聲動(dòng)力治療的研究進(jìn)展

張 政 楊丹丹 張 欣 付啟航 岳 悅 濮雄鷹 李銘杰 顧 欣 徐陽(yáng)陽(yáng)

聲動(dòng)力療法（sonodynamic therapy，SDT）最初起源于光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT），具體是指利用超聲波對(duì)生物組織有較強(qiáng)的穿透能力，尤其是聚焦超聲能無(wú)創(chuàng)傷地將聲能聚焦于深部組織，并激活一些聲敏藥物（如血卟啉）產(chǎn)生抗腫瘤效應(yīng)［1］。SDT既具有PDT的無(wú)創(chuàng)腫瘤治療效果，又具有深層次穿透能力，可以對(duì)解剖部位較深的病灶進(jìn)行精準(zhǔn)治療，為臨床治療提供了新的選擇。近年來(lái)，隨著對(duì)SDT的深入探索，其原理被逐漸揭開?；钚匝醯姆e聚、空化效應(yīng)的產(chǎn)生、細(xì)胞凋亡水平的增加均為SDT的臨床實(shí)驗(yàn)提供了細(xì)胞水平的支持［2］。與此同時(shí)，SDT聯(lián)合光動(dòng)力、化療、熱療等治療方式彌補(bǔ)了單一治療方式的不足，使治療效果得到進(jìn)一步提升。本文就SDT的機(jī)制、醫(yī)學(xué)研究進(jìn)行綜述。

一、SDT機(jī)制

SDT是一種新型的治療方式，目前尚未大量應(yīng)用于臨床，其機(jī)制仍在探索中。經(jīng)過(guò)近20年的研究，關(guān)于SDT的機(jī)制比較認(rèn)可的主要有活性氧（reactive oxygen species，ROS）機(jī)制、超聲空化效應(yīng)、凋亡機(jī)制。①ROS：作為一種活性的含氧化學(xué)物質(zhì)，包括過(guò)氧化物、自由基、離子和單態(tài)氧，在細(xì)胞損傷或死亡中起著關(guān)鍵病理作用。聲敏劑可以特異性地富集于腫瘤細(xì)胞中，通過(guò)體外超聲波能量的作用，誘發(fā)腫瘤細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，破壞腫瘤細(xì)胞，繼而達(dá)到治療疾病的目的［2］。②超聲空化效應(yīng)：是一種物理作用，其在物理學(xué)中的解釋為：存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生的生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。當(dāng)細(xì)胞膜接收到超聲波能量時(shí)，可以誘導(dǎo)空化效應(yīng)的產(chǎn)生。隨著空化效果增強(qiáng)，機(jī)械壓力不斷增強(qiáng)，最終對(duì)細(xì)胞膜造成物理?yè)p傷［3］。研究［4］表明，超聲波可以改變細(xì)胞膜的通透性，使聲敏劑更易進(jìn)入病灶細(xì)胞。③凋亡機(jī)制：半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）是一種與凋亡相關(guān)的蛋白酶，其在細(xì)胞凋亡中起著重要的作用。研究［5］表明SDT可以上調(diào)FAS/FASL的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Caspase-8和Caspase-3的增加，進(jìn)而激活外源性凋亡通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Bcl-2為一種抑癌基因，具有顯著抑制細(xì)胞凋亡的作用。有研究［6］表明，SDT可以通過(guò)下調(diào)Bcl-2基因的表達(dá)，從而改變下游Bcl-2家族蛋白的表達(dá)水平，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Ca2+相關(guān)凋亡通路也是近些年來(lái)研究熱點(diǎn)。SDT不僅可通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，降低線粒體膜電位，改變線粒體通透性，促進(jìn)細(xì)胞色素C和凋亡因子的釋放，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的凋亡［7］；還可能通過(guò)破壞腫瘤血管系統(tǒng)，使腫瘤血管擴(kuò)張和出血，尤其對(duì)新生血管的內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生損傷，從而影響腫瘤血供，加快腫瘤凋亡［8］。

