超聲微泡造影劑在糖尿病心肌病中的研究進(jìn)展

茹 翱 田新橋

自Rubler S等于1972年提出糖尿病(diabetes milletus，DM)導(dǎo)致的心肌病變?yōu)樘悄虿〉膰?yán)重慢性并發(fā)癥之一，Hamby等［1］于1974年提出糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)這一概念后，隨著人民生活水平提高、生活模式的改變及人口老齡化加劇，近年來(lái)DCM已成為糖尿病患者易發(fā)心衰和死亡的主要原因之一。然而，DCM的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前尚不十分清楚，而且由于早期常無(wú)任何特殊癥狀及體征，使得臨床上難以進(jìn)行早期診斷和有效治療。20世紀(jì)60年代Joiner通過(guò)左心導(dǎo)管注射靛青綠后發(fā)現(xiàn)超聲回聲信號(hào)增強(qiáng)、1968年 Gramiak等［2］首次將自制的微泡進(jìn)行超聲心動(dòng)圖檢查以來(lái)，超聲微泡造影劑(ultrasound microbubble contrast agent)的研究和應(yīng)用得到了很大發(fā)展，為DCM的探索、診斷或治療提供了一種新型、無(wú)創(chuàng)、前景廣闊的方法。

一、超聲微泡造影劑及其生物學(xué)效應(yīng)

1．超聲微泡造影劑的定義、原理及發(fā)展歷程:超聲微泡造影劑一般是由具有一定生物兼容性的高分子材料包裹的微氣泡，其直徑通常在1～8μm之間。這類(lèi)微泡造影劑注入血液后，在超聲波作用下會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)爆破，可增強(qiáng)血液的背向散射信號(hào)，從而使血流清楚顯示，用以評(píng)估臟器及外周血管血流灌注情況，達(dá)到對(duì)某些疾病進(jìn)行診斷與鑒別診斷的目的。超聲微泡造影劑經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段:第1代超聲微泡造影劑微泡內(nèi)為自由氣體，外無(wú)膜包被且極不穩(wěn)定，由于微泡直徑大，不能通過(guò)肺毛細(xì)血管，故只能進(jìn)行右心顯影，代表類(lèi)型為Echovis;第2代超聲微泡造影劑在微泡外包裹一層以白蛋白、脂類(lèi)等為主要成分的膜殼，其穩(wěn)定性較第一代增強(qiáng)，且可以通過(guò)肺毛細(xì)血管，實(shí)現(xiàn)左心腔顯影，代表類(lèi)型為Albunex和Levovist;第3代超聲微泡造影劑微泡內(nèi)含氟碳類(lèi)氣體，穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，并可以實(shí)現(xiàn)全身多器官顯影，代表類(lèi)型為Optison和Sonovue。目前被廣泛用作超聲造影的微泡造影劑屬于第3代超聲微泡造影劑。

2．超聲輻射微泡產(chǎn)生的主要生物學(xué)效應(yīng):超聲微泡進(jìn)入血液后，在具有一定頻率的超聲波作用下，會(huì)發(fā)生空化效應(yīng)、熱效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)3種主要的生物學(xué)效應(yīng)?？栈?yīng)指液體中存在的微小含氣空化核(微泡)在聲波作用下發(fā)生共振，產(chǎn)生“先擴(kuò)大－后收縮－最后內(nèi)爆”的一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于微泡在此過(guò)程中吸收了大量的聲能，故在內(nèi)爆瞬間，微泡內(nèi)聚集的能量迅速釋放，在其周?chē)纬筛吣墉h(huán)境［3］，引起周?chē)M織結(jié)構(gòu)的改變，如毛細(xì)血管損壞、微血管畸形、血管中血液滲漏等生物效應(yīng)［3～5］。但是微泡在空化內(nèi)爆后釋放的能量一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，引起血液溫度小幅升高，此即為超聲微泡的熱效應(yīng)［6］。而另一部分能量產(chǎn)生的高壓，會(huì)引發(fā)周?chē)W(xué)環(huán)境的劇烈變化，這種變化亦會(huì)作用于周?chē)M織，引起后者一定的功能改變，如細(xì)胞變形、死亡等，此即機(jī)械效應(yīng)［7，8］。

