超聲微泡在心臟疾病診治中的應(yīng)用進展

譚妍迪，趙云△，周軍

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活方式的改變，全球心臟疾病的發(fā)病率和死亡率呈逐年增加趨勢［1］。心臟的常規(guī)二維超聲等技術(shù)雖能提供重要的信息，但遠遠不能滿足臨床診斷的需要，超聲造影技術(shù)被稱為超聲醫(yī)學的第三次革命，而微泡是常見的造影劑。目前，超聲微泡已從經(jīng)典的血池灌注成像進展到靶向分子成像［2］、從診斷學范疇進入治療領(lǐng)域。微泡本身具有微創(chuàng)性、高安全性、實時性和靶向性的特點，可攜帶藥物和基因，這將成為拓展心臟病治療方法的新技術(shù)［3］。因此，本文綜述超聲微泡的優(yōu)缺點和造影條件及其在心臟疾病的造影、溶栓、基因治療方面的研究進展。

1 超聲微泡的診療特點

1.1 超聲微泡的優(yōu)勢 超聲微泡是一種由外殼包裹氣體形成的球狀物質(zhì)，根據(jù)外殼材料的不同可分為軟殼微泡和硬殼微泡。硬殼微泡外殼由高分子材料聚合物構(gòu)成，而軟殼微泡外殼由磷脂或穩(wěn)定表面活性劑組成。硬殼微泡雖較軟殼微泡順應(yīng)性差，但具有較強機械硬度，主要應(yīng)用于高頻率超聲［4］。軟殼微泡的軟殼增加了微泡內(nèi)部氣體的壓縮系數(shù)，振蕩性和順應(yīng)性更好，軟殼微泡在低頻率超聲下會發(fā)生膨脹和收縮，從而產(chǎn)生空化作用［5］。

超聲微泡的優(yōu)勢如下：（1）超聲微泡具有空化作用、聲孔效應(yīng)和輻射力作用［6］?？栈饔檬钱敵暡芰窟_到空化閾值時，微泡破裂產(chǎn)生高速微射流、高能沖擊波和巨大切應(yīng)力，從而產(chǎn)生聲孔效應(yīng)：其產(chǎn)生的能量使微血管破裂，內(nèi)皮細胞的細胞膜形成可逆或不可逆的小孔，從而增強通透性，可使更多的藥物進入細胞。輻射力是超聲產(chǎn)生的將微泡推向靶組織的推力，可增加靶器官附近藥物濃度，提高療效［7］。（2）微泡的靶向性可使藥物和基因靶向遞送，提高療效。（3）超聲微泡能保護藥物和基因不被核酸酶和網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)降解清除，從而使藥物和基因在血液循環(huán)中更加穩(wěn)定、在靶器官中聚集的濃度更高，提高治療效果。（4）能夠降低健康組織在藥物中的暴露程度和減少藥物使用劑量，從而減輕藥物對機體的不良反應(yīng)［8］。

1.2 超聲微泡的靶向性 微泡的靶向性是改善造影圖像質(zhì)量、提高治療療效的關(guān)鍵。超聲微泡靶向性的主要機制有：（1）超聲的局部輻照可觸發(fā)微泡的定點破裂，使藥物在靶器官周圍定點釋放，從而達到物理靶向的效果。（2）通過對超聲微泡外殼的特殊處理，可使其表面載有抗體、糖類、多肽類等配體，使微泡特異性識別并結(jié)合靶組織表達的受體，從而達到主動尋靶的目的。

超聲微泡的靶向性以及提高治療效果的作用已得到充分驗證。Sun等［9］在大鼠的缺血性心肌病基因治療實驗中證實，攜帶蛋白激酶B（AKT）基因的超聲靶向陽離子微泡轉(zhuǎn)染能力較普通微泡提高了近70%，心肌梗死范圍明顯縮小，治療效果明顯增加。另外，Du等［10］在使用Ang-1基因治療心肌梗死的動物實驗中也證實，細胞黏附分子-1抗體與靶向陽離子微泡的結(jié)合能靶向黏附于白細胞介素-1β刺激的DECV304細胞，即靶向至心肌梗死組織缺血區(qū)的血管內(nèi)皮；該研究的體內(nèi)實驗和體外實驗均證實靶向性微泡組梗死區(qū)域Ang-1基因的表達明顯提高。

