經(jīng)顱超聲在帕金森病治療中的應(yīng)用*

李春嬋 楊佳佳 劉近貞 鄭晨光 田裕濤 何 峰 明 東

（1）天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院，天津 300072；2）天津工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；3）天津工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；4）天津大學(xué)精密儀器與光電子工程研究院，天津 300072）

超聲波是指頻率為20 kHz或者更高頻率的聲波，其特點是波長短、方向性強，主要用于工業(yè)探測、醫(yī)學(xué)成像和超聲治療等領(lǐng)域。超聲根據(jù)頻率不同具有不同用途：高頻超聲波（1~20 MHz）用于醫(yī)學(xué)診斷，中頻（0.7~3 MHz）用于超聲治療，低頻（20~200 kHz）用于工業(yè)和治療［1］。超聲頻率大小決定了其穿透深度和空間分辨率，頻率越大，波長越短，分辨率越高；相反，隨著超聲頻率增加，超聲波衰減增加，穿透深度降低。治療性超聲可大致分為“低強度”和“高強度”，“低強度”應(yīng)用包括物理治療、骨折修復(fù)、基因轉(zhuǎn)染、神經(jīng)調(diào)控等，而“高強度”超聲波在醫(yī)學(xué)中最常見的應(yīng)用是高強度聚焦超聲波消融術(shù)［2］。在Ahmadi等［1］的一篇綜述文章中，將低強度定義為空間時間強度為0.125~3 W/cm2、高強度為5 W/cm2至幾千W/cm2的能量范圍。超聲波兼具力學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)和波動效應(yīng)。在低強度下，力學(xué)效應(yīng)可能是主要的生物效應(yīng)；在高強度下，熱效應(yīng)和聲空化占主導(dǎo)地位［3］，波動效應(yīng)主要用于醫(yī)學(xué)診斷成像。

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是僅次于阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）的第二種常見神經(jīng)退行性疾病，它影響著全球大約1%的60歲以上人口［4］。PD是一種進行性多因素神經(jīng)退行性疾病，主要癥狀表現(xiàn)為震顫、運動遲緩和僵硬，還伴有其他運動性或者非運動性癥狀，如情緒和睡眠障礙［4］。PD的平均發(fā)病年齡約為56歲，但也存在早發(fā)性PD患者（21~40歲）和青少年期PD患者（21歲之前）［5］，預(yù)計到2040年，PD將會影響超過1 200萬人的生活質(zhì)量［6］。帕金森病的兩個主要病理特征是黑質(zhì)致密部中多巴胺神經(jīng)元的喪失和α突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）的異常聚集［7］。

PD的治療方式主要包括藥物治療、植入腦深部刺激器（deep brain stimulation，DBS）和損傷手術(shù)［8］。藥物治療包括多巴胺前體、多巴胺激動劑、單胺氧化酶B抑制劑，藥物治療的主要目的是提高多巴胺（dopamine，DA）水平、抑制多巴胺氧化代謝，緩解PD癥狀［8］。在眾多藥物中，左旋多巴是治療PD初期運動障礙的最有效藥物，但是用藥5~10年后會引起相關(guān)并發(fā)癥，如左旋多巴相關(guān)的運動障礙、步態(tài)凍結(jié)、姿勢不穩(wěn)、抑郁和運動波動等［9］。當出現(xiàn)藥物療效下降時可考慮植入DBS，DBS具有可逆、可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，是一種改善PD運動障礙的有效療法。但是DBS手術(shù)具有侵入性，存在一定手術(shù)風(fēng)險。20世紀50年代到60年代以基底神經(jīng)節(jié)為靶點的外科消融手術(shù)頗為盛行，后來隨著立體定位技術(shù)的發(fā)展，陣列聚焦超聲在磁共振成像（MRI）引導(dǎo)下，可以在不打開顱骨的情況下，對靶點進行消融，最近FDA已經(jīng)批準磁共振引導(dǎo)聚 焦 超 聲 （MRI-guided focused ultrasound，MRgFUS）消融手術(shù)用于治療震顫為主的PD［8，10］。超聲波因其具有無創(chuàng)、空間分辨率高、穿透性強的特點，受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)在又發(fā)展了MRgFUS開放血腦屏障給藥、低強度聚焦超聲神經(jīng)調(diào)控和聲遺傳技術(shù)。本文主要綜述經(jīng)顱超聲在PD治療中的研究進展，涵蓋MRgFUS消融技術(shù)、MRgFUS開放血腦屏障（blood brain barrier，BBB）給藥技術(shù)、低強度聚焦超聲調(diào)控（low-intensity focused ultrasound stimulation，LIFUS）技術(shù)和聲遺傳技術(shù)，以期為研究PD發(fā)病機制、探究PD治療方案的同行提供一定的參考和幫助。

1 MRgFUS消融技術(shù)治療PD

數(shù)十年來，消融手術(shù)成功應(yīng)用于PD、特發(fā)性震顫等運動障礙疾病的治療之中［11］。20世紀90年代隨著DBS技術(shù)出現(xiàn)，電刺激丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）或者內(nèi)側(cè)蒼白球（globus pallidus internus，GPi）可改善帕金森病和左旋多巴相關(guān)并發(fā)癥，由于DBS具有可逆性，損傷療法逐漸失去熱度。然而，DBS在取得療效的同時也展現(xiàn)出一些缺點，比如手術(shù)風(fēng)險、并發(fā)癥、手術(shù)禁忌癥和高昂的手術(shù)費用，這使得許多患者拒絕接受DBS植入手術(shù)。最近新興的MRI引導(dǎo)的高強度聚焦超聲技術(shù)再次喚起了人們對消融功能性神經(jīng)外科手術(shù)的熱度。MRgFUS可以在不打開顱骨的情況下，對大腦深部組織消融，避免了傳統(tǒng)射頻消融、DBS打開顱骨和植入電極帶來的風(fēng)險［12］。