二、超聲微泡造影劑在DCM中的應(yīng)用

1．DCM發(fā)病機(jī)制及病理改變:DCM的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，以往研究認(rèn)為，DCM的發(fā)生主要與心肌細(xì)胞代謝紊亂、心肌纖維化、心臟自主神經(jīng)病變及心肌祖細(xì)胞功能改變有關(guān)。DCM由代謝紊亂觸發(fā)，引起心肌細(xì)胞學(xué)改變，從而出現(xiàn)亞臨床的心功能異常，以后進(jìn)展為心肌小血管病變、微循環(huán)障礙及心自主神經(jīng)病變，最終導(dǎo)致心功能不全。病理研究亦發(fā)現(xiàn)，糖尿病會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大、心肌內(nèi)膽固醇及糖原含量沉積、心臟內(nèi)毛細(xì)血管基膜增厚、毛細(xì)血管管腔橫截面積減少、大量肌原纖維蛋白喪失、冠脈和血管周?chē)市募￠g質(zhì)纖維化。但DCM的具體產(chǎn)生過(guò)程至今尚未完全明了，仍然有待于進(jìn)一步研究。

2．超聲微泡造影檢測(cè)心肌微循環(huán)改變的優(yōu)勢(shì):以往由于缺乏能夠?qū)π募∥⒀h(huán)功能狀態(tài)進(jìn)行活體研究的方法，故只能通過(guò)離體或尸檢的方式對(duì)微循環(huán)進(jìn)行某個(gè)時(shí)間點(diǎn)孤立的研究。而心肌聲學(xué)造影(myocardial contrast echocardiography，MCE)成像可以解決心肌微循環(huán)功能動(dòng)態(tài)、活體研究的問(wèn)題。MCE成像中使用的超聲微泡在心肌內(nèi)集中的區(qū)域可以反映心肌微循環(huán)系統(tǒng)的血容量相應(yīng)集中的區(qū)域。因此MCE既能夠提供心肌微循環(huán)系統(tǒng)整體的功能狀態(tài)，也能夠評(píng)價(jià)局部心肌的血流灌注狀況，具有極好的時(shí)間、空間分辨率，且價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，日常儀器維護(hù)費(fèi)用低，優(yōu)于正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)(PET)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層攝影術(shù)(SPECT)。國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)已證明MCE是一種行之有效的檢測(cè)心肌血流灌注的診斷方法。

