功能提升,表现为左心室射血分数和左室短轴缩短率的改善。与远端心肌相比,移植后5周的TF-h Ui CMs仍表现为不成熟的表型,肌节结构类似胎儿心肌细胞。基因组RNA测序表明在缺血缺氧微环境下的TF-h Ui CMs葡萄糖代谢途径上调,VEGF信号通路关键基因表达上调,与在体葡萄糖代谢评估和离体微血管密度反映的实验结果一致,有助于理解TF-h Ui CMs心脏保护作用的潜在机制。本研究有望为干细胞移植后在体命运示踪和功能研究提供思路。