自聚焦超聲在動物離體皮下脂肪組織中的融脂效應(yīng)研究*

Pranima Maharjan 惠 春*

近年來，高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)在脂肪組織的無創(chuàng)消融領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1-5]。聚焦超聲技術(shù)—通過破壞脂肪細胞，達到無傷性塑身的目的[6-13]。脂肪細胞的消融有兩種機制，即機械效應(yīng)和熱效應(yīng)[2]。然而，有關(guān)脂肪組織的聚焦超聲生物學融脂效應(yīng)基礎(chǔ)實驗以及不同頻率對不同層次的脂肪生物學融脂效應(yīng)研究卻報道甚少。

皮下脂肪層分為淺表脂肪層(superficial adipose tissue，SAT)和深層脂肪層(deep adipose tissue，DAT)。SAT結(jié)構(gòu)一致且緊密，而DAT結(jié)構(gòu)不明確和松散[14]。對于不同脂肪層次，其脂肪的聚焦超聲生物學融脂效應(yīng)也不同。本研究旨在為不同輻照時間和功率的條件下聚焦超聲對不同皮下脂肪層的生物融脂效應(yīng)研究提供實驗及臨床應(yīng)用依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

(1)采用ZH-2000型HIFU治療系統(tǒng)(上海交通大學與江蘇中惠醫(yī)療科技股份有限公司聯(lián)合研制)進行離體組織生物學效應(yīng)實驗。使用UPM-DT-1 AV型聲功率測試儀測試超聲功率。

(2)實驗其他材料包括離體動物組織豬皮下脂肪、12孔板、移液槍、超聲耦合劑、MTT染色劑、生理鹽水及標尺等。

1.2 實驗方法

(1)取屠宰后6 h內(nèi)的新鮮離體豬皮下脂肪組織。實驗分為使用高頻(6.5 MHz)和低頻探頭(3 MHz)的兩組換能器，其工作參數(shù)超聲功率分別為2 W、3 W、4 W和5 W，輻射時間分別為5 s、10 s、40 s、60 s和80 s。將離體動物豬皮下脂肪上涂一層耦合劑，聚焦超聲探頭緊貼于實驗樣品表面，探頭縱軸盡量垂直于作用面。在不同實驗條件下對不同靶目標進行輻照，并將輻照實驗結(jié)束后的每組脂肪切為片狀至脂肪損傷點的最大面。輻照后的脂肪立刻采用MTT染色方法染色[15]。

(2)染色的步驟為：①將輻照后的脂肪塊立刻放入10 ml生理鹽水；②放入2.5 mg/ml的MTT試劑置于37 ℃恒溫箱3～4 h；③使用數(shù)碼相機對染色后的脂肪塊拍照。

(3)染成紫色的部分表示正常的脂肪組織區(qū)域，未著色區(qū)為融脂效應(yīng)引起的脂肪結(jié)構(gòu)變性區(qū)域。測量損傷區(qū)的橫向和縱向直徑，計算融脂生物學效應(yīng)的生物學焦域(biological focal region，BFR)＝ ×長×寬。

2 離體皮下脂肪生物學融脂效應(yīng)實驗

不同工作參數(shù)條件下產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)區(qū)域如圖1所示；BFR面積比較見表1。

圖1 聚焦超聲輻射后未接受MTT染色的皮下脂肪塊

表1 不同超聲功率在不同輻照時間下生物學融脂效應(yīng)面積比較(深脂肪層，6.5 MHz)

(1)換能器頻率為6.5 MHz時聚焦超聲輻射后接受MTT染色的脂肪塊(如圖2所示)。

圖2 淺表脂肪層經(jīng)聚焦超聲輻射后接受MTT染色的脂肪塊

(2)換能器頻率為3 MHz時聚焦超聲輻射后接受MTT染色的脂肪塊(如圖3、圖4、圖5所示)