3．超聲微泡造影對(duì)DCM的實(shí)驗(yàn)研究:分子生物學(xué)及病理解剖研究均發(fā)現(xiàn)，在糖尿病發(fā)病早期，繼能量代謝改變發(fā)生后心肌微循環(huán)會(huì)出現(xiàn)功能障礙和(或)解剖改變，并伴有心肌功能障礙，因此當(dāng)前超聲微泡造影對(duì)DCM的實(shí)驗(yàn)研究主要是用于檢測(cè)心肌微循環(huán)異常。心肌微循環(huán)的改變對(duì)DCM心肌功能障礙有著重要影響，而高血糖狀態(tài)則是引發(fā)微循環(huán)改變的一個(gè)關(guān)鍵始動(dòng)因素。劉詩(shī)珍等［9］采用氟碳類(lèi)造影劑PESDA造影劑對(duì)開(kāi)胸犬進(jìn)行心肌造影，觀察急性高血糖(hyperglycemia，HG)對(duì)正常和缺血心肌心肌血流量(myocardial bIood flow，MBF)的影響，發(fā)現(xiàn)急性HG會(huì)使正常心肌的MBF及心肌血流儲(chǔ)備(myocardial blood reserves，MFR)下降，但對(duì)已經(jīng)缺血的心肌的MBF及MFR無(wú)明顯影響。遲東升等［10］人對(duì)高血糖模型犬用全氟顯微泡造影劑分別進(jìn)行了基礎(chǔ)狀態(tài)與藥物負(fù)荷狀態(tài)下MCE實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):與基礎(chǔ)狀態(tài)相比，藥物負(fù)荷狀態(tài)下，HG會(huì)導(dǎo)致MBF、MFR顯著下降。上述研究結(jié)果證實(shí)HG確會(huì)導(dǎo)致心肌微循環(huán)的改變。Cosyns等［11］則對(duì) DM Wistar大鼠用 Sonovue進(jìn)行MCE實(shí)驗(yàn)，并與組織病理對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)DM大鼠心肌毛細(xì)血管管腔橫截面積、血管密度較對(duì)照組顯著下降，作者推測(cè)心肌毛細(xì)血管的這些病理改變是MFR異常的主要決定因素。既往研究表明，在糖尿病早期階段已經(jīng)出現(xiàn)心肌功能障礙，但對(duì)于心肌功能障礙與心肌微循環(huán)之間的關(guān)系尚缺乏深入研究。衛(wèi)張蕊［12］對(duì)靜息狀態(tài)和潘生丁負(fù)荷狀態(tài)下DM大鼠的心肌功能與血流灌注的相關(guān)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下DM組大鼠的心肌運(yùn)動(dòng)速度、切向應(yīng)變、切向應(yīng)變率與MBF雖然較正常對(duì)照組減低，但是心肌功能指標(biāo)與MBF之間并沒(méi)有顯著的相關(guān)性，而在潘生丁負(fù)荷后DM組大鼠的心肌運(yùn)動(dòng)速度儲(chǔ)備、應(yīng)變儲(chǔ)備及應(yīng)變率儲(chǔ)備均較正常對(duì)照組顯著減低，心肌血流儲(chǔ)備也顯著減低，各項(xiàng)心肌功能指標(biāo)減低均與MFR的減低呈顯著正相關(guān)，表明靜息狀態(tài)下心肌血流量的變化并非心肌功能指標(biāo)降低的主要決定因素，而潘生丁負(fù)荷后心肌血流儲(chǔ)備的減低可能是心肌功能儲(chǔ)備降低的主要決定因素之一。繼而段云燕等［13］對(duì)早期DM大鼠心肌功能和血流灌注障礙的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程和演變規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，證實(shí)靜息及潘生丁負(fù)荷狀態(tài)下DM大鼠早期即可檢出心肌功能和血流灌注障礙，且心肌功能障礙的發(fā)生時(shí)間早于血流灌注異常，說(shuō)明心肌自身?yè)p傷在DCM的發(fā)生和早期發(fā)展階段占據(jù)主要地位，而微血管損傷造成的灌注障礙發(fā)生較晚，可能對(duì)DCM后期的發(fā)展起到協(xié)同作用。上述實(shí)驗(yàn)均為DCM的具體發(fā)病機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。

