聲動(dòng)力療法的研究進(jìn)展

周 玉，代佳音，畢良佳

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院口腔科，哈爾濱 150001)

癌癥是全世界人類(lèi)死亡的主要原因之一，癌癥患者數(shù)量正在迅速增加，預(yù)計(jì)在2038年將達(dá)到2 200萬(wàn)例[1]。目前癌癥治療主要方法，包括手術(shù)、化療、放療和免疫療法。傳統(tǒng)方法雖不斷改善，但仍存在自身局限性。手術(shù)治療難以完全清除癌細(xì)胞以及無(wú)法治愈轉(zhuǎn)移性腫瘤?；熀头暖熞欢ǔ潭壬峡梢杂行⑺腊┘?xì)胞，但同時(shí)會(huì)損傷正常組織。此外，在長(zhǎng)期化療和放療期間癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生耐受性。免疫療法是一種有效癌癥治療法，但成本過(guò)高，有可能引起細(xì)胞因子風(fēng)暴[2-4]。因此，找到一個(gè)有效、安全和低成本的治療方法變得極為需要。聲動(dòng)力療法(sonodynamic therapy，SDT)是從光動(dòng)力療法(photodynamic therapy，PDT)衍生發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，PDT由于組織穿透性差在一些疾病中的應(yīng)用受限,SDT的優(yōu)勢(shì)在于可以在軟組織中緊密聚焦，穿透深度可達(dá)10 cm[5]，在體外和體內(nèi)均可產(chǎn)生明顯的抗癌作用[6]。同時(shí)SDT協(xié)同其他治療效果顯著?，F(xiàn)對(duì)聲動(dòng)力療法的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 SDT可能的功能機(jī)制

SDT在體外和體內(nèi)的各種生物系統(tǒng)中的機(jī)制已得到廣泛研究。SDT的最終性能取決于多種不同因素，包括聲敏劑的類(lèi)型、暴露頻率和強(qiáng)度。因此，研究結(jié)果的詳細(xì)機(jī)制難以確定[7]。目前，SDT機(jī)制可能包括超聲空化效應(yīng)、自由基和單線(xiàn)態(tài)氧的產(chǎn)生和超聲誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。

1.1 超聲空化效應(yīng) 超聲空化效應(yīng)是一種獨(dú)特的物理現(xiàn)象，超聲產(chǎn)生的聲能可以迅速增加機(jī)械壓力，導(dǎo)致組織液中產(chǎn)生微泡[8]。聲孔效應(yīng)是指超聲在特定的強(qiáng)度和頻率作用下，細(xì)胞周?chē)奈⑴萃ㄟ^(guò)其振蕩產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng),這種機(jī)械振蕩使細(xì)胞膜瞬時(shí)形成微孔，半衰期為10 min，微孔直徑為幾納米至150 nm不等。因此，聲孔效應(yīng)更容易破壞細(xì)胞膜，增加微血管通透性增強(qiáng)和藥物轉(zhuǎn)運(yùn)[9]。Escoffre等[10]已成功將聲孔效應(yīng)用于改善核酸向腫瘤、骨骼肌和腎臟的遞送效率。這些特性使聲孔效應(yīng)成為基因和藥物傳遞的一種創(chuàng)新的方法[9]。在該聲孔效應(yīng)的作用下，附著于腫瘤細(xì)胞表面的聲敏劑將從基態(tài)被激活成激發(fā)態(tài)，并且當(dāng)激活聲敏返回到基態(tài)時(shí)，被釋放能量可以轉(zhuǎn)移到環(huán)氧中以產(chǎn)生大量的活性氧，這些活性氧可在隨后導(dǎo)致細(xì)胞毒性[11]。

