聚焦超聲聯(lián)合微泡開放血腦屏障機制及監(jiān)測方法的研究進展

王敏，沈圓圓，汪天富，陳思平，刁現(xiàn)芬

醫(yī)學超聲關鍵技術國家地方聯(lián)合工程實驗室(深圳市， 518060)廣東省生物醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室(深圳市， 518060)深圳大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系(深圳市， 518060)

?

聚焦超聲聯(lián)合微泡開放血腦
屏障機制及監(jiān)測方法的研究進展

王敏，沈圓圓，汪天富，陳思平，刁現(xiàn)芬

醫(yī)學超聲關鍵技術國家地方聯(lián)合工程實驗室(深圳市， 518060)廣東省生物醫(yī)學信息檢測與超聲成像重點實驗室(深圳市， 518060)深圳大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系(深圳市， 518060)

聚焦超聲聯(lián)合微泡能夠瞬時、 局部和可逆地開放血腦屏障， 該方法現(xiàn)已成為靶向投遞藥物治療腦部疾病的一個研究熱點。該文在詳細介紹了血腦屏障的發(fā)現(xiàn)及其功能的基礎上， 介紹了聚焦超聲聯(lián)合微泡開放血腦屏障的可能機制， 并分析對比了三種典型的血腦屏障開放監(jiān)測方法(示蹤劑法、 醫(yī)學影像學監(jiān)測法和基于空化效應的監(jiān)測法)， 最后對聚焦超聲聯(lián)合微泡開放血腦屏障的機制及其監(jiān)測方法進行了展望。

聚焦超聲； 微泡造影劑； 開放血腦屏障； 監(jiān)測方法

0 引言

19世紀末， Paul Ehrlich發(fā)明了活體染色法， 在他將一種水溶性染料注入動物的循環(huán)系統(tǒng)后， 發(fā)現(xiàn)動物身體除脊髓和腦部外的其他所有器官均被染色， 而脊髓和腦卻不著色， 因而猜想可能存在某種屏障保護著大腦和神經組織。若干年后， Paul Ehrlich的學生Edwin Goldman發(fā)現(xiàn)能進一步證明這種屏障存在的證據， 在他將一種名為臺盼藍(trypan blue)的活性染色劑直接注入腦脊液中后， 發(fā)現(xiàn)只有大腦細胞被染成藍色， 而其他器官不著色[1]。這些現(xiàn)象都明顯展現(xiàn)出腦和身體其他組織有一層屏障。20世紀初期， Lewandowsky在研究亞鐵氰化鉀能否滲透入腦的實驗中， 正式提出用腦血管障壁或血腦屏障(blood-brain barrier， BBB)去解釋幾乎沒有亞鐵氰化鉀進入腦組織這一現(xiàn)象。之后的許多研究發(fā)現(xiàn)也都能證明BBB的存在[2]。但直到1965年， 隨著第一部掃描電鏡(SEM)的出現(xiàn)， 才真正揭開BBB的神秘面紗。

圖1 BBB生物學結構圖[3]Fig.1 Biological structure of the BBB[3]

BBB是外周循環(huán)系統(tǒng)與中樞神經系統(tǒng)(Central Nervous System，CNS)之間的分界， 它可以防止血液中有害物質進入腦組織， 是維持腦脊髓液代謝平衡的獨特構造， 如圖1所示。它是由腦毛細血管內皮細胞及其細胞間所組成的緊密連接、 完整的基膜、 周細胞以及星形膠質細胞腳板圍成的神經膠質膜所構成[3]。BBB獨特的屏障功能主要歸功于緊密連接的存在， 緊密連接是由一些蛋白質構成的， 主要包括claudins(緊密連接蛋白)， occludins(閉合蛋白)， JAMs(Junctional Adhesion Molecules， 連接黏附分子)， ZO-1(Zonula Occludens Protein-1， 閉鎖小帶蛋白-1)、 ZO-2、 ZO-3等[4]， 這些蛋白質能夠選擇性限制某些溶質的通過， 一般來講只有分子量小于400 Da、 高脂溶性、 無毒性、 帶正電等物質有可能通過緊密連接進入腦內[5]。

