超聲靶向微泡破壞技術(shù)在心肌梗死中的應(yīng)用研究進展

陸相翔， 劉 燕， 黃照河

1. 右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院， 廣西 百色 533000; 2. 右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院， 廣西 百色 533000

隨著我國社會經(jīng)濟的進步和發(fā)展，人口老齡化和城鎮(zhèn)化進程的加快，各種心血管疾病危險因素的流行趨勢明顯，導(dǎo)致各種心血管疾病的患病人數(shù)不斷增加。目前，我國急性心肌梗死的患者平均死亡率總體呈現(xiàn)快速上升的趨勢[1]。急性心肌梗死主要治療為早期冠狀動脈再灌注恢復(fù)血運，缺血心肌恢復(fù)血液可改善心肌功能，但再灌注本身亦會加重心肌損傷和心肌細(xì)胞死亡，該損傷稱為心肌缺血再灌注損傷(MIRI)[2]。近年來，MIRI的治療和預(yù)防是心血管領(lǐng)域新興的研究課題之一。相關(guān)研究[3-5]表明，心肌缺血再灌注前進行藥物預(yù)處理，這些藥物包括基因、藥物、氣體等，能使心肌對缺血產(chǎn)生耐受，從而保護心肌細(xì)胞[6]。超聲靶向微泡破壞(UTMD)技術(shù)是一種相對安全、高效的物理性靶向基因遞送系統(tǒng)，該技術(shù)能將多種靶向基因遞送到特定的解剖和病理部位，從而發(fā)揮更佳的保護作用[7]。目前，大量學(xué)者報道了UTMD技術(shù)在心肌梗死中的應(yīng)用，本文就UTMD技術(shù)在心肌梗死中的研究進展進行綜述。

1 微泡的結(jié)構(gòu)和功能

微泡(microbubles，MBs)是一種由殼膜材料包裹氣核形成的微米或納米級氣泡，通常用作醫(yī)學(xué)成像中的造影劑和靶向藥物運輸?shù)妮d體[8]，直徑常在0.5～10 μm，微泡內(nèi)可攜帶靶向藥物、分子、抗體和氣體，殼膜可為表面活性劑、脂質(zhì)聚合物、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)或這些材料的組合物[9]。微泡最初作為超聲造影劑引入臨床，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種診斷和治療藥物，既可以通過無創(chuàng)成像追蹤，也可以在超聲靶向部位選擇性地輸送治療藥物[8]。用于分子成像的靶向微泡是通過將靶分子、特異性抗體或配體結(jié)合到微泡表面，通過附著到靶組織獲得特異性成像而實現(xiàn)的(圖1)。同時，通過UTMD技術(shù)介導(dǎo)基因或藥物到達(dá)特定靶點，也可以實現(xiàn)靶向基因治療或藥物遞送[10]。

圖1 靶向微泡結(jié)構(gòu)示意圖

2 微泡的發(fā)展

微泡于1968年首次應(yīng)用于超聲心動圖的顯像中，然而，由于其內(nèi)含氣體為空氣、無外殼結(jié)構(gòu)、半衰期短等特征，限制了臨床應(yīng)用[11,12]。此后，相關(guān)學(xué)者在此基礎(chǔ)上對殼膜包裝膜白蛋白或半乳糖等聚合體，即初代微泡造影劑。然而，由于包膜厚、彈性差、內(nèi)含空氣、易溶于水等也限制了其臨床應(yīng)用[13]。第二代微泡改進了內(nèi)核氣體，主要為高密度惰性氣體(如氟碳、氟硫)，外殼成分不變，增強了穩(wěn)定性[14]。第三代微泡在核心氣體不變的前提下將外膜改變?yōu)楸《彳浀牧字虬椎鞍?，具有穩(wěn)定時間長、聲學(xué)特性可控等優(yōu)勢，為靶向診斷與靶向治療提供新依據(jù)[15]。目前由于納米技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，納米微泡被開發(fā)出來，聚合物納米微泡較脂質(zhì)微泡的壓力幅度高，不容易導(dǎo)致聚合物納米泡造影劑破裂[16]。并且納米微泡的形狀和大小以及物理和治療特性各不相同，核心可為氣體、固體或脂質(zhì)，外殼包膜由脂質(zhì)或聚合物構(gòu)成[17,18]。