Fry等［13］首次提出使用聚焦超聲治療運動障礙。1959年他們首次嘗試人體實驗，使用4個超聲探頭產(chǎn)生聚焦聲束穿過顱窗靶向蒼白球/黑質(zhì)治療帕金森?。?4］。顱骨相對于腦組織對超聲波具有較高的吸收系數(shù)，當時受技術(shù)限制，需要開顱骨窗以精準實施超聲治療。如今，相控陣技術(shù)、MRI技術(shù)的進步允許通過完整的人體頭顱進行超聲消融［5］。MRI熱成像技術(shù)允許對治療位置和強度進行精準定位和實時監(jiān)測，從而提供有效消融所需熱劑量的準確定位和控制，高強度超聲波束通過完整的顱骨聚焦于治療靶點，而無需切口，一般術(shù)后癥狀可得到立刻緩解。

1.1 MRgFUS消融術(shù)治療機制

基底神經(jīng)節(jié)功能異常被認為是PD的主要病理機制，其和運動皮層之間有著廣泛的纖維聯(lián)系，以協(xié)調(diào)運動功能?；咨窠?jīng)節(jié)與運動皮層之間的環(huán)路可分為直接通路（紋狀體-內(nèi)側(cè)蒼白球/黑質(zhì)網(wǎng)狀部）和間接通路（紋狀體-蒼白球外側(cè)-丘腦底核-內(nèi)側(cè)蒼白球/黑質(zhì)網(wǎng)狀部）［4］。直接通路的激活減少基底節(jié)的輸出，減少對丘腦的抑制，促進運動；間接通路的激活增加基底神經(jīng)節(jié)的輸出，抑制丘腦和運動。在健康人中這兩條通路的活動處于平衡狀態(tài)，而黑質(zhì)中DA可以通過直接與間接通路促進運動。在PD患者中，多巴胺神經(jīng)元的丟失導(dǎo)致紋狀體水平上兩條通路的不平衡，間接通路過度激活，STN興奮性增加，導(dǎo)致GPi對丘腦的抑制作用增加，同時直接通路活動減弱，進一步抑制了丘腦和皮層的活動，表現(xiàn)出運動減少等癥狀。另外，小腦回路的改變以及小腦和基底節(jié)之間的相互作用在PD的病理機制中也很重要，尤其是在PD震顫病理中，PD震顫似乎與丘腦的小腦接收區(qū)-腹側(cè)中間核（ventrointermedial nucleus of the thalamus，Vim）的異常振蕩活動密切相關(guān)［8］?；谝陨仙窠?jīng)機制誕生消融手術(shù)，其目的是損毀腦內(nèi)異常興奮神經(jīng)核團，從而控制PD運動癥狀。目前MRgFUS治療PD靶點主要有Vim、GPi、蒼白球丘腦束（pallidothalamic tract，PTT）和STN。電生理實驗表明，Vim接收外周神經(jīng)投射，Vim核團消融可持久緩解震顫［15-16］。GPi消融術(shù)可阻斷GPi對于丘腦的過度抑制，用于治療僵直、運動遲緩，對異動癥和運動波動具有明顯改善作用［12］。Vim和GPi核團靠近內(nèi)囊和視束，患者可因毀損面積過大而影響內(nèi)囊或視束功能，毀損面積過小而導(dǎo)致癥狀復(fù)發(fā)［17］。PTT消融相當于一種優(yōu)化的蒼白球消融術(shù)，在有限的組織消融情況下，將丘腦皮質(zhì)動力從蒼白球過度抑制中釋放出來，降低術(shù)中視束和內(nèi)囊損傷風(fēng)險，同時保持丘腦的完整［17-18］，PTT消融治療效果與GPi消融相似，可減少癥狀復(fù)發(fā)［12］。STN消融術(shù)機制是減小GPi的過度興奮，減弱GPi對丘腦和皮層的抑制，STN消融用于緩解PD核心運動癥狀，減少藥物用量［12，19］。不同靶點的治療情況如表1所示。

1.2 丘腦腹中間核消融術(shù)

2016年MRgFUS批準Vim消融手術(shù)用于治療特發(fā)性震顫［20］。Bond等［21］的一項雙中心雙盲實驗表明，Vim消融手術(shù)同樣適用于以震顫為主的PD患者。該研究隊列招募27名患者，分為假治療組（n= 7）和超聲治療組（n= 20）組，術(shù)后3個月隨訪，假治療組中位數(shù)震顫臨床評定量表（Clinical Rating Scale for Tremor，CRST）的評分下降22%，平均統(tǒng)一帕金森病評定量表（Unified Parkinson Disease Rating Scale，UPDRS）運動部分（UPDRS III）評分下降4%；治療組CRST下降62%，UPDRS III評分下降34.7%。2018年，Zaaroor等［22］發(fā)表了一項關(guān)于MRgFUS單側(cè)Vim消融手術(shù)治療PD和特發(fā)性震顫的文章，研究納入9名震顫為主的PD患者。術(shù)后6個月隨訪，UPDRS III的平均分數(shù)從24.9下降到13.4，PD患者的生活質(zhì)量問卷（PD questionnaire，PDQ-39）平均得分從38.6下降至20.6。2018年，美國FDA批準MRgFUS丘腦消融手術(shù)用于治療震顫為主的PD患者［10］。