1.2 自由基和單線(xiàn)態(tài)氧產(chǎn)生 除了超聲空化外，SDT過(guò)程中的機(jī)械壓力可以誘導(dǎo)細(xì)胞和組織的損傷。聲化學(xué)效應(yīng)也通過(guò)SDT在細(xì)胞中發(fā)揮重要作用[12]。在慣性空化過(guò)程中，崩塌的微泡導(dǎo)致高溫和高壓，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度的剪切和沖擊波，引起聲化學(xué)反應(yīng)(稱(chēng)為聲化學(xué)效應(yīng))[13]。自由基和單線(xiàn)態(tài)氧是最關(guān)鍵的聲化學(xué)物，兩者都是高反應(yīng)性試劑，均可以氧化周?chē)孜铮瑥亩诎屑?xì)胞上引起不可修復(fù)的損傷。一旦產(chǎn)生足夠的高反應(yīng)性物質(zhì)，就開(kāi)始一系列生理過(guò)程，如線(xiàn)粒體膜電位降低、細(xì)胞骨架收縮、染色質(zhì)濃縮、膜破裂及DNA斷裂。這些生物反應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[14]。超聲介導(dǎo)聲敏劑所產(chǎn)生的自由基與微泡周?chē)醴肿影l(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生過(guò)氧自由基和烷氧自由基。過(guò)氧化物酶體和烷氧基自由基均可引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜不穩(wěn)定性，導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)剪切和超聲損傷更敏感[15]。單線(xiàn)態(tài)氧是慣性空化產(chǎn)生的另一個(gè)活性氧類(lèi)，是聲動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的主要介質(zhì)。在單線(xiàn)態(tài)氧生成過(guò)程中，有三個(gè)基本要素，包括超聲敏劑、低頻超聲和氧分子[14]。與PDT的過(guò)程類(lèi)似，聲敏劑在通過(guò)超聲空化接收聲能后從基態(tài)激活到激發(fā)態(tài)。然后活化的聲敏劑返回基態(tài)并釋放能量，直接與周?chē)幕鶓B(tài)三重態(tài)氧接觸，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)單線(xiàn)態(tài)氧。單線(xiàn)態(tài)氧可以作為一種高反應(yīng)活性劑激活氧化反應(yīng)并誘導(dǎo)周?chē)?xì)胞和組織中不可逆的細(xì)胞損傷[12]。單線(xiàn)態(tài)氧的成分最常見(jiàn)方法是使用組氨酸、甘露醇和超氧化物歧化酶進(jìn)行自由基清除實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到組氨酸的保護(hù)作用，而不能由甘露醇或超氧化物歧化酶誘導(dǎo)。這些結(jié)果表明單線(xiàn)態(tài)氧是造成SDT誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性的原因[16]。