1.3 超聲微泡造影設(shè)備的工作條件 超聲微泡用于造影時，其造影效果常用非線性回波信號強度表示。非線性回波信號的強弱除與微泡本身特性有關(guān)外，還主要取決于聲場中聲強或峰值聲壓強度機械指數(shù)（MI）［11］。當MI＞0.1時，大多數(shù)的造影劑微泡在標準心臟探頭下均可產(chǎn)生較強的非線性回聲信號，較高MI（MI＞0.5）成像常用于心室結(jié)構(gòu)、室壁運動及室壁血流灌注的造影，但其缺點是左心室及心內(nèi)膜顯影時間較短暫［12］。低MI（MI＜0.3）成像可實時觀察室壁運動，超低MI（MI＜0.2）成像能同時增強微泡左心室及心肌血流的顯影，但較低MI成像檢測微泡的敏感度相對降低。定性及定量分析心肌微血管血流灌注常采用高MI破壞微泡后，再使用低MI成像，這樣可實時觀察心肌中造影劑回聲強度動態(tài)變化過程［13］。

2 超聲微泡對心臟疾病的診治

2.1 超聲微泡造影 靶向微泡具有與紅細胞流變性相似的特點，能穩(wěn)定地通過肺循環(huán)和冠狀動脈循環(huán)至心腔和心肌，增強超聲波能量的反射，使心腔的心內(nèi)膜邊界顯示更清楚，從而提高圖像質(zhì)量，可用于全方面評估心臟解剖結(jié)構(gòu)和功能［7］。根據(jù)部位不同，心臟造影可分為右心聲學造影、左心聲學造影、心肌聲學造影。其中，左心聲學造影較為常用，可評估左室容量、射血分數(shù)、局部室壁運動和左心腔微結(jié)構(gòu)，常用于診斷冠狀動脈疾病、急性冠狀動脈綜合征，快速鑒別急性胸痛和動脈瘤類型，評價術(shù)后并發(fā)癥等。心肌聲學造影主要用于探查心肌梗死區(qū)及心肌缺血區(qū)，評價心肌存活性、冠狀動脈血流儲備、側(cè)支循環(huán)及內(nèi)皮功能，預測穩(wěn)定性冠狀動脈心臟病事件，進行急診胸痛患者的危險分層等［14］。

微泡在心臟疾病顯像中的靶向性可分為炎癥靶向顯像和血栓靶向顯像。血管內(nèi)皮細胞的炎癥反應(yīng)與疾病的發(fā)生、發(fā)展以及預后密切相關(guān)，普遍存在于冠心病、心力衰竭、感染性心內(nèi)膜炎等心臟疾病中。例如在感染性心內(nèi)膜炎中，微泡可對心臟瓣膜上的細菌贅生物進行靶向成像，達到早期診斷和治療的目的［15］。并且Dong等［16］在表皮葡萄球菌導致感染性心內(nèi)膜炎的模型中證實，微泡在達到靶向成像的同時還可以明顯提高病菌菌膜的通透性，從而提高藥物的治療效果。另外，血栓的形成是很多缺血性心臟疾病發(fā)生、發(fā)展的主要原因，而常規(guī)超聲診斷血栓存在一定的困難，尤其當血栓與周圍組織的回聲相似時，血栓靶向微泡顯像可有效解決該問題。例如在老鼠動脈粥樣硬化模型研究中，載有P-選擇素和血管細胞黏附分子-1的靶向微泡可進行靶向分子成像，直接靶向至動脈粥樣硬化區(qū)域，該靶向微泡有助于判斷病變區(qū)域［17-18］。