4．超聲微泡造影對(duì)DCM的臨床研究:超聲微泡造影作為一種定量評(píng)價(jià)心肌微循環(huán)灌注改變的無(wú)創(chuàng)性技術(shù)手段，除了用于實(shí)驗(yàn)研究外，目前已經(jīng)應(yīng)用于臨床研究。李薇玢等［14］與王洲等［15］分別各自應(yīng)用SonoVue觀察了靜息狀態(tài)下2型糖尿病患者心肌微循環(huán)灌注情況，結(jié)果均顯示:靜息狀態(tài)下2型糖尿病患者的心肌局部血容量值(A)、心肌血流速度(k)及心肌血流量(A·k)均較對(duì)照組明顯減低。臨床研究中還有一些學(xué)者將MCE與其他技術(shù)(如速度向量成像、應(yīng)變率成像等)結(jié)合，對(duì)糖尿病患者心肌微循環(huán)及舒縮功能進(jìn)行研究。Elhendy［16］等對(duì)懷疑合并冠脈疾病(CAD)的糖尿病患者，在多巴酚丁胺負(fù)荷狀態(tài)下用Optison或Definity微泡造影劑進(jìn)行MCE研究，并與冠脈血管造影結(jié)果對(duì)照，發(fā)現(xiàn)MCE可用于診斷與確認(rèn)DM患者合并CAD的病變范圍，且具有較高的準(zhǔn)確性與敏感性。Moir等［17］將MCE與應(yīng)變率成像(SRI)相結(jié)合，對(duì)無(wú)冠心病的亞臨床糖尿病心肌病患者進(jìn)行觀察研究，探討心肌血流灌注與亞臨床心肌功能障礙之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn):無(wú)冠心病的亞臨床糖尿病心肌病患者的收縮期平均峰值應(yīng)變率、平均峰值應(yīng)變、心肌血流量?jī)?chǔ)備均較對(duì)照組明顯減低，但心肌血流參數(shù)與心功能參數(shù)間無(wú)顯著相關(guān)性。Mizuno等［18］用SRI對(duì)靜息狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷后的DM患者的左室舒張開(kāi)始時(shí)間(Tr)進(jìn)行分析，用MCE檢測(cè)心肌血流量，發(fā)現(xiàn)DM患者左心室舒張開(kāi)始時(shí)間延遲，心肌血流顯著下降，兩者呈負(fù)相關(guān)，提示運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下無(wú)其他心臟疾病的DM患者左室舒張時(shí)間延遲與冠脈微循環(huán)功能障礙有關(guān)。Dounis等［19］應(yīng)用Levovist微泡造影劑與組織多普勒對(duì)DM病人組、CAD患者組、DM合并CAD患者組(DCAD)及對(duì)照組進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)DM患者與CAD患者均出現(xiàn)相似的心肌整體舒張速度、心肌毛細(xì)血管血容量及血流速度異常，但通過(guò)預(yù)防性應(yīng)用心血管藥物、控制血糖及改善血管內(nèi)皮功能等治療可以使之明顯好轉(zhuǎn)，這為DCM新的治療理念提供了基礎(chǔ)。

三、未來(lái)與展望

1．超聲靶向微泡實(shí)現(xiàn)靶向顯影與治療:(1)超聲靶向微泡(ultrasound targeted microbubble):隨著對(duì)微泡及微泡制備技術(shù)的深入研究，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同微泡外殼膜表面的理化性質(zhì)各有不同，這為微泡的靶向運(yùn)載作用提供了理論基礎(chǔ)。利用微泡的理化性質(zhì)或?qū)ξ⑴葸M(jìn)行不同的處理修飾，可以使微泡造影劑選擇性地識(shí)別、聚集于靶組織，從而達(dá)到靶向顯影、靶向治療的目的，這一技術(shù)在近幾年得到了迅速發(fā)展。(2)靶向微泡介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)靶向顯影與治療的機(jī)制:目前普遍認(rèn)為聲孔效應(yīng)為超聲輻射破壞靶向微泡實(shí)現(xiàn)靶向藥物釋放與基因轉(zhuǎn)染的主要機(jī)制。所謂聲孔效應(yīng)，是指微泡空化時(shí)產(chǎn)生的能量釋放可以形成沖擊波，沖擊波作用于內(nèi)皮細(xì)胞膜上，形成切應(yīng)力，使膜上出現(xiàn)了暫時(shí)性開(kāi)放小孔［20］。如果這種小孔屬于非致死性聲孔，則在其開(kāi)放的瞬間可以將細(xì)胞外藥物及基因送入細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)靶向基因和藥物的傳輸，達(dá)到靶向顯影與治療疾病的目的。

2．超聲破壞靶向微泡在DCM中的應(yīng)用展望:由于DCM導(dǎo)致心臟損傷的主要組織是心肌、血管等，因而心肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等就可以作為靶向微泡攜帶基因或藥物進(jìn)行顯影或治療的靶細(xì)胞。超聲破壞靶向微泡對(duì)DCM的靶向顯影或治療前景十分廣闊，是一種新型、高效的醫(yī)療技術(shù)。雖然其仍然存在相應(yīng)問(wèn)題，如此項(xiàng)技術(shù)會(huì)引發(fā)血管內(nèi)外溶血、毛細(xì)血管破裂、炎癥等并發(fā)癥，但我們相信隨著醫(yī)療科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題會(huì)被克服，超聲靶向微泡對(duì)DCM的靶向顯影與治療必將得到新的發(fā)展。

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