1.3 SDT誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡 細(xì)胞凋亡又稱(chēng)程序性細(xì)胞死亡，是一種受基因控制的主動(dòng)性細(xì)胞自殺過(guò)程，為生理性細(xì)胞死亡的一種形式。研究表明，細(xì)胞凋亡可以由低強(qiáng)度和低頻超聲誘導(dǎo)，并且可以通過(guò)聲動(dòng)力學(xué)敏感性，化學(xué)治療劑藥性進(jìn)一步增強(qiáng)。已經(jīng)在HL-60、K562和U937白血病細(xì)胞中證實(shí)超聲誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[17-18]。目前，超聲誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的詳細(xì)機(jī)制尚不完全清楚。有報(bào)道指出SDT可通過(guò)體內(nèi)細(xì)胞凋亡影響血管生成[19]。SDT聲動(dòng)力效用可能破壞腫瘤部位內(nèi)的血管和血管內(nèi)皮，導(dǎo)致血管中的血栓形成，進(jìn)而影響血液營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。由于葡萄糖和氧氣不能充分傳遞到腫瘤血管，血液血管系統(tǒng)會(huì)形成缺氧區(qū)域，從而通過(guò)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[20-21]。超聲誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的另一個(gè)機(jī)制是通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)[22]。當(dāng)人類(lèi)髓單核細(xì)胞淋巴瘤細(xì)胞系U937細(xì)胞在頻率為1.0 MHz超聲作用下，通過(guò)下調(diào)193個(gè)基因和上調(diào)201個(gè)基因誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,下調(diào)基因與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和發(fā)育有關(guān)，而上調(diào)的基因與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞死亡有關(guān)[23]。除了上述兩種機(jī)制外，許多研究人員還發(fā)現(xiàn)，SDT對(duì)參與癌細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路有直接影響[24]。在超聲作用下線(xiàn)粒體-半胱氨酸蛋白酶信號(hào)通路在細(xì)胞凋亡中被打開(kāi)，從而加速促凋亡蛋白的表達(dá)[25-26]。許多研究證實(shí)，SDT誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡影響了Ca2+依賴(lài)途徑。通常，微泡活動(dòng)會(huì)改變癌細(xì)胞內(nèi)的Ca2+水平，這可能與細(xì)胞膜損傷和恢復(fù)膜功能所需的時(shí)間有關(guān)[27]。在一些情況下，在超聲作用后可以觀察到細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高。Ca2+水平的上調(diào)表明超聲處理細(xì)胞的膜破裂并完全失去其完整性，這與SDT誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有關(guān)，因?yàn)镃a2+可以促進(jìn)這一過(guò)程[28]。

2 聲敏劑

聲敏劑的使用對(duì)SDT至關(guān)重要。每個(gè)聲敏劑都需要對(duì)超聲具有足夠的敏感性，并且對(duì)靶區(qū)域具有相對(duì)高的特異性。理想的聲敏劑對(duì)健康組織具有低毒性。目前，根據(jù)它們的生物學(xué)功能和化學(xué)結(jié)構(gòu)聲敏劑可以分為卟啉化合物、酮類(lèi)化合物、抗腫瘤藥物、非甾體抗炎藥及其他聲敏劑五類(lèi)[29]。大多數(shù)敏化劑可以?xún)?yōu)先聚集在腫瘤組織中，但部分敏化劑在其他正常組織中也有分布，正常組織內(nèi)敏化劑一旦被超聲激活會(huì)產(chǎn)生能量，從而會(huì)損傷正常組織。為了避免正常組織在SDT過(guò)程中受到最小損傷，超聲可以將敏化劑聚集到與腫瘤位置匹配的組織深度。即超聲源和靶向組織之間正常組織內(nèi)最好不存在敏化劑，一旦超聲作用后，聲敏劑在腫瘤區(qū)域被激發(fā)，產(chǎn)生活性氧類(lèi)，對(duì)癌細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用[11]。

3 SDT聯(lián)合其他癌癥治療方法協(xié)同作用

SDT的抗腫瘤作用通常局限于抑制腫瘤生長(zhǎng)而不是縮小腫瘤[30]。多種輔助治療的聯(lián)合治療已成為癌癥治療的熱點(diǎn)。SDT與其他癌癥治療方法的結(jié)合作為一種新的腫瘤治療策略，顯示出巨大的潛力。因此，SDT很有可能成為臨床治療癌癥的輔助方法。目前，研究表明，SDT聯(lián)合化療、免疫、PDT、高溫等療法可獲得顯著的協(xié)同作用。