圖3 帶皮脂肪輻照功率為4 W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

圖4 深層脂肪層輻照功率為4W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

圖5 淺表脂肪層(帶深層)輻照功率為4W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

3 結(jié)果與討論

實驗結(jié)果顯示，頻率為6.5 MHz的聚焦超聲無法穿過離體動物豬生物組織的表皮，但是容易破壞分離的淺表脂肪層和深脂肪層。高頻聚焦超聲輻照脂肪層時只破壞淺表脂肪的表面而不能到達脂肪深層，其結(jié)果可能是由高頻聚焦超聲的高衰減系數(shù)而引起。SAT和DAT的結(jié)構(gòu)區(qū)別也有對其影響的可能性。因此，為評估高頻聚焦超聲能有效的破壞脂肪組織結(jié)構(gòu)程度，使用深脂肪層并進行不同超聲功率和輻照時間下聚焦超聲生物學融脂效應(yīng)實驗。

當輻照功率2 W時，融脂效應(yīng)引起的脂肪結(jié)構(gòu)變性區(qū)與周圍染色成紫色的正常組織，經(jīng)目視觀察二者無明顯分界線。當輻照功率為2 W、輻照時間為5 s時，實驗樣本未出現(xiàn)可見的顏色變化現(xiàn)象。而當同樣功率條件下照射10 s時，紫色的生物組織表面出現(xiàn)微弱的顏色深度減弱現(xiàn)象，表明融脂效應(yīng)已經(jīng)引起了脂肪結(jié)構(gòu)變性。當輻照時間為5 s時，2 W超聲不產(chǎn)生顯著脂肪組織變性，是因為輻照時間過短而且超聲能量過弱，導致靶區(qū)的聚焦超聲能量未達到有效破壞脂肪結(jié)構(gòu)的閾值(如圖6所示)。

當輻照功率分別為3 W、4 W和5 W時，脂肪結(jié)構(gòu)變性區(qū)與周圍染色成紫色的正常組織分界清楚而且脂肪組織破壞程度趨于嚴重。當輻照時間為5 s時，產(chǎn)生明顯的脂肪結(jié)構(gòu)變性區(qū)，而且隨著聚焦超聲輻照時間的延長或輻照功率增加，脂肪結(jié)構(gòu)變性區(qū)的面積也增大。因此，當輻照功率為2 W時破壞脂肪的作用時間閾值為10 s，而輻照功率為3 W以上時破壞脂肪閾值的作用時間為5 s(如圖7、圖8所示)。

圖6 輻照功率為2 W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

圖7 輻照功率為3 W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

圖8 輻照功率為5 W時不同輻射時間產(chǎn)生的生物學融脂效應(yīng)

表1顯示，脂肪組織結(jié)構(gòu)變性的面積隨著輻照時間的增加而升高，隨著輻照功率的增加而減少。其原因是在高功率條件下、短時間內(nèi)超聲能量在燃燒的界面進一步發(fā)生衰減，限制脂肪破壞程度。因此，HIFU的輻照劑量不可過大，輻射時間不可過短。輻照劑量過大會導致局部組織過熱損傷；而能量過低則會導致靶區(qū)累計能量不足以致脂肪組織被完全破壞。因此，HIFU治療中需要選擇適當?shù)妮椪談┝俊?/p>

4 結(jié)論

在離體動物(豬)帶皮脂肪層上進行的不同超聲功率和輻照時間的生物聚焦超聲實驗的結(jié)果表明，當超聲功率為3 W、頻率為3 MHz條件下和輻照時間為40 s以上時，能穿透5 mm左右的表皮組織并有效地破壞皮下脂肪組織，但表皮同樣受到損傷。同等條件下輻照時間為5～20 s時未破壞皮下脂肪組織而只損傷了表皮。

當超聲功率為4 W和頻率為3 MHz的條件下，輻照時間為5～80 s時不能穿透5 mm左右的表皮，未破壞皮下脂肪組織。當超聲功率在3 W(低功率)和頻率為3 MHz條件下隨著輻照時間的增加，脂肪組織結(jié)構(gòu)被破壞深度也隨之增加。

使用HIFU進行融脂有望在治療子宮脂肪瘤、血管瘤疾病、預(yù)防心血管疾病及消融脂肪瘤方面發(fā)揮重要作用。

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