二、SDT的應(yīng)用

1.肝癌：肝癌是全球范圍內(nèi)發(fā)病率最高的惡性腫瘤之一，也是導(dǎo)致腫瘤相關(guān)死亡的第三大原因。傳統(tǒng)的放、化治療會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生極大傷害。SDT為肝癌的治療提供了新的選擇。Li等［6］通過(guò)SDT分別從體內(nèi)和體外兩個(gè)層面對(duì)hep-G2肝癌細(xì)胞進(jìn)行治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SDT上調(diào)了p53和Bax的表達(dá)，下調(diào)Bcl-2的表達(dá)，導(dǎo)致Caspase-3的激活，最終引發(fā)細(xì)胞凋亡。對(duì)照組和SDT組荷瘤小鼠在治療后第11天的腫瘤體積分別為（959.2±82.1）mm3、（294.4±31.4）mm3，兩組小鼠的生存時(shí)間分別為（25.0±0.6）d、（35.3±1.1）d，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.01）。結(jié)果表明SDT體外治療可以通過(guò)激活Caspase-3蛋白促進(jìn)細(xì)胞凋亡；體內(nèi)治療可以抑制腫瘤生長(zhǎng)，延長(zhǎng)荷瘤小鼠的存活時(shí)間。Wang等［8］經(jīng)體外研究發(fā)現(xiàn)，SDT可以降低H22肝細(xì)胞癌的線粒體膜電位，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的產(chǎn)生。腫瘤細(xì)胞經(jīng)SDT治療60 s后，繼續(xù)胞孵育培養(yǎng)2 h，細(xì)胞存活率由82.6%降低至59.4%。此外，另有研究［9］報(bào)道表明SDT對(duì)肝癌荷瘤小鼠也具有治療效果。

2.乳腺癌：目前，使用SDT進(jìn)行體內(nèi)體外治療乳腺癌的研究較多。鐘曉文等［10］在體外應(yīng)用SDT治療MDA-MB-231人乳腺癌細(xì)胞，治療后可使腫瘤細(xì)胞凋亡率達(dá)68.33%。Zhang等［11］使用負(fù)載血卟啉單甲醚的脂質(zhì)體作為SDT的聲敏劑對(duì)MCF-7乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行治療，治療20 d后發(fā)現(xiàn)MCF-7細(xì)胞中有大量ROS蓄積，MCF-7細(xì)胞的生長(zhǎng)得到了很好的抑制。有學(xué)者［12］以5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作為聲敏劑，從體內(nèi)和體外兩個(gè)層面證實(shí)了SDT對(duì)EMT6乳腺癌細(xì)胞的治療效果，并得出了SDT治療的靶點(diǎn)在線粒體上，其機(jī)制主要為線粒體膜氧化，產(chǎn)生ROS，進(jìn)而達(dá)到治療乳腺癌的目的。有學(xué)者［13］對(duì)乳腺癌荷瘤小鼠治療發(fā)現(xiàn)，SDT可以顯著抑制小鼠腫瘤的生長(zhǎng)，其抑瘤率可高達(dá)70%。

3.腦膠質(zhì)瘤：Chen等［14］研究表明，SDT不僅可以增加凋亡蛋白Caspase-3、Bcl-2、Bax的表達(dá)，還可增強(qiáng)替莫唑胺（TMZ）治療腦膠質(zhì)瘤的療效。結(jié)果顯示，SDT聯(lián)合TMZ使用可抑制NHE1蛋白的表達(dá)，進(jìn)而抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的遷移；電鏡下可見細(xì)胞核縮小，核膜形態(tài)特征改變，核染色質(zhì)濃縮，線粒體腫脹、空泡化，線粒體嵴和膜消失，大量液泡被格式化等大量病理學(xué)改變。研究［15］表明，SDT還可通過(guò)誘導(dǎo)自噬體的增多，達(dá)到抑制腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖目的。在活體層面，因血腦屏障的存在，作為大分子水溶性的聲敏劑通常需借助納米材料，才能透過(guò)血腦屏障特異性地與腫瘤結(jié)合。Liang等［16］通過(guò)納米材料運(yùn)載聲敏劑原卟啉（PpIX）透過(guò)血腦屏障，增加聲敏劑在腫瘤組織內(nèi)的累積。結(jié)果顯示，SDT可以在不降低小鼠體質(zhì)量的前提下，顯著抑制C6腦膠質(zhì)瘤荷瘤小鼠腫瘤生長(zhǎng)速度，起到了良好的治療效果。