1.3 蒼白球消融術(shù)

自從1992年Laitinen團隊確立了損毀蒼白球腹后部的有益效果以來，蒼白球消融手術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于治療PD和左旋多巴誘發(fā)運動障礙的主要運動癥狀的有效方法［23-24］。Jung等［23］報道了第一項MRgFUS 單側(cè)GPi消融手術(shù)的研究，8名PD患者成功接受治療。術(shù)后隨訪6個月和12個月時，藥物關(guān)期MDS-UPDRS III評分分別改善32.2%和39.1%，統(tǒng)一運動障礙評定量表（Unified Dyskinesia Rating Scale，UDysRS）分 別 改 善52.7%和42.7%。2021年發(fā)表的一項MRgFUS 單側(cè)GPi消融手術(shù)，納入20名患者，隨后3個月隨訪，UDysRS改善了59%，藥物關(guān)期運動障礙學(xué)會版聯(lián)合帕金森病評定量表（Movement Disorder Society version of the United Parkinson’s Disease Rating Scale，MDS-UPDRS）第三部分（MDS-UPDRS III）改善了44.5%，除1名患者外，術(shù)后1年隨訪，患者運動癥狀和生活質(zhì)量展現(xiàn)出了持續(xù)的改善［25］。

1.4 蒼白球丘腦束消融術(shù)

Magara等［26］報道了第一項MRgFUS消融PTT的前瞻性研究，納入13名慢性和難治性PD患者。其中4名患者接受1次超聲脈沖治療，術(shù)后3個月隨訪，UPDRS得分下降7.6%，平均整體癥狀緩解自評（patient estimation of global symptom relief，GSR）下降 22.5%，MRI T2w未顯示熱損傷跡象。其他9名患者進行了重復(fù)4~5次的超聲治療，3個月時，患者的平均UPDRS降低了60.9%，GSR降低了56.7%，T2w圖像上可見病灶。隨后該課題組對手術(shù)方案進行優(yōu)化，于2017~2018年間進行了一項前瞻性單中心研究［18］，招募51例PD患者，術(shù)后中位數(shù)隨訪時間為12個月。治療后平均總UPDRS 評分在3個月時降低38%，1年后與術(shù)前藥物開期相比降低46%，與術(shù)前藥物關(guān)期相比降低51%，震顫、強直、遠端運動遲緩分別平均減少84%、70%、73%，認知功能無明顯變化，平均左旋多巴攝入量減少了55%，軸向項目（語音、軀干和步態(tài)）沒有顯著改善，認知功能無明顯變化，疼痛、肌張力障礙、快速眼動、睡眠障礙等減少。在絕大多數(shù)晚期和難治性病例中，PD是一種雙側(cè)疾病。Gallay等［27］開展了一項雙側(cè)MRgFUS PTT治療的研究，納入10例PD患者。術(shù)后1年隨訪顯示，術(shù)后藥物關(guān)期與術(shù)前藥物開期相比UPDRS總分平均降低52%，震顫、遠端僵直、遠端運動遲緩分別降低91%、67%、54%，多巴胺用藥量減少，步態(tài)和平衡功能無明顯改變，客觀評分言語困難惡化了58%，運動障礙抑制以及疼痛、肌張力障礙、快速眼動睡眠障礙的減少。長期以來人們存在對雙邊消融手術(shù)的警示態(tài)度［28］，在這項研究展中患者治療后雙側(cè)癥狀得到緩解，因為研究的樣本量小，目前還無法判斷雙邊消融手術(shù)否適合廣泛開展，不過本研究也為后面的臨床研究提供重要參考。

1.5 丘腦底核消融術(shù)

STN是DBS治療PD主要運動特征的首選靶點，STN是否可以作為MRgFUS消融的靶點？Martínez-Fernández 等［11］進行了MRgFUS單側(cè)STN消融手術(shù)的前瞻性研究，課題組于2016年間招募10名藥物治療不明顯的不對稱PD患者，術(shù)后6個月隨訪，治療側(cè)MDS-UPDRS III平均評分藥物關(guān)期改善了53%，藥物開期改善了47%。除1名患者外，左旋多巴胺用量減少了。術(shù)后12個月評估中，所有患者的PD運動特征都表現(xiàn)出持續(xù)的改善。最近有一項MRgFUS單側(cè)STN消融手術(shù)的隨機對照研究，入隊40名PD患者［29］。術(shù)后4個月隨訪，治療組和假治療組MDS-UPDRS III評分分別從基線時的19.9下降到9.9和18.7下降至17.1，展現(xiàn)出明顯的差異，由此可見STN可以作為MRgFUS消融治療PD的備選靶點。

如上所述，MRgFUS消融手術(shù)治療PD已經(jīng)成為臨床上的重要選擇之一，其優(yōu)勢是可以根據(jù)患者頭骨厚度、形狀和顱骨密度比，個性化進行相位校正，實現(xiàn)精準治療［20］。術(shù)中也可對目標區(qū)域進行1 mm以內(nèi)微調(diào)，這在射頻消融或者DBS治療中難以實現(xiàn)［20］。但也存在不良反應(yīng)，包括步態(tài)共濟失調(diào)［11，21-22，29］、感覺異常［18］、運動無力［22-23，29］、運動 障 礙［11，23，29］、言 語 障 礙［18，25，27，29］、面 部 異常［11，21，25，29］、視野缺損［25］、精神問題［11，25］、頭痛［11，23，25，29］、頭暈［22，29］、惡心［22，25］等，大部分不良反應(yīng)癥狀較輕，在3個月之內(nèi)逐漸消失，也有少數(shù)一些不良反應(yīng)持續(xù)存在［23，25，27］，還有少數(shù)病例運動癥狀沒有改善或者復(fù)發(fā)［21-22］。這些臨床療效和不良反應(yīng)也與醫(yī)生經(jīng)驗和定位精確度直接相關(guān)。另外MRgFUS消融手術(shù)主要用于單側(cè)核團損傷，雙側(cè)手術(shù)風(fēng)險較大，未來還需要大量樣本的深入研究去優(yōu)化手術(shù)方案，探究新的手術(shù)策略，尋找精準的治療靶點，提高治療效果，減少副作用的發(fā)生?？傮w而言，MRgFUS作為一種新型的非侵入性治療手段治療效果理想，技術(shù)相對成熟，手術(shù)損傷小，見效快，在PD的治療中展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，同時，也為晚期DBS禁忌型患者帶來了希望。