BBB的存在雖保護了腦組織免受有毒藥物的傷害， 但也阻礙了藥物進入腦組織對腦部疾病的治療[6]。為此， 人們對如何將藥物送入腦部組織進行了深入的研究。目前， 傳送藥物進入腦部組織的主要策略有三種[3]， 一是合成能夠進入腦部的新型小分子藥物； 二是使用侵入性的導管將藥物送入腦中； 三是無創(chuàng)、 可逆地開放BBB。一般而言， 只有少數(shù)的疾病能夠使用小分子藥物來治療； 而用侵入式的方法傳送藥物會有一些副作用， 例如靜脈注射滲透性藥物如甘露醇會使藥物在正常組織中濃度過高， 產生毒副作用[5]； 局部穿刺會損傷大腦； 經鼻腔給藥不能實現(xiàn)腦組織靶向給藥[5,7]等。因此， 科研人員希望安全有效地開放BBB將藥物投遞入腦去治療腦部疾病。

聚焦超聲(Focused Ultrasound，F(xiàn)US)聯(lián)合微泡(Microbubble，MB)的藥物傳輸技術利用MB的載藥功能及其空化效應能夠更好增加大腦的滲透性， 提高藥物投遞的效率， 已經成為一種無創(chuàng)開放BBB靶向送藥入腦的有效方法[5，13，18]。然而， FUS聯(lián)合MB開放BBB在有些情況下是不安全的， 當超聲能量過大或者輻照時間過長時會引起腦組織損傷， 例如血管壁水腫、 出血甚至壞死[34]。只有準確掌握組織生理病理結構并實時監(jiān)測FUS作用于組織所致?lián)p傷的程度和范圍， 才能真正達到無創(chuàng)、 安全和有效開放BBB的目的。可見， 探討FUS聯(lián)合MB開放BBB的安全有效參數(shù)及對其開放過程進行監(jiān)測是保證無創(chuàng)、 可逆開放BBB治療腦部疾病的關鍵。本文在介紹FUS聯(lián)合MB開放BBB機制的基礎上， 分別總結介紹了示蹤劑法、 醫(yī)學影像學法和空化效應法三種監(jiān)控BBB開放效果的監(jiān)測方法， 可為FUS聯(lián)合MB開放BBB提供參考。

1 FUS聯(lián)合MB開放BBB的機制

FUS聯(lián)合MB開放BBB的可能機制一直是科學家關注的焦點之一。早在20世紀50年代， Barnard等在研究超聲的強度對中樞神經系統(tǒng)的影響時， 發(fā)現(xiàn)使用高強度的超聲能引起血腦屏障通透性的改變。隨后的研究人員用活性染料臺盼藍和放射性物質示蹤等檢測方法也證實FUS能夠開放血腦屏障。他們推測可能是高壓力幅值條件下的 超聲空化效應產生的機械力破壞了BBB[8]， 也可能是超聲波熱效應所致[9]。單獨注射MB也可能導致BBB的開放。1999年， Mychaskiw等[10]將一種用于心臟造影的MB經鼠頸動脈注射至腦循環(huán)時， 發(fā)現(xiàn)鼠的BBB遭到破壞。之后Rooker等[11]也在實驗中得到相同結果， 他們認為可能的原因是氟碳氣體對細胞膜的直接效應所致， MB溶液獨特的構成包括了辛酸和軟脂酸， 這類脂肪酸的毒性也可能破壞BBB內皮細胞繼而開放BBB。無論是單獨使用超聲還是單獨使用MB， 其安全開放BBB的情況下均難以使較多的大分子藥物進入腦組織。2001年， Hynynen 等[12]使用自制的MB造影劑來加強FUS無創(chuàng)性開放BBB的效果， 結果表明： 與單獨使用FUS相比， MB的使用大大減少了無創(chuàng)性開放血腦屏障所需要的FUS強度， 并且血腦屏障在 24 h之內就完全恢復正常。之后的研究者也嘗試超聲聯(lián)合MB開放BBB， 均取得了較好的效果[18，32，34]， 但超聲聯(lián)合MB是如何開放BBB的確切機制仍未能明確。

