經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放血腦屏障參數(shù)的研究進(jìn)展

張留影 陳茉弦 敖麗娟

昆明醫(yī)科大學(xué)康復(fù)學(xué)院（昆明 650000）

近年來(lái)大量的研究表明：經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡是有效、可行的開(kāi)放血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）的手段之一［1-2]，其機(jī)制可能與超聲的機(jī)械效應(yīng)或熱效應(yīng)有關(guān)，從而可逆、靶向地開(kāi)放BBB，增加藥物的透過(guò)率。但是這些實(shí)驗(yàn)大部分都是在動(dòng)物身上進(jìn)行的臨床前研究，聚焦超聲的功率、聲壓、頻率、輻照時(shí)長(zhǎng)以及微泡的種類(lèi)、密度都會(huì)對(duì)其有效性產(chǎn)生影響。因此，經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放BBB真正運(yùn)用到臨床治療中，仍需對(duì)聚焦超聲和微泡的參數(shù)以及安全性、可行性進(jìn)行進(jìn)一步探索。下文將對(duì)這些影響經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡打開(kāi)BBB的因素進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 經(jīng)顱聚焦超聲開(kāi)放BBB的超聲參數(shù)

1.1 經(jīng)顱聚焦超聲的頻率聚焦超聲使用聲波的頻率范圍為1～15 MHz。＞5 MHz的超聲稱(chēng)為高頻聚焦超聲，目前常應(yīng)用于腫瘤的治療［3]；用于開(kāi)放BBB的聚焦超聲頻率常為低頻（0.5～5 MHz）。最近，也有研究表明，診斷超聲在合適的超聲參數(shù)下能有效地開(kāi)放BBB［4-5]，但其開(kāi)放是彌漫性的，無(wú)法做到靶向開(kāi)放。在經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放BBB的應(yīng)用中，隨著聚焦超聲頻率的增加，會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：（1）聚焦超聲頻率越大，組織對(duì)能量的吸收和信號(hào)的衰減也隨之增大。因此，高頻超聲傳感器的穿透力較淺。（2）聲波高速穿過(guò)頭骨和低速通過(guò)腦組織之間的差異，會(huì)導(dǎo)致聚焦超聲束扭曲變形，并且聚焦超聲的頻率越大，這種變形也隨之增大，從而導(dǎo)致聚焦超聲不能靶向治療。（3）高頻聚焦超聲穿越頭蓋骨時(shí)，會(huì)在骨和軟組織之間產(chǎn)生局部熱效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致局部腦組織損傷。因此，國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)表明，相比與高頻聚焦超聲，低頻聚焦超聲開(kāi)放BBB更加安全有效。比如，近期有學(xué)者［6]在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索0.5 MHz的聚焦超聲能否安全有效地開(kāi)放BBB，結(jié)合MRI的實(shí)時(shí)成像，經(jīng)顱聚焦超聲輻照后，可清晰地看到BBB的開(kāi)放，并于2 d后幾乎完全恢復(fù)。DOWNS等［7]對(duì)經(jīng)顱聚焦超聲重復(fù)開(kāi)放非人靈長(zhǎng)類(lèi)BBB的安全性進(jìn)行探索，采用聚焦超聲頻率為0.5 MHz，每天每次輻照60 s，持續(xù)進(jìn)行4～20個(gè)月，結(jié)果證明，聚焦超聲頻率為0.5 MHz時(shí)，開(kāi)放BBB的成功率為98%，并且對(duì)非人靈長(zhǎng)類(lèi)的認(rèn)知能力沒(méi)有影響。

低頻聚焦超聲能使聲波能量達(dá)到更深的顱內(nèi)靶點(diǎn)［8]。在這個(gè)范圍內(nèi)的頻率，與通常用于淺表軟組織的高頻率相比，可以減少聲波穿過(guò)顱骨時(shí)的衰減效應(yīng)，并且減少熱效應(yīng)的產(chǎn)生。因此，聚焦超聲頻率要＜5 MHz，從而能夠有效地減少熱效應(yīng)并且能誘導(dǎo)穩(wěn)定的空化效應(yīng)［9]。