Table 1 Summary of MRI guided focused ultrasound ablation in treatment of PD表1 MRgFUS消融手術(shù)治療PD情況

2 MRgFUS開放BBB輔助給藥治療PD

MRgFUS的另一種有前景的應(yīng)用是結(jié)合超聲造影劑-微泡（microbubbles，MBs），實現(xiàn)BBB的短暫開放，靶向遞送藥物、基因、干細胞、抗體等達到治療疾病的目的。BBB由內(nèi)皮細胞通過各種緊密連接蛋白、星形膠質(zhì)細胞和基底膜組成［30-31］。BBB保護腦組織免受外來毒素的侵害，同時也阻斷許多治療或診斷性藥物大分子的輸送［32］。當MBs通過血液循環(huán)到達超聲靶點時，在超聲波的作用下膨脹和收縮，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細胞緊密連接的短暫分離（1~24 h），允許藥物/基因穿過BBB，進入腦實質(zhì)［30，33-34］。MRgFUS聯(lián)合MBs開放BBB所需的超聲強度遠低于熱消融所需的強度，因此這種方法不會對顱骨產(chǎn)生明顯的加熱，也不會對腦組織造成顯著損傷，目前這種療法在神經(jīng)退行性疾病、膠質(zhì)母細胞瘤、肌萎縮性側(cè)索硬化等腦部疾病治療中均有應(yīng)用［35］。

2.1 動物模型研究

超聲開放BBB在PD動物模型中的應(yīng)用主要是基因治療，其中一種治療策略是靶向α-syn的聚集。PD的主要病理特征之一是α-syn錯誤折疊形成路易病理學(xué)，路易病理學(xué)的傳播與α-syn以類似于朊病毒的方式自我模板化有關(guān)，下調(diào)α-syn表達可能是延遲或阻斷 PD擴散病理的可行方法［36］。Xhima等［36］結(jié)合MRgFUS技術(shù)和MBs，將攜帶靶向ɑ-syn基因的shRNA序列AAV9載體靜脈注射到表達人ɑ-syn轉(zhuǎn)基因小鼠中，用于阻止該蛋白質(zhì)的表達。聚焦超聲靶向治療4個腦區(qū)（海馬、黑質(zhì)、嗅球和背側(cè)運動核）。1個月后，靶區(qū)α-syn免疫反應(yīng)降低，未檢測到神經(jīng)元毒性，也未檢測到細胞死亡或者炎癥誘導(dǎo)的膠質(zhì)細胞活化。結(jié)果表明，MRgFUS介導(dǎo)的針對α-syn的shRNA遞送可能是預(yù)防路易體形成的潛在治療方案。

另一種基因治療策略是靶向DA系統(tǒng)遞送神經(jīng)營養(yǎng)因子。神經(jīng)營養(yǎng)因子，如膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）及其家族成員neurturin（NTN）和腦源性營 養(yǎng) 因 子 （brain-derived neurotrophic factor，BDNF），被認為具有神經(jīng)保護和修復(fù)功能，對多巴胺神經(jīng)元的發(fā)育和維持非常重要［37-38］。前期動物模型和臨床研究已經(jīng)表明［39-40］，神經(jīng)營養(yǎng)因子療法是有效的，但是由于BBB的存在，全身給藥治療效果不佳。Wang等［41］和Samiotaki等［42］等使用MRgFUS結(jié)合MBs治療增強了靜脈注射GDNF和NTN后向靶區(qū)的遞送。Fan等［43］開發(fā)了一種新型陽離子微泡系統(tǒng)用作GDNF基因質(zhì)粒載體，超聲治療后，增加了靶區(qū)GDNF表達。這是首次將BBB開放和藥物釋放應(yīng)用于PD治療的研究報告，成功修復(fù)了6-OHDA誘導(dǎo)PD大鼠黑質(zhì)紋狀體多巴胺通路的損傷，改善了大鼠的運動障礙。另一項研究中，研究人員使用高滲透的納米顆粒作為載體，在MRgFUS作用下開放大鼠紋狀體BBB，靶向增強GDNF表達。該研究中，12周內(nèi)恢復(fù)了大鼠多巴胺水平和多巴胺能神經(jīng)元密度，顯著改善了運動障礙［38］。在Yue等［44］的研究中，PD大鼠靜脈注射GDNF質(zhì)粒，靶向紋狀體的超聲治療增加了GDNF和核受體相關(guān)因子1的表達，改善了大鼠運動障礙。另外一種遞送神經(jīng)營養(yǎng)因子的方法是使用病毒載體，Karakatsani等［45］以腺相關(guān)病毒為載體，向MPTP誘導(dǎo)的亞急性PD小鼠模型紋狀體和中腦傳遞GDNF，改善了黑質(zhì)紋狀體多巴胺能通路的損傷。Ji等［46］采用了一種新穎的治療方式，MPTP小鼠接受鼻腔BDNF治療，多次超聲開放基底神經(jīng)節(jié)BBB后，發(fā)現(xiàn)接受超聲治療的小鼠酪氨酸羥化酶（tyrosine hydroxylase，TH）染色免疫反應(yīng)顯著增強，行為學(xué)得到改善。以上研究表明聚焦超聲介導(dǎo)的BBB開放可以與藥物治療方法相結(jié)合，無創(chuàng)地提高腦內(nèi)藥物遞送的效率。