3.1 SDT聯(lián)合化療 在癌癥的綜合治療過(guò)程中，先用化療藥物治療，使腫瘤縮小后再手術(shù)。而化療藥物耐藥性極大地限制了臨床廣泛應(yīng)用。為了提高癌癥對(duì)化療藥物的敏感性，首先，超聲波可以選擇性地改善癌細(xì)胞中化療藥物的攝取，從而減少對(duì)正常細(xì)胞和組織的毒性作用[4]。SDT可激活線(xiàn)粒體-胱天蛋白酶信號(hào)通路[25]，下調(diào)ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[31]的表達(dá)水平，有利于提高癌細(xì)胞對(duì)化療藥物的敏感性，從而提高細(xì)胞凋亡率。納米聲敏劑如TiO2納米顆?？捎糜诩虞d和靶向遞送化療藥物，以提高化療對(duì)癌癥的治療效果[32]。Wang等[33]評(píng)估了阿霉素與原卟啉介導(dǎo)的低強(qiáng)度超聲聯(lián)合應(yīng)用對(duì)白血病耐藥K562/DOX細(xì)胞的療效。在一定條件下，細(xì)胞的死亡比例顯著增加。McEwan等[34]制備了一個(gè)載氧微泡平臺(tái)，用于攜帶聲敏劑玫瑰紅或抗代謝物5-氟尿嘧啶結(jié)合SDT和抗代謝物靶向治療胰腺癌。結(jié)果表明，SDT與抗代謝物聯(lián)合治療顯著抑制三種不同胰腺癌細(xì)胞系(BxPc-3、MIA PaCa-2和PANC-1)的增殖。此外，載氧微泡平臺(tái)可以將O2有效輸送到腫瘤微環(huán)境，從而提高依賴(lài)于O2治療的效果?？傊瘜W(xué)療法結(jié)合外部超聲，提供了一種更具針對(duì)性的方法，相比單獨(dú)應(yīng)用抗代謝藥物的全身給藥療效更好。

3.2 SDT聯(lián)合免疫治療 與傳統(tǒng)療法相比，免疫療法因毒性最小且安全性極佳已成為一種治療癌癥的新策略。Gc蛋白衍生的巨噬細(xì)胞活化因子天然存在于人體內(nèi)，具有多種功能，如活化巨噬細(xì)胞和抗腫瘤活性。基于Gc蛋白衍生的巨噬細(xì)胞活化因子的免疫療法可以與許多其他療法組合使用。目前的案例研究表明，Gc蛋白衍生的巨噬細(xì)胞活化因子和SDT可以與轉(zhuǎn)移性癌癥患者的常規(guī)療法聯(lián)合使用，特別是在治療方案因毒性因素而受到限制的情況下。臨床學(xué)者向1例55歲女性乳腺癌患者肌內(nèi)注射第二代高劑量Gc蛋白衍生的巨噬細(xì)胞活化因子0.5 mL，每周2次，共21次。在接下來(lái)3個(gè)月內(nèi)進(jìn)行了19次SDT治療。胸部CT水平面顯示SDT治療后患者右肺部胸腔積液和結(jié)節(jié)陰影完全消失[35]。另外一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)SDT介導(dǎo)血卟啉衍生物殺傷腫瘤細(xì)胞，促進(jìn)細(xì)胞表面鈣網(wǎng)蛋白表達(dá)并引起免疫應(yīng)答。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在SDT作用下H22荷瘤小鼠體內(nèi)出現(xiàn)功能性抗腫瘤免疫效應(yīng)。同時(shí)，該方法還具有免疫記憶功能，可防止初次腫瘤消除后腫瘤再一次復(fù)發(fā)[36]。這些結(jié)果表明SDT對(duì)免疫應(yīng)答有重要作用。