1.2 經(jīng)顱聚焦超聲的聲壓近期有學(xué)者表明：經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡安全開(kāi)放BBB的聲壓不能高于0.64 MPa［10]。SAMIOTAKI等［11]在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中探索了聚焦超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放靈長(zhǎng)類(lèi)BBB的最佳聲壓，設(shè)置了200、300、400 kPa和350、450、650 kPa兩組對(duì)比變量，通過(guò)MRI成像對(duì)比觀察，得出結(jié)論：在一定聲壓范圍內(nèi)，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物BBB的開(kāi)放程度、模型藥物釋放量以及BBB的通透性隨聲壓增加而增加，并且聲壓在650 kPa時(shí)藥物的通過(guò)率與450 kPa時(shí)并沒(méi)有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明藥物的通透率或者BBB的開(kāi)放量在較高聲壓時(shí)就不再增加。近期，有研究報(bào)道稱(chēng)，聚焦超聲可以暫時(shí)抑制大鼠腦內(nèi)P-糖蛋白（permeabilityglycoprotein，PGP）的表達(dá)［12]。PGP是一種鑲嵌在微血管內(nèi)皮壁上的外排泵，協(xié)助血源性物質(zhì)、有害物質(zhì)運(yùn)出血管，但是當(dāng)PGP的表達(dá)增加時(shí)，BBB的透過(guò)率就會(huì)降低［13]。當(dāng)經(jīng)顱聚焦超聲的聲壓為550 kPa時(shí)，PGP的抑制效果達(dá)到48 h，并在72 h內(nèi)恢復(fù)，HE染色可見(jiàn)聚焦超聲輻照區(qū)并沒(méi)有明顯損傷；在聲壓為810 kPa，PGP的抑制效果可持續(xù)72 h或更長(zhǎng)時(shí)間，HE染色可見(jiàn)聚焦超聲輻照區(qū)大量紅細(xì)胞外滲，腦組織受損。因此，在一定的聲壓范圍內(nèi)，BBB的開(kāi)放量隨著聲壓的增加而增加，但聚焦超聲的聲壓過(guò)高時(shí)，可能對(duì)腦組織造成不可逆損害。

1.3 經(jīng)顱聚焦超聲的功率不同范圍的聚焦超聲功率可應(yīng)用于腦回路刺激以及腦組織消融等。高功率時(shí)，加熱占主導(dǎo)地位，可應(yīng)用于組織消融。低功率時(shí)熱效應(yīng)小，可以增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性以及藥物的吸收［14]，可應(yīng)用于開(kāi)放BBB向腦組織內(nèi)靶向給藥。但是如果聚焦超聲功率過(guò)小，打開(kāi)BBB所需要的時(shí)間就會(huì)增加，甚至不能打開(kāi)BBB；如果功率過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞外滲，腦組織損傷。近期，為了進(jìn)一步優(yōu)化聚焦超聲開(kāi)放大鼠BBB的最佳超聲功率，有學(xué)者實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3.5和7.5 MHz 2個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組又分為5、10、15 W 3個(gè)小組，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出結(jié)論：當(dāng)聚焦超聲頻率為7.5 MHz，微泡計(jì)量為10 mg/mL，機(jī)械指數(shù)為1時(shí)，5和10 W的聚焦超聲功率并不能打開(kāi)BBB或打開(kāi)BBB的效果不明顯，當(dāng)聚焦超聲功率為15 W時(shí)，能夠明顯地開(kāi)放BBB，并且無(wú)紅細(xì)胞的滲出［15]。2016年，GOLDWIRT等［16]在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上進(jìn)行經(jīng)顱聚焦超聲打開(kāi)BBB的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)經(jīng)顱聚焦超聲功率為1.05 MHz，曝光時(shí)間為134 s時(shí)，最佳的超聲功率為11.4 W。

1.4 經(jīng)顱聚焦超聲輻照時(shí)長(zhǎng)在相同的聚焦超聲參數(shù)下，聚焦超聲輻照時(shí)間越長(zhǎng)，空化效應(yīng)的發(fā)生率和頻率也隨之增加。2017年，LUO等［17]在高頻聚焦超聲靶向運(yùn)輸藥物治療腦腫瘤的實(shí)驗(yàn)中證明，當(dāng)聚焦超聲功率為10.5 W時(shí)，輻照區(qū)腦組織中藥物濃度隨輻照時(shí)間增加而增加，并證明輻照時(shí)間為5 min時(shí)藥物濃度增加幅度最大，而10、20 min時(shí)并沒(méi)有大量增加藥物濃度。因此，BBB的開(kāi)放率并不與輻照時(shí)間成正比，而是存在一個(gè)最佳輻照時(shí)間，超過(guò)這個(gè)最佳輻照時(shí)間，不但會(huì)影響開(kāi)放BBB的效果，還會(huì)造成腦組織損傷，因?yàn)檩椪諘r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使腦組織因?yàn)闊嵝?yīng)或機(jī)械效應(yīng)造成損傷，甚至是不可逆的損傷。

當(dāng)聚焦超聲參數(shù)不同時(shí)，比如在不同的機(jī)械強(qiáng)度下，打開(kāi)BBB的臨界聚焦超聲輻照時(shí)間會(huì)隨著機(jī)械強(qiáng)度的增加而減少。有學(xué)者實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)聚焦超聲機(jī)械指數(shù)為1.9時(shí)，最佳輻照時(shí)間為5 min。2017年，有研究者證明，當(dāng)經(jīng)顱聚焦超聲機(jī)械指數(shù)為1.3時(shí)，最佳輻照時(shí)間為10 min［18]。雖然從數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，打開(kāi)BBB的臨界超聲輻照時(shí)間會(huì)隨著機(jī)械強(qiáng)度的增加而減少，但是兩者的實(shí)驗(yàn)條件未必統(tǒng)一，因此這一問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索。