目前學者普遍認為， BBB的開放與MB在FUS作用下的空化行為有關。超聲MB造影劑作為一種空化核， 它在超聲波作用下產生的空化效應主要分為兩種形式： 第一類為穩(wěn)態(tài)空化(Stable Cavitation)， 在低聲壓下， MB在FUS場下產生周期性的壓縮和膨脹， 當作用于血管壁時會產生機械剪切力和微射流效應； 第二類則為慣性空化(Inertial Cavitation)， 在高聲壓下， 氣泡壓縮膨脹會到達極限， 瞬間爆破產生局部高溫、 高壓和高能量沖擊波， 導致高壓射流的產生[13]。研究證明， 慣性空化產生的效應對BBB開放的作用不大， 有時其產生劇烈的生物學效應甚至會損傷正常組織， 而穩(wěn)態(tài)空化的效應更有利于BBB開放， 并且它產生的效應相對來說更容易預知、 更可控[3]。

為了從更微觀的細胞水平， 探索超聲聯(lián)合MB開放BBB的機制， 如圖2所示?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^大量離體、 活體實驗發(fā)現(xiàn)， MB穩(wěn)定的振蕩產生的機械力會造成了血管的收縮與膨脹， 同時也改變了內皮細胞的細胞骨架及其細胞間的連接。概括來講， 這些效應使BBB開放是通過了三個機制——破壞緊密連接、 誘導轉胞吞作用、 腦毛細血管內皮細胞內的聲孔效應。通過電鏡觀察[14]顯示， 緊密連接蛋白-1(Claudins-1)、 緊密連接蛋白-5(Claudins-5)、 Occludins和Claudins在FUS輻照后數(shù)量減少了， 同時位置分布也發(fā)生變化， 最顯著的是claudins再也不沿著內皮細胞壁聚合， 這表明它不再作用于緊密連接的合成； 此外， 還觀察到示蹤劑辣根過氧化酶(HRP)滲透到內皮細胞之間， 這說明緊密連接不再封閉從血管到腦實質的細胞旁途徑(Paracellular Passage)。近幾年， Jalili等[15]發(fā)現(xiàn)在FUS作用下組成緊密連接的occludin和ZO-1的蛋白質水平沒有改變， 但是兩者的相互作用遭到破壞， 影響了BBB的完整性使其開放， 同時還激活了在神經元細胞中的一種蛋白激酶Akt的信號通路。這些實驗結果說明， 可以通過破壞組成緊密連接的蛋白質及其之間的相互作用可以使BBB開放， 且藥物通過細胞旁途徑穿過BBB是通過破壞緊密連接實現(xiàn)的。

圖2 FUS聯(lián)合MB開放BBB的細胞學機制[3]Fig.2 Cellularmechanism of focused ultrasoundmediated blood-brain barrier disruption[3]

除了細胞旁途徑， 在FUS作用下， 物質還可以通過跨細胞途徑(Transcellular Transport)運輸方式穿過BBB。Sheikov等[16]發(fā)現(xiàn)施加FUS后， BBB的內皮細胞上有胞質通道和大量的囊泡， 這說明胞內吞作用增加了。類似的研究中[17]， 采用高分辨率顯微鏡結合高速攝像機觀察記錄到在超聲場中MB的振蕩造成了內皮細胞的形變， 且僅在畸形細胞中觀察到染色加深， 表明MB的振蕩在內皮細胞膜上產生小孔， 導致了藥物的攝取。重慶醫(yī)科大學的鄧金木博士[18]在FUS聯(lián)合MB建立動物模型時使用非律平(Filipin)進行干擾， 發(fā)現(xiàn)腦毛細血管內皮細胞上的小窩蛋白-1(Caveolin-1)表達增多， 且Caveolin-1 的表達水平相較于未用非律平干擾組低， 同時血腦屏障的開放程度也比未干擾組明顯降低， 證明血腦屏障的開放程度與Caveolin-1 的表達水平一致， 且小凹蛋白是最有可能的胞轉運途徑。