3 超聲微泡技術(shù)原理

在超聲檢查中，微泡充當(dāng)超聲增強器，將換能器(或探頭)直接放置在目標(biāo)組織或器官的頂部，換能器通過產(chǎn)生(通常為3.5 MHz)并接收7 MHz的超聲信號來具體顯示微泡。該技術(shù)將減少周圍組織的信號，產(chǎn)生更高的信噪比并改善成像[19]。微泡的高振幅振蕩增加了毛細(xì)血管和細(xì)胞膜的通透性，在超聲的作用下，細(xì)胞膜附近振蕩的微泡會在周圍的液體中流動，從而對附近的細(xì)胞之間產(chǎn)生小而臨時的開口，此開口促進了釋放的基因或藥物分子進入組織和細(xì)胞(聲孔效應(yīng))，可以顯著提高基因治療的效率[20]。微泡還可以用作局部藥物輸送和基因治療的載體。在制造過程中，微泡可以裝載一系列不同類型的治療材料，在超聲成像指導(dǎo)下追蹤其是否到達(dá)目標(biāo)位置，然后通過增加超聲強度來破壞微泡并局部釋放包裹的材料(圖2)，該技術(shù)稱為超聲靶向微泡破壞(UTMD)技術(shù)。UTMD技術(shù)可以明顯降低與全身給藥相關(guān)的不良反應(yīng)發(fā)生風(fēng)險，例如化療藥物毒性[21]。

圖2 載藥靶向微泡作用機制圖

4 UTMD技術(shù)在心肌梗死中的應(yīng)用及機制

4.1 促進血管生成

超聲微泡介導(dǎo)粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)聯(lián)合間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)移植對心肌梗死大鼠具有良好的治療作用，可促進心肌微血管密度和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)蛋白的表達(dá)，促進心肌血管新生，改善心功能[22]。超聲聯(lián)合微泡能夠增高內(nèi)皮細(xì)胞中VEGF的表達(dá)量，但不影響內(nèi)皮細(xì)胞的活性[23]。通過UTMD技術(shù)將含有VEGF和干細(xì)胞因子(SCF)基因的質(zhì)粒靜脈注射心肌梗死小鼠體內(nèi)，可有效增加血管密度，改善了心肌灌注和心室功能[24]。對急性心肌梗死家兔靜脈內(nèi)注射UTMD介導(dǎo)的血管生成素-1(Ang-1)促進了血管生成[25]。

4.2 促進移植細(xì)胞歸巢

UTMD已被證明有望改善MSCs向缺血性心肌的歸巢，UTMD可以增加缺血心肌中基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(SDF1)的表達(dá)，并上調(diào)MSCs表面SDF1受體CXCR4的表達(dá)[26]。通過UTMD移植脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白2(PHD2)shRNA修飾的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)促進了移植細(xì)胞歸巢和活性，并增加了梗死心臟的心肌血管生成，從而改善了心臟功能[27]。使用UTMD介導(dǎo)的半乳糖凝集素-7(Galectin-7)siRNA治療的急性心肌梗死大鼠BMSCs歸巢能力增強，心臟功能和血流動力學(xué)相關(guān)指標(biāo)得到改善，心肌纖維損傷和凋亡細(xì)胞減少，心肌微環(huán)境得到改善[28]。

4.3 促進梗死心肌再生

趨化因子(C-X-C基序)配體12(CXCL12)是重要的干細(xì)胞歸巢因子，骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)是分化促進因子。有文獻報道，UTMD介導(dǎo)的CXCL12和BMP2共轉(zhuǎn)染顯著促進了急性心肌梗死大鼠梗死心肌的修復(fù)和再生[29]。

