第 194 期 2007-03-29

研究發展
以矽包裹的磁性奈米粒子有效標定幹細胞 (Bifunctional Magnetic Silica Nanoparticles for Highly Efficient Human Stem Cell Labeling)

如何確實掌控幹細胞移植進入生物體後的分佈動向，決定了幹細胞治療應用成功與否的關鍵。隨著奈米科技在生物醫學應用上的發展，以超順磁性奈米粒子(superparamagnetic nanoparticles, SPIO)，例如以氧化鐵奈米粒子標定(labeling)幹細胞，再以磁振造影(magnetic resonance imaging, MRI)儀器偵測細胞內磁性訊號，是目前最有效、最適當的方法。然而，單純的超順磁性奈米粒子本身，並無法有效進入細胞內發揮細胞標定的功能(愈多超順磁性物質進入細胞，磁振造影儀器偵測到的磁性訊號愈強)，因此限制了超順磁性奈米粒子在幹細胞磁振造影追蹤的應用性。

為了改善細胞標定功能不彰的問題，目前的研究趨勢是以各種不同材質或化學官能基修飾超順磁性奈米粒子，以期藉由增加奈米粒子與細胞之間的相容性或交互作用(interaction)，增加超順磁性奈米粒子進入幹細胞的能力。遺憾的是，這些為了改善細胞標定的修飾作用，卻可能增添了危害生物細胞安全性，或是細胞標定效果改善情況仍然不如預期的困擾。因此，「細胞標定效率」以及「細胞生物安全性」，正是超順磁性奈米粒子應用在幹細胞追蹤時，最需要考量及克服的兩大難題（請參閱國衛院電子報第116期「如何追蹤幹細胞 Stem Cell Tracking in Reparative Medicine」）。

在細胞安全性方面，就目前的研究發展現況而言，對於要怎樣衡量何謂安全無虞的奈米粒子尚無定論；而研究者所採取的策略，是儘量以與生物細胞安全性相容的奈米材質做修飾，並以各種不同分析標準，例如細胞存活度、細胞增生能力、細胞分化或是微陣列(microarray)基因分析等方法，評估修飾後之超順磁性奈米粒子在幹細胞標定或日後追蹤應用時，是否安全無虞。其次，在細胞標定效率方面，則是大多研究者積極投入且亟欲解決的問題。然而，不論這些修飾為何或選用何種材質，大部分的結果都是差強人意。

為了彌補細胞標定效率上的缺陷，有些研究採用高濃度的超順磁性奈米粒子與細胞作用或是延長作用時間，以利奈米粒子能有更多機會進入細胞內；有些研究則是在磁振造影偵測細胞時，以較多數的細胞（愈多細胞則能有愈多的超順磁性物質以利磁振造影），或是高磁場強度的磁振造影系統（高於臨床上常用之1.5T或3T，愈高磁場強度之下，超順磁性物質表現磁性訊號愈強），提升細胞偵測時所能測到的磁場訊號。然而，高濃度的超順磁性奈米粒子或長作用時間與細胞反應，增加了奈米粒子對細胞毒性傷害的疑慮；大量細胞的需求或高磁場強度的磁振造影系統，又可能造成了實際應用上的窒礙難行。因此，發展一個能克服上述缺點，同時兼顧高細胞標定效率以及細胞安全無虞的超順磁性奈米粒子，便成為研究幹細胞追蹤以及奈米醫學研究領域中，一個刻不容緩並且炙手可熱的重要課題。

本院奈米醫學研究中心，結合台大化學系、本院幹細胞研究中心、台大醫學院附設醫院檢驗醫學部以及影像醫學部，發展了以二氧化矽為材料的相關奈米粒子，研究這些奈米粒子在幹細胞追蹤以及其他奈米醫學的應用。在幹細胞追蹤方面，我們先前的研究發現，一種多孔性的矽奈米粒子（mesoporous silica nanoparticles, MSNs）可以很有效地進入人類幹細胞中，並且具有相當好的細胞安全性（請參閱國衛院電子報第116期以及The FASEB J 19: 2014-2016, 2005.）。在後續的研究中，我們合成了以氧化鐵奈米粒子為核心(core)，外圍再以矽為外殼包裹形成一個約50奈米大小的超順磁性奈米粒子。同時由於二氧化矽本身容易修飾的特性，我們又在此超順磁性奈米粒子表面以螢光分子修飾，形成了一個兼具螢光特性及超順磁性的雙效(bifunctional)可偵測性粒子，簡稱為SPIO@SiO2(FITC)。我們將SPIO@SiO2(FITC)用於幹細胞的標定研究發現，SPIO@SiO2(FITC)可在低濃度而且很短的作用時間進入人類幹細胞中，而經由SPIO@SiO2(FITC)標定過的幹細胞可在極少的細胞數條件下，以臨床上最常用的低磁場強度(1.5T)的磁振造影系統進行活體外甚至是動物體內的偵測。同時，這些標定過的幹細胞的細胞存活度、細胞生長情況，以及細胞分化能力，並不受SPIO@SiO2(FITC)的影響。

這是第一個以人類幹細胞為研究模式，可以同時達到低奈米粒子濃度、作用時間短、偵測所需細胞數少並且是以臨床可用之磁振造影系統偵測等諸多高細胞標定率的條件，又符合目前細胞安全標準的超順磁性奈米粒子。這些研究進展，不只將有助於日後幹細胞用於臨床治療時的追蹤，以利評估療效鑑定，也可提供一個新契機，發展更合用之超順磁性奈米粒子；同時，也能在其他奈米醫學研究上，開拓新的應用價值。這些研究發現已發表於Nano Letters 7: 149-154, 2007. (SCI, 1/27, I.F. 9.847)
《文：黃東明；攝影：沈世華》