2.2 臨床研究

以上針對動物模型的研究均取得了可喜的成果，MRgFUS開放BBB在人體實驗方面也有一定探索。針對AD患者［47］和肌萎縮側(cè)索硬化患者［48］MRgFUS開放BBB I期臨床實驗，初步證明了MRgFUS開放BBB的安全性和有效性。最近Gasca-Salas等［49］報道了一項MRgFUS治療PD癡呆癥（Parkinson’s disease dementia，PDD）的I期臨床試驗結(jié)果，研究招募了5名PDD患者，治療靶點為右側(cè)頂枕顳葉皮質(zhì)。治療后患者認知功能輕度改善，但淀粉樣蛋白或氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射計算機斷層掃描無明顯改變，治療過程中未見明顯不良反應(yīng)。該研究初步表明，MRgFUS開放BBB是一種安全、可逆、可行的治療PDD的方法。

綜上所述，MRgFUS開放BBB促進藥物/基因的遞送作為一種非侵入性、靶向性強的治療手段，解決了目前藥物大分子無法穿過BBB到達靶區(qū)的難題，在動物實驗中展現(xiàn)出良好的治療效果，在PD的治療中前景廣闊。然而該技術(shù)在臨床應(yīng)用前尚需解決若干問題。在BBB開放人體實驗中，不同受試者所用超聲能量和BBB開放體積存在差異［49］，研究中是否存在安慰劑效應(yīng)，治療中最優(yōu)的BBB開放體積；未來聯(lián)合藥物治療，人體血管、超聲和藥物動力學(xué)之間的相互作用關(guān)系［50］，仍然未知。值得高興的是，來源于人的誘導(dǎo)多能干細胞體外BBB模型被證明能準確反映體內(nèi)藥物在人腦中的滲透性［51］。來源于PD患者的誘導(dǎo)多能干細胞體外BBB模型或許可以用于臨床前研究，助力MRgFUS開放BBB治療PD的轉(zhuǎn)化進程。雖然多項研究表明，MRgFUS開放BBB是安全的，沒有發(fā)現(xiàn)出血和腦水腫，但也有研究發(fā)現(xiàn)BBB開放引發(fā)無菌炎癥，早期神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞損傷，小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞活化［52］。目前臨床實驗聚焦在驗證BBB開放的安全性和可逆性的問題上，對于BBB開放聯(lián)合藥物治療在PD中的研究報道未見報道?？傊琈RgFUS介導(dǎo)BBB開放仍然是一門新興的技術(shù)，未來還需要大量的動物實驗和大規(guī)模的臨床實驗，來研究MRgFUS聯(lián)合MBs開放BBB的深入機制，解決最優(yōu)的超聲治療參數(shù)、微泡體積劑量以及給藥劑量等關(guān)鍵性問題，最終將這項技術(shù)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，使更多患者受益。

3 低強度聚焦超聲神經(jīng)調(diào)控治療PD

對于LIFUS的研究可追溯到1958年，F(xiàn)ry等［53］證實超聲波調(diào)控貓外側(cè)膝狀體區(qū)域，可逆性地抑制了視覺誘發(fā)電位。隨后，Tyler等［54］通過離體實驗證明了LIFUS能夠觸發(fā)動作電位和突觸傳遞，從而影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動。他們采用 LIFUS（2.9 W/cm2，0.44 MHz、0.67 MHz）刺激小鼠海馬切片CA1區(qū)，引起電壓門控鈉離子和鈣離子通道活性的改變，誘發(fā)錐體細胞產(chǎn)生動作電位，觀察到突觸囊泡的增加，實驗中未發(fā)現(xiàn)超聲刺激引起神經(jīng)元損傷。在體實驗方面，Tufail等［55］發(fā)現(xiàn)LIFUS（21~163 mW/cm2，0.25~0.5 MHz）可以穿透小鼠顱骨到達靶區(qū)，調(diào)控小鼠運動皮層，引起M1區(qū)局部場電位（local field potentials，LFP）幅度增加，肌肉收縮；調(diào)控小鼠海馬區(qū)引起同步活動的增加和BDNF表達升高，意味著LIFUS可促進大腦內(nèi)源性可塑，超聲調(diào)控沒有引起神經(jīng)元死亡。之后，許多研究課題組在體外和體內(nèi)實驗中證實LIFUS的神經(jīng)保護作用和神經(jīng)調(diào)控功能［56］。

