全身體積描記系統（whole-body plethysmograph，WBP）可對清醒自由活動動物呼吸參數進行測量，如呼吸頻率，潮氣量，氣道高反應性測試（Airway hyperresponsiveness，AHR）等。測試過程中，動物可以處于清醒自由狀態，避免了創傷性氣管切開及麻醉的影響，使實驗過程更加簡便，用于呼吸系統模型動物對藥物等反應性研究，呼吸性藥物的藥理和毒理學研究，特別適合于大批量動物快速初篩試驗，適合長期跟蹤研究和重復性篩查。全身體積描記系統也被應用于肺纖維化的研究中。
 
       目前，肺纖維化的發病率和死亡率逐年增加，同時，臨床上仍缺乏有效的治療手段。研究表明，間充質干細胞可通過包括旁分泌作用、線粒體轉移和誘導巨噬細胞極化在內的多種機制治療肺部炎癥并緩解肺纖維化的進程。但目前干細胞治療仍面臨著移植后干細胞難以監測、在肺部滯留時間短和存活率低等問題。 
      針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳航榕研究員和馬明副研究員團隊利用“金屬卟啉誘導多尺度自組裝”策略構建了一種新型多功能探針，用于輔助干細胞治療。該復合探針由具有臨床應用潛力的原卟啉氯化鈷（CoPP）、金納米顆粒和超順磁Fe3O4納米顆粒三種功能組分構成，并借助無銅點擊化學實現對干細胞的高效生物正交標記。該自組裝納米探針無需借助額外載體和表面活性劑，可在較低劑量下有效發揮每個組分的相應功能。具體來說，該納米探針所具有的CT造影成像和磁操控兩種功能分別解決了干細胞在肺部難以監測和滯留時間短的問題；探針在干細胞微環境中通過緩釋抗氧化藥物CoPP有效提高干細胞的存活率和修復效果等。通過進一步構建肺纖維化小動物模型，證實了相較于單獨干細胞治療組，這種多功能自組裝納米探針介導的干細胞治療能夠顯著緩解纖維化癥狀并促進肺功能恢復，具有良好的臨床應用潛力。   

• 多功能探針的制備示意圖；（b）探針用于標記干細胞和肺纖維化治療應用示意圖；（c）碗狀多功能探針的TEM圖像;（d）高角環形暗場像照片和元素分布圖像；（e）多功能探針標記干細胞后的顯微圖像，紅色箭頭表示細胞內的探針顆粒。 

 

• 博萊霉素誘導的肺纖維化模型及骨髓間充質干細胞移植

36只雄性C57BL/6小鼠適應1周，隨機分為6組： (1)對照，(2) PF，(3) PF +生理鹽水，(4) PF + MSC，(5) PF + ASCP-BCN標記MSC，(6) PF + ASCP-BCN標記MSC +磁鐵（n = 6）。 用博萊霉素（BLM）誘導肺纖維化。簡單地說，小鼠被麻醉，將BLM（5 mg/kg）溶于100μL無菌生理鹽水中，通過氣管插管緩慢注入氣管腔。生理鹽水組小鼠僅給予100μL無菌生理鹽水。給藥后第7天重復上述步驟。將未標記的間充質干細胞和標記的間充質干細胞（每只小鼠1×106個細胞）放在100 μL生理鹽水中，在第一次注射BLM后第10天氣管內移植到小鼠肺中。在PF + ASCP-BCN標記的MSC +磁體組中，每只小鼠的胸部都附著一個NdFeB磁體。第一次注射BLM后第28天處死小鼠，取肺組織。

• 肺功能評價

在第一次注射BLM后的第28天，給小鼠稱重，并將其放入WBP全身體積描記系統中，記錄其肺功能數據。然后采集小鼠的肺以進行進一步的鑒定。取出每只小鼠的一個肺葉，輕輕擦拭其表面的血液。將肺組織稱重，在60℃下烘烤72 h。再次稱重干肺組織，測定肺的濕干比。用HYP檢測試劑盒檢測肺組織中的HYP濃度。

• ASCP-BCN標記的骨髓間充質干細胞及磁性操作對PF的治療作用。

• MSC治療博萊霉素誘導的PF小鼠模型的實驗方案。（b-e）小鼠肺功能沒有治療（控制）和骨髓誘導PF模型小鼠不同治療（鹽水、間充質干細胞，ASCP-BCN標記間充質干細胞，和ASCP-BCN標記間充質干細胞+磁操作）后28天第一次注射骨髓：
• 呼吸每分鐘，(c)呼氣流量量50%的肺活量，(d)峰值吸氣流量，和(e)的呼氣流量峰值。

(f)肺內HYP的含量。
(g)各組肺的濕干比。
(h)各組肺切片的代表性H&E染色圖像、Masson三色染色圖像、α-SMA免疫組化染色圖像。
(i)通過H&E染色對應的Ashcroft評分評估PF的嚴重程度。
(j)Masson三色染色測定肺膠原沉積面積百分比。
(k)免疫組化染色顯示α-SMA陽性細胞的百分比。
(l)肺組織中α-SMA和TGF-β的免疫blot分析，(m)相應的α-SMA和TGF-β蛋白的相對表達水平。
 

• 骨髓間充質干細胞對PF的治療作用 

為了評估ASCP-BCN標記的骨髓間充質干細胞在PF治療中的可行性，實驗采用了博萊霉素（BLM）誘導小鼠PF模型。BLM干預導致小鼠肺功能顯著降低，表現為每分鐘呼吸量（MV）的增加、50%肺活量下的呼氣流量（EF50）、吸氣流量峰值（PIF）和呼氣流量峰值（PEF）的增加。骨髓間充質干細胞移植后可輕微降低上述肺功能參數，ASCP-BCN標記的骨髓間充質干細胞移植和磁吸引進一步減輕上述肺功能參數，說明其在促進骨髓間充質干細胞治療效果中發揮重要作用。特別是，ASCP-BCN標記的MSCs +磁操作移植組小鼠的呼吸頻率和吸氣流量峰值幾乎達到了對照組小鼠。更重要的是，標記間充質干細胞移植和磁操作不僅降低了纖維化肺中的羥脯氨酸（HYP）濃度，而且降低了炎癥引起的肺濕干比。
 
相關研究成果近期以“Cobalt protoporphyrin-induced nano-self-assembly for CT imaging, magnetic-guidance, and antioxidative protection of stem cells in pulmonary fibrosis treatment”為題發表在Bioactive Materials（2023,21,129）期刊上。 
相關鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22003383 
 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300669