隨著一些新技術的發(fā)展， 研究者[19]用雙光子顯微鏡這種獨特的方式觀察驗證了細胞旁途徑和跨細胞途徑的存在， 總結得出藥物在FUS的作用下通過BBB要么是通過一個快的途徑(小于10 min)， 要么是通過一個慢的途徑(大于10 min)， 并假設快的途徑很有可能是通過細胞旁路途徑(緊密連接破壞)， 慢的途徑很可能是跨細胞途徑(誘導轉胞吞作用和聲孔效應)。

概括來講， FUS聯(lián)合MB開放BBB的可能機制有： 超聲產生的機械力破壞了BBB， 超聲波熱效應所致， 氟碳氣體對細胞膜的直接效應所致， MB的毒性破壞BBB內皮細胞繼而開放BBB， 超聲波作用下產生的空化效應， 超聲聯(lián)合MB破壞了內皮細胞的細胞骨架與細胞間的連接、 誘導轉胞吞作用和聲孔效應等。是其中一種作用機制導致BBB開放， 還是多種效應聯(lián)合作用導致BBB開放， 目前仍不明確。盡管FUS聯(lián)合MB開放BBB的確切機制不夠明確， FUS聯(lián)合MB能夠增強BBB滲透率并將治療藥物投遞入腦[27]卻是事實， 這一領域的研究必將有利于腦部疾病的更好治療[32，34]。

2 FUS聯(lián)合MB開放BBB效果的監(jiān)測方法

2.1 示蹤劑監(jiān)測法

研究者常使用一些示蹤劑去觀察BBB的開放情況， 常用的示蹤劑有伊文思藍[18，20](Evans Blue,EB)、 熒光素鈉[20](Sodium Fluorescein)、 辣根過氧化物酶(HRP)[14，20]以及白蛋白[21]等。

理想的示蹤劑具有特點是代謝慢， 無毒， 不依附于其他物質——例如在血漿與組織中的蛋白質， 有多種粒徑大小可選擇， 從肉眼到電鏡的范圍內均可以被觀察到， 而且還可以量化。然而， 很少有一種示蹤劑能滿足理想示蹤劑的所有特點， 也即不能滿足所有的實驗目的， 因此研究者會使用兩種及以上的示蹤劑去評估BBB的開放情況。為了更方便研究者選擇合適的示蹤劑， 這里總結了常見示蹤劑的優(yōu)缺點， 如表1所示。

表1 常用BBB示蹤劑的特點[22]Tab.1 Characteristics of common blood-brain barrier markers[22]

現(xiàn)有的研究中， 衡量 BBB 開放的指標大多數(shù)采用EB、 組織病理學和電鏡觀察， 而這些方法僅限于離體標本或者活體動物實驗研究， 不能用于臨床。因此， 如下所述的監(jiān)測BBB開放的方法被研究者應用。

2.2 醫(yī)學影像學監(jiān)測法

將醫(yī)學影像設備如磁共振(MRI)、 B超、 CT與FUS相結合， 可以解決示蹤劑不能應用于臨床的遺憾， 通過這些設備不但可以更精確定位， 同時還能實時監(jiān)控超聲波照射過程中腦組織的變化。目前， 常用的經醫(yī)學影像設備引導的監(jiān)控方式主要有B超和MRI。因CT使用時會有輻射， 一般不采用CT作為監(jiān)控設備。