3.1 LIFUS治療參數(shù)

LIFUS的主要參數(shù)有超聲換能器基頻（fundamental frequency，F(xiàn)F）、脈 沖 重 復(fù) 頻 率（pulse repetition frequency，PRF）、占空比（duty cycle，DC）、聲脈沖群持續(xù)時間（sonication duration，SD）、刺激間隔時間（inter-stimulus interval，ISI）、脈沖持續(xù)時間（tone burst duration，TBD）、空間峰值脈沖平均強度（spatial peak-pulse average intensity，Isppa）或者空間峰值時間平均強度（spatial peak-temporal average intensity，Ispta）。DC是指脈沖持續(xù)時間占整個脈沖周期的比例，即TBD×PRF。各種參數(shù)代表的涵義見圖1。不同超聲參數(shù)產(chǎn)生的調(diào)控效果不同，有的表現(xiàn)為抑制性作用，有些表現(xiàn)為興奮性作用，具體參數(shù)參見Wang等［57］的綜述。大腦組織對溫度非常敏感，研究表明溫度升高4oC，5 min內(nèi)將會造成不可逆的損傷［58］。FDA診斷性超聲指南建議頭部超聲最大Ispta為94 mW/cm2，最 大Isppa為190 W/cm2，MI<1.9，以避免空化和加熱［59］。因此為了確保LIFUS的安全性，在保證調(diào)控效果的前提下，應(yīng)盡可能降低超聲強度避免產(chǎn)生熱效應(yīng)和機械損傷。

Fig. 1 Ultrasound stimulation waveforms commenly used in LIFUS圖1 常見LIFUS波形

3.2 LIFUS治療PD進展

前期研究已經(jīng)證明LIFUS對AD［60］、腦卒中［61］、癲癇［62］等嚙齒類動物模型，具有神經(jīng)保護作用。Zhao等［63］開展的一項體外研究表明，LIPUS可以抑制1-甲基-4-苯基吡啶（MPP+）誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和線粒體功能障礙，展現(xiàn)出LIFUS治療PD神經(jīng)元變性的潛力。PD的典型特征是大腦黑質(zhì)和紋狀體區(qū)域DA產(chǎn)生和釋放減少。Xu等［64］的一項研究證明，超聲調(diào)控可以增加DA的釋放。他們同時進行了體外（PC12細胞）和體內(nèi)（MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠模型）實驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲調(diào)控后細胞釋放的DA增加，小鼠紋狀體DA含量恢復(fù)到對照組81.07%水平（0.3 W/cm2，5 min/d，10 d）。同年，Zhou等［65］通過在體實驗驗證了LIFUS可以改善PD小鼠運動障礙和氧化應(yīng)激水平。研究人員用神經(jīng)毒素MPTP誘導(dǎo)急性PD小鼠模型，每天超聲刺激運動皮層40 min，共7 d，改善了小鼠的行為學(xué)表現(xiàn)，增強了紋狀體中總超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，T-SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）的活性，長期的超聲刺激未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元損傷，表明LIFUS具有臨床應(yīng)用價值。隨后課題組采用3.8 MHz自制超聲探頭分別調(diào)控小鼠STN和GPi腦區(qū)，每天30 min，共7 d，改善了PD小鼠在旋轉(zhuǎn)棒測試和桿測試中的行為學(xué)表現(xiàn)，上調(diào)Bcl-2/Bax比例，顯著抑制了黑質(zhì)多巴胺細胞凋亡［66］。在此基礎(chǔ)上對MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠模型進行更為深入的研究。在一項急性實驗中［67］，超聲調(diào)控STN腦區(qū)5 min，M1區(qū)LFP信號中beta波段的平均功率顯著降低，beta和高gamma波段之間以及beta和ripple之間的相位幅度耦合強度明顯變?nèi)?。在長期調(diào)控實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，從第4天起小鼠運動障礙得到逐漸改善［68］。隨后Zhou等［69］驗證STN-LIFUS早期調(diào)控可以減輕MPTP帶來的神經(jīng)損傷，這與早期STN-DBS較晚期STN-DBS對PD患者運動功能的改善結(jié)果剛好一致。在Sung等［70］的一項研究中，15 min/d，5 d/周，共6周的LIFUS干預(yù)，改善了6-OHDA誘導(dǎo)的PD大鼠模型的行為學(xué)表現(xiàn)，增加了黑質(zhì)和紋狀體神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達，抑制了神經(jīng)炎癥，顯著增加了TH染色密度。Chen等［71］的研究進一步印證了超聲調(diào)控可以抑制MPP+引起的線粒體功能障礙，改善小鼠的運動和平衡能力。最近的一項研究從影像學(xué)的角度說明了低強度超聲能減輕6-OHDA對大鼠的神經(jīng)毒性損傷。以上研究均未發(fā)現(xiàn)LIFUS帶來的神經(jīng)元和組織損傷，表明LIPUS是一種潛在的PD治療方案［72］，動物實驗的LIFUS調(diào)控參數(shù)及效果詳見表2。

Table 2 Summary of neuromodulation research on PD pathological models by LIFUS表2 LIFUS 對PD病理模型的神經(jīng)調(diào)控研究歸納

續(xù)表2

3.3 LIFUS治療PD機制

LIFUS治療PD的機制為調(diào)節(jié)目標腦區(qū)的神經(jīng)活動和提供神經(jīng)保護作用。黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元的丟失導(dǎo)致紋狀體水平上直接通路和間接通路的不平衡，STN和GPi過度激活，對運動皮層的抑制性增加。LIFUS可能通過抑制STN［66-67］、GPi［66］的過度活動，改善運動皮層興奮性［65］，逆轉(zhuǎn)PD小鼠的運動障礙。LIPUS治療PD的另外一種作用機制可能是通過改善細胞內(nèi)氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，提供神經(jīng)保護作用，減少DA神經(jīng)元死亡［64，71］。LIPUS的深層機制可能涉及離子通道動力學(xué)的變化，已有研究發(fā)現(xiàn)LIFUS調(diào)控作用依賴于TRPA1通道的開啟［73］，超聲刺激增加了TRAAK通道鉀電導(dǎo)［74］，具體哪些離子通道在PD的治療中起關(guān)鍵作用，未來仍需要大量的深入研究，為實施精準醫(yī)療奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，LIFUS可以逆轉(zhuǎn)PD動物模型運動障礙，提供神經(jīng)保護作用，而且具有無創(chuàng)和靶向性強的優(yōu)點，在PD的治療方面前景可觀。然而LIFUS的治療參數(shù)沒有統(tǒng)一定論，參數(shù)不同調(diào)控效果不同［57］。對于PD動物模型的治療參數(shù)篩選，可以借鑒Wang等［67］的實驗方案，逐個改變參數(shù)，以生物標志物作為評估治療效果的標準。另外，可借助計算機建模，預(yù)測超聲參數(shù)的有效性，提高實驗效率。此外，超聲治療的遠期效果也有待于進一步研究。未來在倫理允許的情況下，需要臨床實驗驗證LIFUS的治療效果。如果治療方案可行，將造福更多PD患者。