4.骨肉瘤：是一種起源于間葉組織的惡性腫瘤，主要患病人群為兒童。晚期骨肉瘤的治療存在著放化療不敏感、化療藥耐藥、腫瘤復(fù)發(fā)等諸多問(wèn)題，是臨床面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。SDT的出現(xiàn)為骨肉瘤的治療提供了新的選擇。錢貴賓等［17］通過(guò)細(xì)胞體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)5-ALA可特異性地富集于U2-OS人骨肉瘤細(xì)胞，并通過(guò)外部超聲刺激促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生；MTT法檢測(cè)到細(xì)胞存活率大幅下降。Xiong等［18］以華卟啉鈉（DVDMS）作為聲敏劑，對(duì)S180肉瘤的荷瘤鼠進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果：腫瘤體積在SDT治療下減小、癌細(xì)胞凋亡增加，且SDT治療效果與短時(shí)間內(nèi)治療次數(shù)呈正相關(guān)。

5.白血病：Hu等［19］使用DVDMS作為聲敏劑，研究發(fā)現(xiàn)華卟啉鈉（DVDMS）可特異性、快速富集在人白血病細(xì)胞（K562、U937）中，而對(duì)正常組織不產(chǎn)生富集?？梢?，SDT可以特異性地殺傷白血病細(xì)胞，而對(duì)正常細(xì)胞諸如小鼠外周血單核細(xì)胞、脾淋巴細(xì)胞未表現(xiàn)出毒性。

6.牙周炎：SDT對(duì)牙齦卟啉單胞菌生物膜具有殺傷作用，并且在此過(guò)程中，可引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致丙二醛的釋放，最終達(dá)到治療牙周炎的目的。研究［20］證實(shí)，以血卟啉單甲醚為聲敏劑的SDT可成功治療牙周炎大鼠，且未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)的發(fā)生。

7.動(dòng)脈粥樣硬化：巨噬細(xì)胞在體內(nèi)參與炎癥反應(yīng)和脂質(zhì)代謝，對(duì)于動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。巨噬細(xì)胞吞噬游離膽固醇酯化形成的脂滴成為泡沫細(xì)胞，泡沫細(xì)胞分泌炎癥因子、促進(jìn)斑塊進(jìn)展，是動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的特征性標(biāo)志［21］。王巍等［22］通過(guò)細(xì)胞水平研究發(fā)現(xiàn)，5-ALA介導(dǎo)的SDT可以使泡沫細(xì)胞和巨噬細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到治療動(dòng)脈粥樣硬化的目的。王立民等［23］采用姜黃素介導(dǎo)通過(guò)SDT治療活體動(dòng)脈粥樣硬化小鼠，發(fā)現(xiàn)在主動(dòng)脈上TIMP-1表達(dá)增加，MP-2和TMP-9表達(dá)降低。促炎性細(xì)胞因子干擾素γ和腫瘤壞死因子α表達(dá)降低，抗炎性細(xì)胞因子轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF）-β和白介素10表達(dá)增加，從而達(dá)到治療動(dòng)脈粥樣硬化的目的。

三、SDT的聯(lián)合應(yīng)用

盡管SDT表現(xiàn)出良好的治療效果，但是由于腫瘤的生長(zhǎng)機(jī)制復(fù)雜，單一的治療方式難以達(dá)到最佳的治療效果。多種方式聯(lián)合治療在腫瘤治療中展現(xiàn)出極大地潛力。

1.聲光動(dòng)力治療（sono-photodynamic therapy，SPDT）：玫瑰紅是一種光聲敏劑，同時(shí)也是一種免疫增強(qiáng)劑，可以刺激免疫物質(zhì)產(chǎn)生以達(dá)到抗腫瘤的目的［24］。Liu等［25］通過(guò)兩親性的多肽為載體包裹玫瑰紅，制成新的納米材料，并將其命名為PARN。研究發(fā)現(xiàn)，相比單純的光動(dòng)力治療或SDT，以PARN介導(dǎo)的SPDT可以顯著抑制荷瘤小鼠腫塊的生長(zhǎng)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡和ROS的產(chǎn)生，增強(qiáng)了腫瘤壞死因子和白介素6的分泌。且發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)合治療并不會(huì)對(duì)心、肺、肝、腎等重要臟器產(chǎn)生損傷。Kenyon等［26］通過(guò)SPDT對(duì)晚期乳腺癌患者進(jìn)行治療，發(fā)現(xiàn)該療法延長(zhǎng)乳腺癌患者生存時(shí)間的同時(shí)，并未產(chǎn)生明顯的副作用。