超聲影像技術具有安全、 費用低、 操作方便、 實時等優(yōu)勢， 不僅可以獲取軟組織的高分辨率圖像， 還可以對心臟和血管的功能進行實時動態(tài)分析。因而， 超聲影像技術已廣泛地應用于引導FUS治療過程[23]。經超聲引導的FUS(Ultrasound guided FUS， USgFUS)由于具有實時性好、 價格低廉、 與FUS設備兼容等優(yōu)點， 現(xiàn)已成為臨床治療和科學研究的一個熱點， 其監(jiān)控原理是將FUS輻照靶區(qū)后， 其B超聲像圖即刻有強回聲的出現(xiàn)作為一個單元治療完成的標志。但是， 對于該強回聲出現(xiàn)的原因尚不清楚， 目前普遍認為出現(xiàn)強回聲主要是聚焦超聲致靶區(qū)空化產生的空化泡所致[24]。此外， USgFUS在治療中也有些缺陷， 首先， FUS的治療參數(shù)設置是基于實驗、 理論模型和臨床經驗。其次， 不能實現(xiàn)定位以及治療過程中溫度變化的在線監(jiān)控， 這些會導致FUS輻照能量過強或過弱， 甚至有可能因為定位誤差導致根本沒有作用于病灶， 從而影響治療效果[25]。

經MRI引導的FUS(MRI guided FUS， MRIgFUS)的出現(xiàn)可以解決這些問題， MRI對溫度變化非常敏感， 利用計算機技術， 可以實現(xiàn)在線監(jiān)測治療過程中溫度的變化， 通過這些信息得知能量變化從而調整輻照參數(shù)， 避免對組織的過度照射。最重要的是， MRI能夠精確地掌握病灶的大小及位置， 這是光憑外科醫(yī)生的眼睛是做不到的[26]。這些優(yōu)點使得MRI已經成為FUS聯(lián)合MB開放BBB中不可或缺的一環(huán)， 通過MRI常規(guī)圖像以及溫度圖像可對整個治療過程實施監(jiān)測， 形成了從定位規(guī)劃、 超聲照射、 能量傳遞、 檢測效果等各種信息的反饋閉合等， 使我們真正地做到靶向、 局部、 微創(chuàng)和實時地給藥， 例如Arvanitis等[27]就利用一個商業(yè)的經顱MRIgFUS進行超聲發(fā)射、 定位與監(jiān)控， 也利用MRI造影劑的溢出量觀察BBB的開放情況， 實現(xiàn)了對大鼠腦部靶向安全的給藥， 但是相比于USgFUS它有個缺點是其使用成本很高。因此， 研究者可以根據自己的需求選擇合適的醫(yī)學影像設備引導FUS聯(lián)合MB靶向開放BBB并對整個治療過程進行監(jiān)控。

2.3 基于空化效應的監(jiān)測法

現(xiàn)在認為FUS開放BBB的最主要的機制是空化效應， 在空化發(fā)生過程中， 空化泡振蕩會發(fā)出豐富的聲信息： 基波、 諧波、 次諧波、 超諧波和寬帶噪聲， 以及超聲的非線性傳播也會產生諧波信息[28]。通常認為非諧波的高頻寬帶噪聲是慣性空化發(fā)生的標志， 而次諧波是穩(wěn)態(tài)空化的標志[29]。因此可以通過觀察空化效應的發(fā)生情況來反映BBB的開放情況。基于空化效應的監(jiān)測方法主要有聲學、 光學及聲化學等監(jiān)測方法。

聲學監(jiān)測法分為主動空化監(jiān)測(Active Cavitation Detection, ACD)與被動空化監(jiān)測(Passive Cavitation Detection,PCD)兩種[30]。ACD監(jiān)測法是以一個較低頻的FUS探頭誘發(fā)空化效應， 再相對發(fā)射探頭的其他位置放置一個較高頻的探頭來監(jiān)測空化效應。監(jiān)測探頭對著可能發(fā)生空化效應的區(qū)域持續(xù)發(fā)射脈沖波， 并監(jiān)測其回波信號。ACD系統(tǒng)可利用常用的B超設備作為監(jiān)測設備， 并由此生成二維B超圖像， 能得到空化效應發(fā)生的位置， 但是缺點是信噪比低。PCD監(jiān)測方法的架構與主動式監(jiān)測方法類似， 只是監(jiān)測探頭不發(fā)射超聲波， 僅接收空化效應發(fā)生時的聲發(fā)射信號， PCD監(jiān)測法只需一個平面接收換能器， 裝置簡單， 且信噪比和靈敏度較高， 最重要的是還能做定量分析。