4 聲遺傳學(xué)在PD治療中的應(yīng)用

聲遺傳學(xué)的概念于2015年由Chalasani提出，聲遺傳技術(shù)是指利用基因工程技術(shù)將機械敏感離子通道蛋白特異性的轉(zhuǎn)入細胞，通過超聲波非侵入性地打開離子通道，從而實現(xiàn)調(diào)控細胞功能的技術(shù)［75］。機械敏感通道蛋白可以感受超聲波產(chǎn)生的機械力從而打開通道，使Na+、K+、Ca2+等離子通過，離子的流動即可調(diào)控相應(yīng)的細胞活動。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的機械敏感通道蛋白的種類很多，但只有少數(shù)被發(fā)現(xiàn)可用于聲遺傳，主要包括瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）離子通道、大電導(dǎo)機械敏感離子通道（mechanosensitive channel oflarge conductance，MscL）、Piezo離子通道、雙孔鉀通道家族（channels of the two-pore-domain potassium family，K2P）等［57，76］。

TRP通道幾乎在所有真核生物中都有發(fā)現(xiàn)。Ibsen等［77］首次將超聲波與遺傳學(xué)結(jié)合，把TRP通道家族成員之一TRP-4異常表達于秀麗隱桿線蟲。他們發(fā)現(xiàn)野生型線蟲對低壓超聲波不敏感（峰值負壓0.4~0.6 MPa，2.25 MHz），當在特定神經(jīng)元中表達TRP-4機械敏感離子通道時，神經(jīng)元對超聲波刺激敏感，在超聲波和MBs作用下可特異性激活神經(jīng)元，從而改變線蟲的行為。這項研究為通過超聲實現(xiàn)高空間分辨率靶向單個細胞的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

MscL離子通道是細菌上的一種機械敏感通道。在Ye等［78］的一項研究中，他們在原代培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元中成功地表達MscL，并證明在施加低壓超聲脈沖時可激活神經(jīng)元。為了增加神經(jīng)元的機械敏感性，他們制作MscL變體I92L，I92L MscL在峰值負壓0.25 MPa（29.92 MHz）的作用下可以觸發(fā)神經(jīng)元動作電位，此外，I92L 突變體可精確地響應(yīng)超聲脈沖序列，具有毫秒的時間精度和高達5 Hz的保真度，這項工作拓展了聲遺傳學(xué)的基礎(chǔ)，表明基于MscL的工具可用于神經(jīng)元活動的無創(chuàng)超聲調(diào)控。

Piezo離子通道包括Piezo1和Piezo2，是在哺乳動物細胞中鑒定出的機械敏感通道，當感受到機械刺激時，離子通道打開，允許陽離子流入細胞。Qiu等［79］將Piezo1通道表達在小鼠原代皮層神經(jīng)元中，低強度超聲（FF=500 kHz，PRF=1 kHz，DC=40%，SD=0.2 s，0.3 MPa）在沒有MBs介導(dǎo)的情況下可激活神經(jīng)元，并觀察到Piezo1通道依賴的Ca2+電流。這項研究為在體內(nèi)應(yīng)用Piezo1通道進行神經(jīng)調(diào)控奠定基礎(chǔ)，進一步推動了聲遺傳學(xué)的發(fā)展。

K2P通道在穩(wěn)定靜息膜電位，調(diào)節(jié)中樞和外周軀體神經(jīng)系統(tǒng)細胞興奮性方面起著關(guān)鍵作用，在所有K2P家族中，TREK1、TREK2和TRAAK被認為具有極弱的電壓依賴性和開放概率［80］。Kubanek等［81］在非洲爪蟾卵母細胞中表達TREK1、TREK2、TRAAK三種離子通道，當超聲（10 MHz，0.3~4.9 W/cm2）刺激時，細胞離子電流最大可變化23%，當添加K2P家族離子通道阻斷劑BaCl2時，超聲引起的電流變化消失。Sorum等［74］通過電生理實驗進一步證明超聲（5 MHz，0.2~1.2 W/cm2）作用到TRAAK通道可以引起與機械壓力刺激相似的激活，研究人員還發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)元中表達TRAAK通道，超聲刺激（5 MHz，3.6 W/cm2）引起了明顯的電流變化。這些結(jié)果表明機械敏感通道是對超聲波生理反應(yīng)的基礎(chǔ)，可以作為基因靶向細胞的聲學(xué)神經(jīng)調(diào)節(jié)工具。