2.SDT聯(lián)合化學(xué)療法：化療是腫瘤治療的主要方法之一，但長(zhǎng)期使用化療藥物會(huì)使腫瘤產(chǎn)生耐藥型，從而影響治療效果、增加腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。Chen等［27］研究發(fā)現(xiàn)，相比單純使用化療藥物，化療藥物TMZ聯(lián)合SDT可以降低C6腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶-2的表達(dá)，從而降低了腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的能力。不僅如此，該研究還表明SDT可以增強(qiáng)腫瘤對(duì)于化療藥物TMZ的敏感性，提升化療藥物的治療效果。Wu等［28］研發(fā)了一種可以裝載化療藥物的納米載體HPCID，其裝載阿霉素和SDT聯(lián)合治療可以加速ROS的產(chǎn)生，從而顯著抑制4T1乳腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)；經(jīng)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，聯(lián)合治療可以顯著降低荷瘤小鼠肺轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)并未觀察到明顯的毒性作用。

3.SDT聯(lián)合熱療：熱療是腫瘤治療的一種輔助療法，其通過(guò)將腫瘤局部溫度提升到40～43℃，但未提高周邊正常組織的溫度。研究［29］表明其可以改變腫瘤細(xì)胞的血供和氧合、抑制DNA修復(fù)、阻止細(xì)胞周期進(jìn)程和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用。此外，熱療聯(lián)合SDT也可以增強(qiáng)SDT效果。Chen等［30］使用二氧化硅作為納米載體，聯(lián)合導(dǎo)熱材料石墨烯和聲敏劑玫瑰紅制作出了新的納米材料nrGO@MSN-ION-PEG-RB，在超聲的作用下，其可以使腫瘤局部溫度升高，提高腫瘤組織ROS的產(chǎn)量，降低空化閾值。腫瘤組織深部通常呈低氧狀態(tài)，聯(lián)合治療尤其可以增強(qiáng)腫瘤深部組織ROS的產(chǎn)生，增強(qiáng)了SDT的治療效果。Ju等［31］研究發(fā)現(xiàn)，熱療聯(lián)合SDT可以在提高腫瘤區(qū)域ROS產(chǎn)生的同時(shí)，降低線粒體膜電位，擾亂腫瘤組織的能量代謝，從而達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。

四、總結(jié)及展望

總之，SDT作為一種有效、安全、無(wú)侵入的治療方式，已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可，其治療機(jī)制也隨著研究的深入逐漸被人們認(rèn)識(shí)。SDT不僅可以對(duì)腫瘤產(chǎn)生較好的抑制效果，對(duì)炎癥、動(dòng)脈粥樣硬化等良性疾病也展現(xiàn)出了治療效果。聯(lián)合方式治療使SDT的潛在治療價(jià)值進(jìn)一步被發(fā)掘，為疾病的治療提供了新選擇。但是由于聲波的衍射、散射等特性，病變區(qū)域外的正常組織難免會(huì)受到超聲的照射和細(xì)胞毒性的影響，這將會(huì)對(duì)治療產(chǎn)生負(fù)面影響。如何最大可能的降低副反應(yīng)的產(chǎn)生，是SDT以后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是該療法大規(guī)模應(yīng)用于臨床的阻礙。目前聲敏劑多為光敏劑發(fā)展而來(lái)，其在治療過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生光毒性和受到其他物理因素的干擾，這將為治療帶來(lái)諸多變量及不確定性。設(shè)計(jì)出一種僅對(duì)超聲敏感的聲敏劑，也是以后研究的方向。此外，各實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行聲動(dòng)力測(cè)試時(shí)，超聲強(qiáng)度、超聲頻率、單次治療時(shí)長(zhǎng)、治療周期、聲敏劑的選擇、長(zhǎng)期治療的安全性等方面尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這也是下一步需要研究和完善的地方。