2.2 微泡溶栓 血栓引起的缺血性心臟病是重要的致死、致殘疾病，微泡溶栓在臨床及動物實驗中均有廣泛的運用。超聲微泡可明顯提高溶栓效果，降低血栓再發(fā)，原因如下：（1）臨床上溶栓藥物因易失活而往往使用劑量較高，微泡的使用可減少溶栓藥物劑量，降低出血、心肌破裂、低血壓等風險［19］。（2）內(nèi)源性破裂的微泡可破壞纖維蛋白網(wǎng)，提高溶栓效果［20］。（3）超聲可實時觀察溶栓過程，對超聲條件和藥物劑量進行實時調(diào)整。

在臨床中，介導鏈激酶、尿激酶、組織型纖溶酶原激活劑（tPA）、重組組織型纖溶酶原激活劑（rtPA）等溶栓藥物的超聲微泡已被廣泛應(yīng)用于治療急性冠脈綜合征等急性缺血性疾?。?1］。關(guān)于超聲設(shè)備的工作條件，George等［22］研究表明，低溫條件下（33℃）的超聲波（120 kHz、3.5 W/cm2）可顯著增強tPA近期與遠期的溶栓效果。

此外，對于微血管的栓塞，例如外周血管閉塞后的溶栓、冠狀動脈栓塞的介入治療中導致的微血管栓塞（MVO），當前傳統(tǒng)經(jīng)皮介入溶栓技術(shù)還無法治療，而微泡治療MVO是研究熱點。Roos等［23］使用超聲再灌注療法（sonoreperfusion therapy，SRP）在體外自建的微血管栓塞模型的研究中進行治療，SRP是利用超聲微泡引起的微流、射流和局部溫度增加等導致的生物效應(yīng)，與內(nèi)源性和外源性tPA共同作用再灌注微血管血流。

2.3 微泡的基因治療 隨著對心臟疾病分子層面的進一步了解，基因治療被認為是心臟疾病治療中一種很有前途的手段。Nabel等［24］早在1989年最先在心血管系統(tǒng)疾病治療中開展基因研究。近年來大量研究已證實，在微泡協(xié)同作用下，基因轉(zhuǎn)染效率能提高幾個數(shù)量級［25-26］，而且微泡相較病毒等其他載體還具有低毒性、低免疫原性、低侵入性和可重復性的特點，且在超聲波輻照區(qū)域以外可達到最低限度轉(zhuǎn)染甚至無轉(zhuǎn)染。除此之外，微泡還可以與病毒協(xié)同共載基因，轉(zhuǎn)染效率較單獨病毒作為載體也大為提高［27］。因此，超聲微泡已被認為是基因治療的新利器。

2.3.1 缺血性心臟病 超聲微泡主要是通過增加血管密度和誘導干細胞心肌的歸巢來治療缺血性心臟病。Deng等［28］在心肌梗死的家兔模型上，利用超聲微泡將Ang-1基因遞送至梗死的心肌，結(jié)果表明梗死區(qū)的微血管密度升高，左心室功能明顯改善，同時超聲微泡的協(xié)同作用提高了療效。Su等［29］在豬冠狀動脈微栓塞（CME）模型中利用微泡介導microRNA-21靶向調(diào)控靶基因PDCD4，抑制PDCD4/NF-κB/TNF-α信號通路，從而明顯降低PDCD4表達和NF-κB活性，進而改善CME誘發(fā)的心功能不全。Kwekkeboom等［30］利用微泡成功將miRNA抑制劑antagomir傳遞至鼠心肌梗死部位，發(fā)現(xiàn)antagomir能有效抑制心肌細胞纖維化和凋亡，促進血管生成，從而改善心臟功能，治療心肌梗死。Kokhuis等［31］研究表明，微泡可促使干細胞心肌細胞的歸巢，增加缺血后存活心肌數(shù)目，促進心肌梗死后損傷血管的修復及再生。

