脑卒中是国际上致死致残的第二大疾病,由于损伤或者死亡的神经细胞很难再生,同时目前介入治疗、手术等以恢复神经功能的治疗方法效果有限,因此,脑缺血损伤的治疗仍存在瓶颈。最近,应用成体干细胞如神经干细胞(neural stem cells, NSCs)的细胞疗法在增强组织修复和功能恢复方面给人们带来了很大的希望。NSCs可以分化成各种类型的神经细胞,因此对脑缺血损伤拥有巨大的治疗潜力。但是,免疫排斥风险及伦理问题却又极大的限制了其临床应用。因此,找到一种能代替NSCs的自体来源的全能干细胞变得尤为迫切。近十年来,诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)的出现避免了免疫排斥问题及伦理问题。研究者通过激活特定的转录因子而实现体细胞的再编程,进而得到iPSCs。iPSCs在体外被证实能够分化为前体神经干细胞以及神经细胞,包括神经元和神经胶质细胞等。另外,传统中药也是一种治疗神经系统疾病(尤其是脑卒中)非常有效的方法。作为其中的代表,清开灵能够清热化痰、醒脑开窍、活血化瘀、解毒止痛,具有治疗急性出血性和缺血性脑血管病的双重疗效,可降低局灶性缺血脑梗死面积,改善神经功能损伤,同时使内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)水平升高而保护脑缺血损伤。然而,为了更好的研究iPSCs在体内的生理过程及疗效,运用无创、敏感、适用于临床的细胞示踪方法及疗效评估方法是必需的。因为正电子发射断层(positron emission tomography, PET)在临床上可用于病人的在体细胞追踪及疗效监测,所以这一影像模式是评估干细胞疗效最合适的方法之一。其中,’8F-FDG PET显像目前是一种研究神经系统疾病发病机理及进程的有力工具。一方面,尽管iPSCs、NSCs以及中药清开灵已经被证实可以促进中枢神经系统损伤后的功能恢复,但是还没有直接将两种干细胞及干细胞联合中药清开灵应用在脑缺血动物模型中的报道。因此,在本研究中我们直接比较iPSCs及NSCs的治疗作用,并研究干细胞联合中药是否会有更好的效果。另一方面,单一的分子影像技术并不能提供全面的生理信息,难以实现对干细胞移植后的紧密示踪。通过两种或者多种成像技术的融合,实现优势互补,能够更全面地进行干细胞示踪和获取生理信息等。第一部分：时空动态的PET影像活体监测诱导多功能干细胞、神经干细胞及中药清开灵治疗脑缺血损伤大鼠模型的研究我们应用大鼠脑缺血损伤模型,用18F-FDG microPET活体、动态评价iPSCs、 NSCs以及中药清开灵对大鼠脑缺血损伤的治疗效果。制作大鼠脑缺血模型,次日,开始每日给予清开灵注射液注射治疗,脑缺血再灌注3天后,将培养的带有绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)标记的iPSCs和NSCs进行侧脑室定位移植,对照组注射同体积的磷酸盐缓冲液(phosphate buffer solution, PBS).于脑缺血损伤后次日及干细胞移植后1周、2周、3周和4周进行microPET扫描,同时进行神经行为学评价。作为“核医学金标准”,于第4周做完神经行为学评价和18F-FDG microPET扫描后,各组立即取1只大鼠用于放射自显影检测,以确认microPET扫描结果。剩余大鼠经生理盐水及预冷的4%多聚甲醛(PH 7.4)灌注固定。然后取大脑做免疫组织化学和免疫荧光染色,以了解移植干细胞在脑内的存活及分化情况。结果显示：与PBS对照组相比,4周时间内两个干细胞治疗组、清开灵治疗组及两个联合治疗组大鼠梗死侧18F-FDG摄取都显著升高。其中,iPSCs联合清开灵治疗组在4周时间内葡萄糖代谢恢复一直稳步增加,并在第3周和第4周显著高于iPSCs组(P<0.01)。第1周NSCs联合清开灵治疗组的18F-FDG摄取最显著,随后逐渐下降,而第4周iPSCs联合清开灵治疗组最显著。从第3周开始,五个治疗组的神经功能学评分显著高于PBS对照组。另外,18F-FDG PET成像结果与神经功能恢复(P<0.01)以及葡萄糖转运体1 (glucose transporter-1, GLUT-1)阳性细胞数(P<0.01)之间具有显著相关性。免疫组织化学结果提示iPSCs联合清开灵组的GFAP表达显著高于iPSCs组。免疫荧光结果提示移植的iPSCs存活并迁移至梗死区域,并且表达神经元、胶质细胞及血管内皮细胞标志物,移植的NSCs存活并迁移至梗死区域,并且表达神经元、胶质细胞标志物。时空动态的18F-FDG PET成像等结果显示,iPSCs. NSCs分别联合清开灵(尤其是iPSCs联合清开灵)能够更加促进脑缺血再灌注损伤后的代谢和功能恢复。与iPSCs单独治疗相比,iPSCs联合中药清开灵是一种更好的治疗方法。第二部分：双模式分子影像活体监测iPSCs移植治疗缺血性脑损伤的实验研究iPSCs是一种万能干细胞,类似胚胎干细胞(embrvonic stem cells, ESCs),有发育成任何组织或器官的潜力,有可能成为安全、有效、可控地解决人类面临的一些医学难题的重要方法。活体、无创、长期、反复、实时动态监测iPSCs治疗的可视化技术将成为深化研究iPSCs的关键技术。本研究利用转染sr39tk-I-fluc(突变胸苷激酶与荧光素酶)双报告基因的iPSCs,实施大鼠脑缺血模型的干细胞移植治疗；通过microPET和光学分子成像,活体状态下直接观察sr39tk-I-fluc双基因的表达状况,实现对移植iPSCs实时监测；本研究同时致力于评价移植iPSCs在体内的分布、存活、生长、迁移等信息。我们实现了对iPSCs治疗的在体、无创、动态、双模式分子影像监测。从整体上阐明和揭示了iPSCs在活体的动态变化规律,为iPSCs研究提供了新策略。