4.4 減少心肌細(xì)胞凋亡和抑制氧化應(yīng)激

硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)是一種內(nèi)源性氣體遞質(zhì)，雖然帶有毒性，但其與一氧化氮和一氧化碳一起參與許多病理生理功能的調(diào)節(jié)，在心血管系統(tǒng)中起著維持體內(nèi)平衡、誘導(dǎo)血管舒張和保護心臟的生物學(xué)作用。在MIRI防護中H2S可能通過抗炎作用、活性氧生產(chǎn)、蛋白質(zhì)修飾、線粒體保存、離子通道的調(diào)節(jié)、抗凋亡和血管生成來保護心肌[30]。有研究證明UTMD介導(dǎo)的H2S可增加MIRI大鼠的心肌H2S濃度，通過傳遞H2S信號電解質(zhì)分子改善機體心功能，這種保護作用與減少心肌細(xì)胞凋亡和抑制氧化應(yīng)激有關(guān)[31]。

4.5 改善心肌微環(huán)境

心肌微環(huán)境對MSCs的存活、遷移和分化起決定性作用。一項研究報道UTMD誘導(dǎo)的心肌微環(huán)境變化及其對MSCs移植的影響，結(jié)果表明，UTMD介導(dǎo)的MSCs移植可誘導(dǎo)心肌微環(huán)境改變，促進心肌梗死犬心肌灌注，改善心臟功能和室壁運動評分指數(shù)[32]。

5 UTMD在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除治療心肌梗死外，UTMD技術(shù)在其他血管疾病治療中也表現(xiàn)出了良好的治療效果。例如，使用納米粒子介導(dǎo)的靶向改構(gòu)型酸性成纖維細(xì)胞生長因子(maFGF)結(jié)合UTMD可預(yù)防阿霉素誘導(dǎo)的心肌病[33]，攜帶白細(xì)胞介素-8(IL-8)單克隆抗體的UTMD可減輕動脈粥樣硬化斑塊的炎癥反應(yīng)[34,35]。目前，UTMD也越來越廣泛地應(yīng)用于腫瘤的治療研究中[36,37]。例如，UTMD介導(dǎo)的CD133下調(diào)抑制肝癌干細(xì)胞上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化、干細(xì)胞和遷移能力[36]。UTMD介導(dǎo)的EZH2下調(diào)抑制肝癌干細(xì)胞的干細(xì)胞和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化[37]。外泌體可作為一種藥物載體[38]，但某些組織對外泌體具有內(nèi)在的抗性。據(jù)報道，UTMD可顯著增加抗性組織中外泌體的浸潤和內(nèi)吞作用[39]。

6 總結(jié)與展望

微泡的開發(fā)和應(yīng)用為超聲介導(dǎo)的診斷與治療提供了多種策略。UTMD技術(shù)作為一種最新的物理性質(zhì)靶向基因遞送系統(tǒng)，具有無創(chuàng)性、低免疫原性和毒性、可重復(fù)性和時空靶向特異性等優(yōu)點，已被用于心肌梗死等多種疾病的診斷和治療中[40]。UTMD技術(shù)通過遞送藥物、基因、分子來診斷及治療心肌梗死，其機制與促進血管生成、促進移植細(xì)胞歸巢、促進梗死心肌再生、減少心肌細(xì)胞凋亡和抑制氧化應(yīng)激、改善心肌微環(huán)境等機制有關(guān)，具有準(zhǔn)確、精細(xì)、高效的特點。因此，UTMD技術(shù)是治療心肌梗死的醫(yī)學(xué)研究熱點之一[10]。雖然微泡的制備技術(shù)已經(jīng)成熟，但微泡對所載藥物、基因、分子的有效遞送率和穩(wěn)定性仍是目前需要重點關(guān)注的問題，這一問題直接影響治療效果。此外，還需要優(yōu)化UTMD技術(shù)中的超聲強度。因為，過強的超聲會引起微血管的破壞，甚至細(xì)胞破裂、心肌損傷等不良反應(yīng)；過低的超聲又無法爆破微泡并釋放藥物，導(dǎo)致失效。總之，UTMD技術(shù)在包括心肌梗死在內(nèi)的心血管疾病治療中療效顯著，應(yīng)用前景良好，但仍需要對UTMD技術(shù)做進一步擴展，從而為其他疾病的治療提供候選方案。此外，還需要進一步優(yōu)化UTMD技術(shù)，從而提高疾病的治療效率。