2 經(jīng)顱聚焦超聲開(kāi)放BBB的微泡參數(shù)

微泡在聚焦超聲輻照下，會(huì)在高壓力和低壓力的交替區(qū)域中振蕩并增大，當(dāng)聲壓足夠高時(shí)，這些微泡可能會(huì)坍塌，產(chǎn)生一種叫做空化效應(yīng)的沖擊波，從而使微血管內(nèi)皮細(xì)胞的緊密連接不再完整［19]。有研究表明，微泡直徑大小和濃度不同，打開(kāi)BBB時(shí)所需的超聲功率和聲壓也不相同。

有研究表明，在一定微泡濃度下，微泡大小影響血管內(nèi)循環(huán)的持續(xù)性和BBB的開(kāi)放程度［20]。在相同的條件下，微泡直徑越大，打開(kāi)BBB時(shí)所需聚焦超聲功率越低，產(chǎn)生空化效應(yīng)的聲壓閾值也越低［21]。但是微泡直徑太大，就不易從毛細(xì)血管中跑出，也有可能發(fā)生氣體栓塞。有實(shí)驗(yàn)表明2.5～5.0μm的平均直徑，（1～5）×107/mL的濃度為微泡的最佳參數(shù)［22]。除此之外，注射不同劑量的微泡也對(duì)經(jīng)顱聚焦超聲打開(kāi)BBB產(chǎn)生重要影響。有實(shí)驗(yàn)證明，在相同的聚焦超聲參數(shù)下，微泡劑量增加，伊文思藍(lán)的透過(guò)率也隨之增加，即BBB的通透性隨之增加。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的經(jīng)顱聚焦超聲能夠引起B(yǎng)BB通透性的改變［23]，也有學(xué)者表明單獨(dú)注射微泡也可開(kāi)放BBB［24]，但是這兩者都很難在保證安全的前提下，使較多的大分子進(jìn)入BBB。有學(xué)者使用經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡的方法打開(kāi)BBB，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用經(jīng)顱聚焦超聲相比，經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡不僅大大減少了開(kāi)放BBB所需的超聲強(qiáng)度，而且BBB的開(kāi)放是無(wú)創(chuàng)、可逆的［25]。

3 問(wèn)題與展望

有研究者報(bào)道，經(jīng)顱聚焦超聲已被用做治療運(yùn)動(dòng)障礙、慢性疼痛、強(qiáng)迫癥與腦腫瘤等的臨床前研究［26]。2017年，REBECCA等［27]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用經(jīng)顱聚焦超聲掃描，配合治療阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）的抗體藥物，有效減輕了鼠的AD癥狀，并使進(jìn)入大腦內(nèi)的藥物量大大提高。但是將這項(xiàng)技術(shù)真正用于臨床上治療人類(lèi)顱內(nèi)疾病仍需解決很多問(wèn)題：（1）經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放BBB的確切機(jī)制仍不清楚，仍需要進(jìn)一步研究；（2）最近，研究人員發(fā)現(xiàn)聚焦超聲輻射后可能會(huì)引起無(wú)菌性炎癥［28]。聚焦超聲聯(lián)合微泡輻照腦組織后，發(fā)現(xiàn)很多炎癥因子表達(dá)增加，皮層細(xì)胞凋亡。所以，聚焦超聲聯(lián)合微泡打開(kāi)BBB的安全性和可行性仍需進(jìn)一步探索；（3）雖然很多實(shí)驗(yàn)通過(guò)移植人顱骨來(lái)探索各項(xiàng)超聲參數(shù)［29]，但是動(dòng)物的腦解剖結(jié)構(gòu)以及大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的密度是否與人類(lèi)完全相同，仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)［30]；（4）雖然聚焦超聲聯(lián)合微泡能夠打開(kāi)BBB，但如何做到精準(zhǔn)控制，避免任何不良作用的發(fā)生，仍需對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)一步探索。

雖然經(jīng)顱聚焦超聲聯(lián)合微泡技術(shù)存在諸多問(wèn)題仍未解決，但是其為無(wú)創(chuàng)、可逆、靶向開(kāi)放BBB治療腦部疾病開(kāi)辟了新的道路。相信隨著各學(xué)科的共同發(fā)展和合作，超聲聯(lián)合微泡開(kāi)放BBB將成為臨床上治療顱內(nèi)疾病的常規(guī)有效方式。