光學檢測方法主要是直接測量超聲空化泡的動力學行為， 例如Mie散射或高速攝影[31]， 其中高速攝影是運用高速攝影機直接拍攝微氣泡之變化， 攝影時的時間解析度必須足夠高(幀率>50 MHz)[32]。該方法一般多用在實驗室研究透明液體中尺寸較大的空化泡對超聲驅動的動力學響應， 系統(tǒng)復雜， 對操作人員的要求也較高。

聲化學檢測方法主要是用一些化學試劑與空化作用后產生的一些物質反應， 用產生的可見現(xiàn)象來表明空化效應的發(fā)生。例如對苯二甲酸(Terphthalic Acid, TA)法檢測超聲空化效應， 其原理是TA水溶液是非熒光性物質， 一旦超聲強度達到空化閾值便會裂解水分子產生羥自由基(0H )， 對苯二甲酸根離子會與0H 相結合， 形成具有熒光性的羥基對苯二甲酸根離子(HTA)， 它是具有較穩(wěn)定的強熒光性物質[33]。通過對HTA熒光強度檢測， 即可研究不同實驗條件下的聲空化規(guī)律。

這些BBB開放情況的監(jiān)測方法都各有其利弊， 示蹤劑法雖然可以從細胞學水平觀察BBB開放時的情況， 但是有些示蹤劑會對人體有害； 醫(yī)學影像學法定位， 監(jiān)控效果都較好， 但是不能探測BBB開放過程中空化效應特征且一般價格昂貴； 基于空化效應的監(jiān)測法雖然方法多樣， 但是不能探測BBB開放時除空化效應外的其他生物學效應。因此研究人員在使用時一般都綜合使用這些監(jiān)測方法， 使FUS聯(lián)合MB開放BBB時更加安全、 高效。例如， 哥倫比亞課題組[34]就利用PCD測得的信號經過數(shù)據處理后， 用慣性空化劑量、 基于諧波的穩(wěn)態(tài)空化劑量、 基于高次諧波的穩(wěn)態(tài)空化劑量及空化信噪比這4個量化指標去說明FUS聯(lián)合MB去開放BBB的整個空化效應的特征； 再利用B超可視化MB破裂的過程， 同時確保FUS換能器焦點處于靶區(qū)； 最后利用MRI監(jiān)控整個BBB開放過程是否有腦組織出血和水腫。

3 展望

盡管目前對FUS聯(lián)合MB技術及其生物學效應已進行了深入研究， 但將其應用于腦部疾病的臨床治療仍有許多問題有待解決。首先， FUS聯(lián)合MB開放BBB的確切機制仍不十分清楚， 導致現(xiàn)有關于超聲聯(lián)合MB開放血腦屏障研究雖然較多， 但大多是處于動物實驗的階段， 因此有必要進行更深入的研究， 以明確超聲與MB相互作用使BBB通透性增加的各種作用機制， 從而使該技術安全有效地用于腦部疾病的治療。其次， 鑒于人頭骨較厚且不均勻， 超聲波在穿過顱骨時發(fā)生嚴重衰減和畸變， 這是該技術的一大局限， 需要研究更多的解決方案。最后， 如何在體進行實時有效的BBB開放監(jiān)測和探索適合體化BBB開放的物理參數(shù)和相應的“閾限值”， 這是需要一個醫(yī)學、 電子技術、 工程學相結合而共同努力完成的課題。我們相信， 隨著上述問題的解決， FUS聯(lián)合MB這種無創(chuàng)性技術會更加高效、 安全和普及， 成為治療人類腦部疾病的有力武器。

[1] Thomas P Davis. History of Blood-Brain Barrier[EB/OL]. (2013-04-25)[2016-06-27]http://davislab.med. arizona.edu/content/history-blood-brain-barrier.