已有研究表明，利用工程化聽覺感應(yīng)蛋白mPrestin（N7T，N308S）進行基因修飾能夠增強靶細胞對于超聲的敏感性［82］。隨后，F(xiàn)an等［83］在PD小鼠黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元中表達mPrestin，使用超聲（0.5 MHz，68 mW/cm2）重復(fù)刺激該腦區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)與未治療組相比，超聲治療改善了多巴胺能神經(jīng)元的退行性變化（TH和DOPA的表達增加7倍），減輕PD癥狀（曠場實驗中總運動距離增加為PD組的3.5倍），而且治療效果優(yōu)于單獨使用超聲治療組。mPrestin可在小鼠神經(jīng)元中持續(xù)表達至少56 d，為超聲治療提供了較長的窗口期，這項在體實驗表明聲遺傳學(xué)策略在治療PD方面具有臨床應(yīng)用潛力。

聲遺傳學(xué)是一種基于聚焦超聲發(fā)展起來的新技術(shù)，在時空分辨率、細胞類型方面均具有可控性［84］。然而，臨床前研究中，為了保證空間準確性，仍然是通過立體定向注射的方式向目標靶區(qū)注射病毒載體基因，臨床轉(zhuǎn)化性差。未來或許可以通過MRgFUS打開BBB等無創(chuàng)方式，將目標基因輸送到特定類型的神經(jīng)元。聲遺傳技術(shù)處于起步階段，在體動物實驗有限，尤其在PD的治療方面，僅檢索到一項研究報告。動物實驗中篩選出的機械敏感蛋白，是否能在人體表達，以及由此帶來的安全性問題有待于驗證?？傊曔z傳技術(shù)為應(yīng)用非侵入性方法調(diào)控靶細胞治療PD提供了新的策略，前景可觀。盡管現(xiàn)有研究還不完善，但是隨著廣大科技工作者的努力攻關(guān)，也許在不久的將來聲遺傳學(xué)可以真正意義上應(yīng)用于臨床，比如取代DBS的功能治療PD。

5 總結(jié)與展望

本文較為全面地總結(jié)了MRgFUS消融技術(shù)、MRgFUS開放BBB給藥技術(shù)、LIFUS技術(shù)和聲遺傳技術(shù)的概念、作用機制及其在PD治療中的應(yīng)用。由文獻可見，經(jīng)顱超聲技術(shù)在PD治療中具有很大的應(yīng)用價值。

臨床實驗中，靶向Vim、STN、GPi、PTT的MRgFUS消融手術(shù)均可顯著改善患者的運動障礙，手術(shù)后不良反應(yīng)大部分是短暫的。目前普遍認為Vim用于治療震顫為主的PD患者，而靶向GPi、STN、PTT對緩解PD患者核心運動癥狀、減少藥物用量更為有效［12］。但目前納入研究的樣本量比較小，手術(shù)后不同患者的改善程度存在差別，在長期隨訪之中，也有復(fù)發(fā)的情況發(fā)生，對于手術(shù)的廣泛推廣還為時尚早。未來還需要大量樣本的深入研究來優(yōu)化手術(shù)方案，精準定位治療靶點，穩(wěn)定治療效果，減少副作用的發(fā)生。相比于消融手術(shù)，MRgFUS開放BBB更具可逆性。使用聚焦超聲以局部和暫時的方式開放BBB，促進神經(jīng)營養(yǎng)因子、抗炎藥或抗體等進入病變部位，可能是治療PD的一種較為有前景的選擇。動物實驗表明，開放BBB增強了GDNF的表達，逆轉(zhuǎn)了大鼠DA水平，顯著改善了運動障礙［38］。人體實驗中開放BBB改善了PDD患者的認知功能［49］。盡管動物實驗顯示BBB開放遞送藥物是安全的，目前缺乏臨床數(shù)據(jù)支撐。MRgFUS開放BBB是一門新興技術(shù)，未來仍然需要大量的動物實驗和臨床實驗，來研究超聲開放BBB開放的深入機制，確定超聲治療參數(shù)、微泡大小和劑量、給藥劑量等關(guān)鍵問題，最終將這項技術(shù)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，使更多患者受益。

目前的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)如經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱直流電刺激也可用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，但是受到空間分辨率的限制，無法刺激深部腦組織。相比較而言，聚焦超聲具有穿透能力強，空間分辨率高的特點。在PD小鼠的實驗中，超聲刺激STN，引起M1區(qū)LFP beta波段的功率降低，beta和高gamma波段之間以及beta和ripple之間的相位幅度耦合強度變?nèi)?，達到DBS類似的治療效果［67］。另外超聲刺激促進了GDNF的表達，具有神經(jīng)修復(fù)功能［70］。以上動物實驗表明，LIFUS具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而LIFUS距離臨床應(yīng)用還有很長的路要走，目前動物實驗中的調(diào)控參數(shù)各不相同，有些參數(shù)表現(xiàn)為興奮性，有些表現(xiàn)為抑制性。未來研究還應(yīng)更多關(guān)注于優(yōu)化刺激參數(shù)、調(diào)控機制、安全性、治療效果的持續(xù)性，這些LIFUS技術(shù)臨床應(yīng)用前需要解決的關(guān)鍵問題。盡管聲遺傳學(xué)是近幾年新興起的研究領(lǐng)域，但目前取得的成績令人興奮。未來還需要大量工作篩選在人體可以安全表達、超聲敏感的離子通道或其變體。目前離子通道蛋白基因通過病毒載體在線蟲、小鼠等動物中表達，這種方式用于人腦，是否會產(chǎn)生不良反應(yīng)還未知?？傊?jīng)顱超聲技術(shù)在PD的治療中展現(xiàn)出了巨大的潛力，未來需要神經(jīng)科學(xué)、工程技術(shù)、超聲等多學(xué)科研究人員的共同努力，將多項技術(shù)真正意義上轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用。