全氟化碳納米粒在超聲分子成像和治療中的應(yīng)用

周裕卿，彭玉蘭，楊林，黃建波，張旭輝，徐金順*

1.四川大學(xué)華西醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)研究室，四川 成都 610041；*通信作者 徐金順 xujinshun@wchscu.cn

超聲成像能夠直觀展示人體器官影像，且具有無(wú)創(chuàng)、安全、便攜、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于各種疾病的早期診斷。然而腸氣干擾、肋骨遮擋、呼吸運(yùn)動(dòng)不配合等導(dǎo)致超聲成像質(zhì)量不佳。此外，由于腫瘤異質(zhì)性大，超聲聲像圖特征多變，導(dǎo)致超聲對(duì)腫瘤的診斷能力有限。因此，需要一種能夠顯示組織灌注、提高顯像分辨率的成像方法。

微泡作為一種超聲造影劑，具有低溶解度和低彌散性等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)顯示組織灌注信息，提高圖像分辨率，在腫瘤超聲成像中發(fā)揮重要作用[1-3]。然而由于腫瘤血管孔隙小于700 nm，微米級(jí)微泡通常不能穿過(guò)血管內(nèi)皮間隙，導(dǎo)致在腫瘤內(nèi)的存留時(shí)間短暫，成像效果有待進(jìn)一步提高[4-6]。隨著超聲分子影像技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用納米粒封裝顯像劑、基因和藥物成為推動(dòng)醫(yī)學(xué)精準(zhǔn)發(fā)展的主要方法。其中全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）納米粒具有良好的生物相容性[7-10]，可實(shí)現(xiàn)有效腫瘤內(nèi)聚集，經(jīng)聲波處理不僅能轉(zhuǎn)化為微泡增強(qiáng)超聲成像[11]，還能促進(jìn)藥物靶向輸送增效個(gè)體化治療[12]?；诖?，本文重點(diǎn)介紹PFC納米粒在超聲成像中的機(jī)制和在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 PFC 納米粒用于超聲治療的機(jī)制

1.1 熱效應(yīng) 進(jìn)行超聲檢查時(shí)，超聲波會(huì)導(dǎo)致局部組織發(fā)熱。組織發(fā)熱的影響因素包括局部組織對(duì)能量的吸收、熱擴(kuò)散速率及對(duì)流速率。超聲能量的吸收與頻率呈正相關(guān)，頻率越高，吸收的能量越多。此外，即使超聲導(dǎo)致的輕微溫度升高，也可能會(huì)產(chǎn)生有效的生物學(xué)后果，如通過(guò)細(xì)胞膜的機(jī)械滲透顯著增強(qiáng)細(xì)胞的內(nèi)化作用和毛細(xì)血管的通透性[13-14]。

用溫度敏感的脂質(zhì)體包裹藥物，在超聲波的熱效應(yīng)下，該脂質(zhì)體在可耐受的溫度下于靶區(qū)迅速釋放藥物。這是由于加熱使膜磷脂從凝膠變?yōu)榱黧w，從而增強(qiáng)了藥物在靶區(qū)的釋放和擴(kuò)散。既往研究顯示，PFC納米粒包裹阿霉素的超聲造影劑與射頻消融聯(lián)合具有顯著的抗腫瘤作用，并已進(jìn)行臨床試驗(yàn)[15-17]。

1.2 空化的機(jī)械作用 超聲空化指微泡在超聲場(chǎng)的作用下隨超聲頻率發(fā)生周期性振蕩的現(xiàn)象。在低聲強(qiáng)下，微泡隨聲壓在其平衡半徑內(nèi)做周期性的振蕩運(yùn)動(dòng)，稱為穩(wěn)態(tài)空化。當(dāng)聲強(qiáng)逐漸增大并達(dá)到一定的閾值時(shí)，氣泡的振蕩幅度與平衡尺寸相當(dāng)，此時(shí)振蕩十分劇烈，先是爆炸式的膨脹，然后迅速萎縮，萎縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫高壓、強(qiáng)大的沖擊波和高速的微射流，稱為慣性空化。

在PFC納米粒轉(zhuǎn)化為微泡時(shí)，空化閾值降低，空化效應(yīng)明顯增強(qiáng)。一方面，PFC納米粒轉(zhuǎn)化的微泡在慣性空化時(shí)劇烈生長(zhǎng)甚至萎縮，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，破壞細(xì)胞膜和血管內(nèi)皮產(chǎn)生空隙，促使藥物和基因的滲透性增加[18-19]。另一方面，當(dāng)超聲場(chǎng)的聲強(qiáng)較小不足以引起慣性空化時(shí)，PFC納米粒轉(zhuǎn)化的微泡發(fā)生穩(wěn)定的周期性振蕩產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)空化。穩(wěn)態(tài)空化促使血管壁發(fā)生內(nèi)陷或擴(kuò)張、血管內(nèi)膜受損使血管通透性增強(qiáng)[14]。微泡空化可用于增強(qiáng)脂質(zhì)體的藥物輸送，延長(zhǎng)藥物在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間，還可以增強(qiáng)腫瘤的靶向能力[20-21]。

1.3 非空化的機(jī)械作用 超聲中非熱非空化機(jī)制與聲流和超聲輻射力有關(guān)。通過(guò)介質(zhì)傳播的聲音會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生力的作用，稱為聲流；它還會(huì)使在介質(zhì)中的顆粒懸浮，稱為輻射力。已有研究表明，聲流和輻射力會(huì)使微泡和納米粒集中在血管壁附近，從而有助于靶向藥物和基因的遞送[22]。