[2] Leshan R, Milner T, Pfaff D W. Blood Brain Barrier[M]// Neuroscience in the 21st Century. 2013:1621-1629.

[3] Timbie K F, Mead B P, Price R J. Drug and gene delivery across the blood-brain barrier withfocused ultrasound[J]. Controll Release， 2015,219:61-75.

[4] Bauer H C, Krizbai I A, Bauer H, et al. "You Shall Not Pass"-tight junctions of the blood-brainbarrier[J]. Front in Neurosci, 2014,8(8): 392-392.

[5] Burgess A, Hynynen K. Noninvasive and targeted drug delivery to the brain using focused ultrasound[J]. Acs Cheml Neurosc, 2013, 4(4):519-526.

[6] Betsholtz C. Physiology: Double function at the blood-brain barrier[J]. Nature, 2014,509(7501): 432-433.

[7] Brar V, Kaur G. Biopolymers as carriers for nasal drug delivery[J]. Polymer-Plastics Tech and Eng, 2014, 53(14) :1518-1531.

[8] Abraham C S, Harada N, Deli M A, et al. Transient forebrain ischemia increases the blood-brain barrier permeability for albumin in stroke-prone spontaneously hypertensive sats[J]. Cell Molecul Neurob, 2002, 22(4):455-462.

[9] Mcdannold N, Vykhodtseva N, Jolesz F A, et al. MRI investigation of the threshold for thermally induced blood-brain barrier disruption and brain tissue damage in the rabbit brain[J]. Magn Reson Med, 2004, 51(5):913-923.

[10] Mychaskiw G, II, Badr A E, Zhang J, et al. Optisoncauses disruption of the blood-brain barrier in rats. Circulation, 2000,91(4): 798-803.

[11] Rooker S, Van Reempts J, Van Deuren B, et al. Ultrasound agents may open the blood-brain barrier in rats and aggravate pathologic consequences of experimental head trauma[J]. Neuropathology, 2003,23(3),210-213.

[12] Hynynen K, McDannold N, Vykhodtseva N, et al. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits[J]. Radiology,2001,220(3):640-696.

[13] Piper R J, Hughes M A, Moran C M, et al. Focused ultrasound as a non-invasive intervention for neurological disease: a review [J]. Brit J Neurosurg, 2016:1-8.

[14] Sheikov N, McDannold N, Sharma S, et al. Effect of focused ultrasound applied with an ultrasound contrast agent on the tight junctional integrity of the brain microvascular endothelium[J]. Ultrasound Med Biol, 2008,34, 1093-1104.

[15] Jalali S, Huang Y, Dumont DJ, et al. Focused ultrasound-mediated BBB disruption is associated with anincrease in a ctivation of AKT: an experimental study in rats[J]. BmcNeurology, 2010,10(1):1-10.

[16] Sheikov N, McDannold N, Jolesz F, et al.Brain arterioles show more active vesicular transport blood-borne tracer molecules than capillaries and venules after focused ultrasound-evoked opening of the blood-brain barrier[J]. Ultrasound Med Biol, 2006,32(9):1399-1409.

[17] Wamel A V, Kooiman K, Harteveld M, et al. Vibrating microbubbles poking individual cells: Drug transfer into cells via sonoporation[J]. J Control Release, 2006,112(2):149-155.

[18] 鄧金木. 聚焦超聲聯(lián)合微泡開放血腦屏障的機制研究[D]. 重慶:重慶醫(yī)科大學,2013.

[19] Nhan T, Burgess A, Cho E E, et al. Drugdelivery to thebrain by focused ultrasound induced blood-brain barrier disruption: quantitative evaluation of enhanced permeability of cerebral vasculature using two-photon microscopy[J].J Control Release, 2013,172(1):274-280.

[20] Kaya M, Ahishali B. Assessment of permeability in barrier type of endothelium in brain using tracers: Evans blue, sodium fluorescein, andhorseradish peroxidase[J]. Meth in Molecul Biol, 2011, 763(763):369-382.

