背景和目的在组织工程及骨缺损修复领域,干细胞的移植治疗引起了人们的广泛关注,同时,在临床试验中,干细胞移植也被广泛应用,并取得了一定的成果。然而,对植入干细胞的位置和局部浓度的实时、无损的示踪仍旧是摆在医生及科研工作者面前的巨大挑战,这个问题成了阻碍对临床治疗中的骨修复过程理解的巨大的障碍。CT是除X射线检查以外的对骨骼系统检查的首选影像学检查方法,尤其对于骨皮质、骨痂等高密度物质显示效果最佳。CT成像的特点是图像采集时间短、具有高空间分辨率（50～200μm）、可整体成像、费用相对低廉等。尤其是双能CT的出现为活细胞的在体示踪提供了一个新的手段。针对这一问题,本文设计了一种新型的检测手段,包括使用表面修饰技术以提高金纳米颗粒（Au NPs）和稀土纳米材料生物相容性和被细胞吞噬量,使用双能CT成像技术完成活体干细胞示踪。内容与方法1.金纳米颗粒（Au NPs）是使用柠檬酸钠还原氯化金酸溶液的方法合成的,之后在金纳米颗粒表面包裹一层薄硅层合成Au NPs@SiO2纳米颗粒,再之后在Au NPs@SiO2纳米颗粒的表面进行表面修饰合成Au NPs@SiO2-TS纳米颗粒。观察人骨髓间充质干细胞（h BMSCs）对金纳米颗粒的吞噬作用,同时研究金纳米颗粒对人骨髓间充质干细胞（h BMSCs）的活性、细胞毒性以及细胞的周期的影响,同时观察金纳米颗粒对脊髓间充质干细胞增殖、成骨细胞分化及成脂分化和成软骨细胞分化的影响,探讨其对干细胞的影响。2.通过双能CT（DECT）体外观察经过金纳米颗粒标记的骨髓间充质干细胞与骨组织之间的成像关系。3.我们建立了兔子的骨缺损模型,进行骨髓间充质干细胞移植治疗骨缺损,利用双能CT成像技术进行分子影像学观察,体外观察骨髓间充质干细胞在骨缺损治疗中的情况。首次证实应用细胞探针技术标记的干细胞可以被临床常规CT或双能CT（DECT）仪器进行示踪。4.在利用金纳米颗粒研究双能CT方法对骨修复过程中干细胞示踪的基础上,使用稀土纳米材料进一步检测使用纳米颗粒造影剂标记的干细胞在骨修复过程中使用双能CT进行体内示踪的可行性及有效性。结果1.研究结果显示,共培养一天之后,表面修饰的金纳米颗粒的吸收量高达每细胞～255pg的量（～255pg/cell）,并且在14天之后金纳米颗粒的数量并未发生明显的减少。与此同时,修饰过的金纳米颗粒（Au NPs）对细胞的活性、细胞毒性以及细胞的周期均没有显著影响,另外,这种金纳米颗粒对骨髓间充质干细胞的成骨、成软骨和成脂分化能力也没有显著影响。2.通过使用适当的分解方法将双能CT成像的数据进行后期处理,Au NPs@SiO2-TS纳米颗粒和骨组织的数据可以被分离开并且呈现各自的分布图,奠定了使用双能CT成像技术进行Au NPs@SiO2-TS纳米颗粒标记干细胞的成像和将植入的Au NPs@SiO2-TS纳米颗粒标记干细胞与正常骨组织分离的基础。3.这种在细胞标记领域的成功进展首次证实了用细胞探针技术标记的干细胞可以被临床常规CT或双能CT（DECT）仪器来示踪。本次研究中的成像结果表明了干细胞向骨皮质缺损位置迁移的趋势。本次研究表明,金纳米颗粒可以成为一种潜在的细胞纳米探针,实现了临床分子影像学技术,达到了无创、实时观察干细胞在组织修复过程中的情况的目的,这一研究结果为观察和研究干细胞治疗机制带来了一种新颖且直观的检测手段。4.利用SiO2-TS包裹NaLnF4稀土纳米颗粒可以大大提高稀土纳米颗粒的吞噬量,同时不会对细胞的活性和功能产生影响。当NaLnF4稀土纳米颗粒浓度水平为107/ml时,CT值可以达到200HU以上,这个CT值可以在双能CT成像中提供足够量的信号,并且可以使NaLnF4稀土纳米颗粒的信号从骨组织中分离出来。与此同时,NaLnF4稀土纳米颗粒标记后在细胞中的可探测时间可以长达14天,这样的时间长度保证了对干细胞的长期观察。结论1.在本文中,我们针对骨缺损的治疗领域无损的、实时的细胞示踪技术相对缺乏的现状,设计了一种新颖的研究方法。在这种研究方法中,我们对两种纳米颗粒特别设计了表面修饰操作,修饰后的两种纳米颗粒在标记骨髓间充质干细胞时具有高剂量和低毒性的特点,并且在14天的研究中,修饰后的两种纳米颗粒对BMSCs的功能没有产生影响。这一成功的进展使得临床双能CT成像技术有机会实现对两种纳米颗粒标记的干细胞在骨修复过程中的示踪。2.双能CT成像技术被用于将造影剂与骨骼和两种纳米颗粒标记的骨髓间充质干细胞区分开来。通过使用这些工具,我们发现在14天的时间中,标记的干细胞的体量没有发生明显的变化,同时我们发现,标记的干细胞逐渐向骨皮质缺损方向转移。总而言之,本文首次利用临床双能CT成像技术实现了骨髓间充质干细胞在骨组织修复过程中的转移情况的实时观察,这一研究方法为进一步研究干细胞剂量的优化以及骨组织修复过程中干细胞的体量和重要作用等问题提供了有效的研究手段。