3.3 SDT結(jié)合PDT(sonophotodynamic therapy,SPDT) SPDT是一種安全、無(wú)毒、無(wú)創(chuàng)的新型方法，該治療使用特定波長(zhǎng)的光和特定頻率的超聲來(lái)激活特異聚集于腫瘤細(xì)胞內(nèi)敏化劑，從而在腫瘤區(qū)域產(chǎn)生機(jī)械、聲化學(xué)和光化學(xué)活性PDT[37]，已逐漸應(yīng)用于治療各種癌癥。然而，激光的低穿透能力限制了PDT的廣泛應(yīng)用[5]。與PDT相比，在SDT中可以容易地穿透深層組織層的超聲波，從而彌補(bǔ)了PDT的主要局限性。Liu等[38]研究中卟啉鈉介導(dǎo)的SPDT與單獨(dú)的SDT或PDT相比細(xì)胞毒性更強(qiáng)，并且在4T1異種移植小鼠模型中極大地抑制了腫瘤生長(zhǎng)。此外，卟啉鈉介導(dǎo)的SPDT對(duì)荷瘤小鼠的體重和主要器官?zèng)]有明顯影響。結(jié)果表明，通過(guò)SDT和PDT的組合，卟啉鈉可以增強(qiáng)腫瘤治療效果并降低對(duì)正常組織的毒性。Miyoshi等[39]分別使用TiO2納米粒子和5-乙酰丙氨酸作為聲敏劑和光敏劑，用于SDT和PDT聯(lián)合治療癌癥。將幾種組合形式應(yīng)用于動(dòng)物腫瘤模型和分別口服0.2%-TiO2納米顆粒和1 mmol/L 5-乙酰丙氨酸，然后進(jìn)行超聲和激光照射，并獲得最強(qiáng)的抗腫瘤效果。

3.4 SDT結(jié)合高溫療法 高溫療法是一種將腫瘤溫度升高到超生理水平(40～44 ℃)的方式，加熱腫瘤區(qū)域使癌細(xì)胞失活的現(xiàn)象，是一種很有前途的癌癥療法，然而高溫療法對(duì)抗腫瘤有輕微作用。SDT作為癌癥治療方法顯示出巨大的潛力，高溫療法是否可以提高SDT的功效，Ju等[40]對(duì)潛在的機(jī)制進(jìn)行初步探索得出：與單獨(dú)的SDT相比，5-乙酰丙氨酸介導(dǎo)的SDT聯(lián)合高溫療法在體外和體內(nèi)均顯著抑制人神經(jīng)膠質(zhì)瘤的生長(zhǎng)。高溫療法顯著增強(qiáng)5-乙酰丙氨酸介導(dǎo)的SDT對(duì)細(xì)胞凋亡和活性氧類(lèi)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用[40]。結(jié)果表明，SDT與高溫療法相結(jié)合可作為癌癥治療的有效策略。

3.5 SDT結(jié)合沖擊波療法 沖擊波是一種聲壓縮波，具有高振幅和快速的壓力變化，一個(gè)高壓相隨后一個(gè)低壓相。研究已證實(shí)，SW可以激活聲敏劑，以最大限度減少超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)[41]。僅用沖擊波抑制腫瘤生長(zhǎng)時(shí)無(wú)明顯的效果[42]，而沖擊波和聲敏劑的結(jié)合可抑制腫瘤生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生聲動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。Foglietta等[43]在Mat B-Ⅲ同系大鼠乳腺癌模型中研究了沖擊波介導(dǎo)SDT的抗癌作用。在用5-乙酰丙氨酸和沖擊波處理后，SDT處理組觀察到腫瘤大小顯著減小。結(jié)果表明，沖擊波顯著提高了SDT的抗癌作用，從而表明沖擊波介導(dǎo)的SDT可以作為一種創(chuàng)新和有效的癌癥治療方法。

4 小 結(jié)

與傳統(tǒng)治療方式相比，SDT具有非侵入性，深部腫瘤穿透力強(qiáng)，裝置操作簡(jiǎn)單，精確度高，對(duì)正常組織毒性作用小等特點(diǎn)。盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但未來(lái)SDT仍有一些值得考慮的問(wèn)題：SDT用于癌癥治療的具體機(jī)制尚不清楚，有些仍存在爭(zhēng)議。只有依據(jù)充足，才能控制空化類(lèi)型，在不同情況下為腫瘤治療產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。超聲對(duì)特定腫瘤的參數(shù)如頻率、強(qiáng)度和照射時(shí)間仍然需要進(jìn)一步研究。此外，SDT與其他治療方法的組合顯示出較高的優(yōu)勢(shì)。