2.3.2 心肌缺血再灌注（I/R） I/R的治療基因主要有GDF11、TRAF3IP、miR-21等。Du等［10］通過超聲微泡將GDF11基因靶向輸送到心臟，GDF11的成功表達使內(nèi)源性干細胞活力恢復，生成了新的內(nèi)皮、血管，減輕了I/R損傷、減少了梗死面積，從而改善了心功能。Erikson等［32］利用靶向微泡傳遞TRAF3IP2的磷硫酰反義寡核苷酸至左心室，從而明顯抑制了TRAF3IP2表達，降低了炎癥細胞因子、趨化因子和黏附分子表達，減輕了I/R誘導的氧化應(yīng)激，防止了I/R和I/R修復期導致的心肌肥大和心肌收縮功能障礙。Liu等［33］研究表明，miR-21具有保護心肌的作用，可改善心室重構(gòu)、減少I/R損傷所致的心肌細胞凋亡，從而減少心肌梗死面積。

2.3.3 糖尿病心肌病（DCM） Zhao等［34-35］研究顯示，超聲微泡可成功介導堿性成纖維細胞生長因子脂質(zhì)體（bFGF-lip）和酸性成纖維細胞生長因子納米粒（aFGF-NP），從而防治DCM。實驗表明，bFGF-lip可激活PI3K/Akt信號通路，從而抑制心肌細胞凋亡、增加微血管密度；而aFGF-NP是多種細胞重要的促生存和抗凋亡因子，可誘導內(nèi)皮細胞平滑肌細胞增殖和血管生成，調(diào)節(jié)DCM應(yīng)激反應(yīng)而抑制損傷，降低心肌細胞凋亡指數(shù)、增加心肌微血管密度，可不同程度改善心臟舒張功能、心肌纖維化和代謝紊亂；實驗還證明基因與微泡的聯(lián)合運用不僅可以提高aFGF在存儲和血液循環(huán)中的穩(wěn)定性，還減少了其對機體的不良反應(yīng)［34-35］。

2.3.4 心肌肥厚和心衰 在逆轉(zhuǎn)心肌肥厚和心衰方面，Gill等［36］通過微泡輸送模擬miR-133至心臟，有效減少了肥大細胞的表達，這可能成為今后臨床上逆轉(zhuǎn)負性肥厚性重塑的理想方式。Dong等［8］在體內(nèi)外研究中均表明，微泡介導的miR-21使抗凋亡基因bcl-2上調(diào)，從而改善心肌肥厚和心肌纖維化，對治療心力衰竭有較大幫助。

3 問題與展望

超聲微泡為心臟疾病的診治提供了新的發(fā)展方向，在未來可補充甚至取代現(xiàn)有的診療手段，但超聲微泡的治療應(yīng)用大多數(shù)還停留在實驗研究階段，并且許多方面的問題亟待解決：（1）微泡所載的心臟疾病相關(guān)藥物及基因用法用量需進一步規(guī)范，新型的微泡材料、藥物、基因有待證實和開發(fā)，超聲設(shè)備需進一步改進，最佳參數(shù)組合需進一步擬定。（2）超聲微泡的技術(shù)學習難度大、對專業(yè)技術(shù)人員的要求較高、對操作者的依賴性強，需要專業(yè)培訓學習。（3）超聲微泡為載體的基因轉(zhuǎn)染效率較低，所以需要尋找保證超聲微泡載體質(zhì)量的同時具有高轉(zhuǎn)染效率的方式方法。

隨著分子影像學的發(fā)展，超聲造影劑在未來會逐步實現(xiàn)多功能成像和多模態(tài)顯像。多功能超聲造影劑是由多種顯像分子、靶向基因及藥物與超聲造影劑連接制備而成，多模態(tài)顯像在進行超聲分子成像的同時可實現(xiàn)其他影像技術(shù)的增強顯像，經(jīng)過后期處理將各種分子影像學的優(yōu)點結(jié)合。目前超聲造影劑材料一直在被研發(fā)更新，例如微泡已逐步從微米級轉(zhuǎn)換為納米級，納米粒微泡管徑更小、穿透力更強，可穿過腫瘤血管間隙進入組織而用于造影，未來一定會有更多更有利于診斷治療的造影劑材料被研發(fā)使用。