輻射力可以使靶向藥物或靶向基因接近細(xì)胞，或使其碎片黏附到細(xì)胞膜上。此外，聲流和輻射力還會(huì)通過(guò)改變毛細(xì)血管的通透性，促進(jìn)PFC納米粒外滲，用于超聲分子成像和治療[17,23]。

2 PFC 納米粒在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1 腫瘤成像與治療 腫瘤組織的特點(diǎn)是血流信號(hào)雜亂、血管結(jié)構(gòu)組織不良、淋巴系統(tǒng)減少，導(dǎo)致藥物載體很難通過(guò)血管壁進(jìn)行傳遞。然而，由于腫瘤微血管系統(tǒng)存在缺陷，微血管系統(tǒng)內(nèi)皮間隙的孔徑較大，通常為正常組織的幾十倍，因此納米?？梢酝ㄟ^(guò)內(nèi)皮間隙進(jìn)入腫瘤并逐漸積聚[24-25]。

近年來(lái)，以納米粒作為載體傳遞藥物的腫瘤成像技術(shù)不斷發(fā)展。在超聲波的熱效應(yīng)下溫度不斷升高，使PFC納米顆粒汽化為微泡，汽化的液滴合并形成更大的微泡，用于超聲成像和靶向治療。目前多項(xiàng)研究利用PFC納米顆粒與阿霉素結(jié)合，將阿霉素靶向遞送到腫瘤內(nèi)，結(jié)果均顯示兩者的結(jié)合不僅能增強(qiáng)成像效果，而且提高了藥物的治療作用[18,26-27]。

此外，PFC納米?？梢耘c聚焦超聲聯(lián)合以提高腫瘤的治療效率。既往研究報(bào)道，通過(guò)PFC靶向輸送氧氣和阿霉素實(shí)現(xiàn)靶區(qū)瘤內(nèi)富集，聯(lián)合聚焦超聲后，PFC納米粒相變至破裂，可以快速釋放氧氣和阿霉素并增強(qiáng)超聲成像，達(dá)到緩解乏氧、減輕耐藥、增強(qiáng)腫瘤抑制的作用[28]，從而為腫瘤治療提供了一種全新的序貫治療策略。另外，Cao等[29]報(bào)道可編程低強(qiáng)度聚焦超聲聯(lián)合納米粒遞送系統(tǒng)可控制性觸發(fā)藥物釋放，并能顯著增強(qiáng)藥物的輸送，通過(guò)改變低強(qiáng)度聚焦超聲照射持續(xù)時(shí)間和功率，可以檢測(cè)PFC納米粒分布，調(diào)控阿霉素釋放，進(jìn)而使藥物在瘤內(nèi)積累顯著增強(qiáng)，達(dá)到顯著抑制腫瘤增殖的作用。

2.2 血栓成像 纖維蛋白凝塊很少有回聲，而且由于存在超聲偽像，血栓的超聲診斷準(zhǔn)確率偏低。既往研究[30-31]發(fā)現(xiàn)，臨床超聲成像與靶向選定的纖維蛋白表位的PFC納米粒結(jié)合可以檢測(cè)在體內(nèi)的纖維蛋白凝塊，可以用于急性腎損傷、敗血癥、動(dòng)脈粥樣硬化等血栓性疾病。此外，靶向PFC納米顆粒的超聲分子成像也用于血栓栓塞的其他成分，如組織因子于斑塊破裂與血栓形成后產(chǎn)生，也與微血管病變血栓有關(guān)，有研究用針對(duì)組織因子的特定單克隆抗體片段與PFC結(jié)合，可以顯著提高受損血管的檢出率[32-33]。

2.3 靶向溶栓 血栓可能會(huì)導(dǎo)致急性心肌梗死、中風(fēng)等，因此栓塞治療尤為重要。有研究開(kāi)發(fā)了溶栓酶與PFC結(jié)合的納米顆粒，以纖維蛋白作為靶標(biāo)，并用高頻超聲成像觀察，評(píng)估纖維蛋白的體積變化[34]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)纖維蛋白的體積減小并將近消失。這種新型的給藥方法快速安全、起效快、治療效率高，可以降低中風(fēng)率和死亡率。

3 小結(jié)與展望

隨著納米醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，通過(guò)將載藥納米微粒的組織靶向與主動(dòng)釋放機(jī)制結(jié)合起來(lái)，解決了靶向藥物遞送這一難題。由于PFC納米粒不僅具有低溶解度和低擴(kuò)散度的特性，而且能夠攜帶藥物、腫瘤富集靶向、增強(qiáng)藥物遞送以及增強(qiáng)腫瘤的超聲顯影，從而為超聲特異性診斷和靶向治療提供了新的契機(jī)。

盡管PFC納米粒作為造影劑已成功用于多種腫瘤動(dòng)物模型中，但尚未用于臨床實(shí)踐。與動(dòng)物體內(nèi)的腫瘤相比，人體內(nèi)的腫瘤體積較大，納米粒在人體中的被動(dòng)靶向富集效應(yīng)仍存在一定的挑戰(zhàn)性。因此，PFC納米粒在大動(dòng)物模型中的試驗(yàn)以及在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用均是亟待解決的問(wèn)題。

總之，PFC納米粒應(yīng)用于超聲分子成像中的機(jī)制以及在靶向治療中的應(yīng)用，盡管尚未應(yīng)用于臨床實(shí)踐，但在未來(lái)的超聲診斷與治療中存在很大潛力。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

志謝：本研究得到四川大學(xué)華西醫(yī)院超聲影像藥物研究室閻鋒教授的指導(dǎo)和協(xié)助。