[21] O'Shea E, Urrutia A, Green A, et al.Current preclinicalstudies on neuroinflammation and changes in blood-brain barrier integrity by MDMA and methamphetamine[J]. Neuropharmacology, 2014, 87:125-134

[22] Saunders N R, Dziegielewska K M, Habgood M D, et al. Markers for blood-brain barrier integrity: how appropriate is Evans blues in the twenty-first century and what are the alternatives[J]. Front Neurosci, 2015,9:3-8.

[23] Tavakkoli J, Sanghvi N, Sanghvi N. Ultrasound-guided HIFU and Thermal Ablation[M]. Therapeutic Ultrasound: Mechanisms to Applications. 2011.

[24] Mclaughlan J, Rivens I, Leighton T, et al. A study of bubble activity generated in Ex vivo, tissue by high intensity focused ultrasound[J]. Ultrasound Med Biol, 2010, 36(8):1327-44.

[25] Liu H L, Mcdannold N, Hynynen K. Focal beam distortion and treatment planning in abdominal focused ultrasound surgery[J]. Med Phy, 2005, 32(5):1270-1280.

[26] Jolesz F A. MRI-guided focused ultrasound surgery[M]// MRI-guided focused ultrasound surgery /. Informa Healthcare, 2008.

[27] Arvanitis C D, Livingstone M S, Vykhodtseva N, et al. Controlled ultrasound-induced blood-brain barrier disruption using passive acoustic emissions monitoring[J]. Plos One, 2012, 7(9):e4578..

[28] Harvey G, Gachagan A, Mutasa T. Review of high-power ultrasound-industrial applications and measurement methods[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2014, 61(3):481-495.

[29] Johnston K, Tapia-Siles C, Gerold B, et al. Periodic shock-emission from acoustically driven cavitation clouds: A source of the subharmonic signal[J]. Ultrasonics, 2014, 54(8):2151-2158.

[30] 高瑋甫. 相變液滴汽化的聲學特征信號研究[D]. 臺灣:清華大學生醫(yī)工程與環(huán)境科學系,2015.

[31] 周利斌,張大臣,姜鵬飛,等. 一種基于Mie散射的顆粒物濃度測量方法[J]. 科技導報, 2014(18):22-25.

[32] Lu M, Shi Y, Fang L, et al. Enhanced-cavitation heating protocols in focused ultrasound surgery with broadband split-focus approach[J]. IEEE Tran Ultrason, Ferroelectr Freq Control, 2014,61(4): 631-646.

[33] Ashton Acton Q. Hydroxides-advances in research and application: 2013 Edition[M]. Atlanta Georgia: Scholarly Editions, 2013.

[34] Wu S Y, Tung Y S, Marquet F, et al. Transcranial cavitation detection in primates during blood-brain barrier opening-a performance assessment study [J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2014,61(6): 966-978.

Progress of Mechanisms and Monitoring Methods of Opening Blood-brain Barrier Using Focused Ultrasound Combined with Microbubbles

WANG Min, SHEN Yuanyuan, WANG Tianfu，CHEN Siping, DIAO Xianfen

National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound (Shenzhen, 518060) Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging (Shenzhen, 518060) Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University (Shenzhen, 518060)

The blood-brain barrier (BBB) could be opened by focused ultrasound combined with microbubbles transiently, noninvasively and locally. Recently, this method has become a new strategy for brain-targeted drug delivery. In this paper, firstly, the discoveries and functions of the BBB were described in detail. Secondly, the possible mechanism of opening BBB using focusing ultrasound combined with microbubble was introduced. Then, three monitoring methods for the BBB opening, that is, the tracer method, medical imaging monitoring method and the monitoring method based on cavitation effect were reviewed. Finally, the mechanism of the BBB opening by focusing ultrasound combined with microbubbles and its monitoring methods were prospected.

focused ultrasound, microbubble contrast agent, blood brain barrier opening, monitoring methods

10.3969/j.issn.1674-1242.2016.04.005

王敏，E-mail: 1219421323@qq.com

R445.1

A

1674-1242(2016)04-0198-06

2016-10-09)