超聲聯(lián)合超聲微泡介導(dǎo)的藥物遞送策略在腫瘤治療中的研究進(jìn)展

張敏潔，張小杉，施依璐，陳啟，段莎莎，趙海玥，王雅晳*

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院超聲科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；2.寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，寧夏 銀川 750004；*通信作者王雅晳 ttwangyaxi@163.com

化療是惡性腫瘤的主要治療方法，隨著精準(zhǔn)醫(yī)療的快速發(fā)展，新型靶向藥物的出現(xiàn)改變了腫瘤治療模式，開辟了靶向治療時(shí)代。靶向遞送系統(tǒng)以其低劑量選擇性濃集的優(yōu)越性減少非目標(biāo)靶組織的積聚、毒副作用及耐藥反應(yīng)[1]。靶向治療不僅能精準(zhǔn)地“殺滅腫瘤”，而且能降低腫瘤進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)，從而延長患者的生存期。本文對超聲波生物效應(yīng)、超聲微泡的特征及超聲靶向微泡破壞（ultrasound-targeted microbubble destruction，UTMD）技術(shù)在腫瘤治療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 超聲波的生物效應(yīng)

超聲是一種應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟(jì)有效、非侵入性及實(shí)時(shí)安全的臨床診療方法，已應(yīng)用于解剖學(xué)、分子成像學(xué)和治療學(xué)等諸多學(xué)科[2]。低頻超聲可利用由微泡組成的超聲造影劑進(jìn)行診斷和治療，超聲波與超聲造影劑聯(lián)合使用可發(fā)生不同的生物效應(yīng)，主要為空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲孔效應(yīng)[3]。

1.1 超聲波空化效應(yīng) 空化效應(yīng)是指微泡在超聲波作用下產(chǎn)生周期性振蕩、膨脹、坍塌或收縮以致內(nèi)爆炸等一系列動力學(xué)過程[4]。根據(jù)微泡振蕩幅度可分為2種振蕩效應(yīng)：①穩(wěn)態(tài)空化，即在較低超聲強(qiáng)度（0.3～3 W/cm2）下，因微泡穩(wěn)定的振蕩而引起，導(dǎo)致微泡收縮和擴(kuò)張，在周圍介質(zhì)中誘導(dǎo)微流流動，通過機(jī)械推或拉與血管壁相互作用，增加內(nèi)皮細(xì)胞之間的間隙，從而促進(jìn)藥物外滲[5-6]；②慣性空化，又稱瞬態(tài)空化，即在較高的超聲強(qiáng)度（＞3 W/cm2）下，由高壓波觸發(fā)導(dǎo)致微泡破裂，從而在周圍介質(zhì)中以沖擊波、微噴流甚至自由基的形式產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致附近的細(xì)胞膜穿孔，動態(tài)微泡運(yùn)動和流體運(yùn)動可以對周圍組織施加機(jī)械力，從而產(chǎn)生可逆的細(xì)胞膜滲透，有助于藥物進(jìn)入組織[5-6]。

1.2 超聲波熱效應(yīng) 當(dāng)超聲波照射組織時(shí)，組織中的分子出現(xiàn)振動而相互摩擦，超聲波的能量會被組織吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，這一組織吸收產(chǎn)熱的過程稱為超聲波熱效應(yīng)[4]。因超聲波的照射，輻照區(qū)域溫度短暫升高，增加了細(xì)胞膜磷脂雙分子層的流動性及通透性，從而有助于藥物入胞。

1.3 超聲波聲孔效應(yīng) 聲孔效應(yīng)主要依賴超聲波空化效應(yīng)產(chǎn)生的微氣液流，在較高的壓力（＞100 kPa）下，氣泡動力學(xué)變得猛烈，足以在細(xì)胞膜和血管壁表面上產(chǎn)生孔隙，而停止超聲波輻照時(shí)，孔隙也會隨之消失，這種瞬時(shí)、可逆的超聲-微泡誘導(dǎo)的滲透性增強(qiáng)效應(yīng)稱為聲孔術(shù)，一旦孔隙形成，便允許被輸送的藥物直接進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[3,6]。

2 超聲微泡

超聲微泡通常作為超聲造影劑，通過改變組織的聲學(xué)特性提高圖像分辨率。根據(jù)微泡大小，超聲微泡可分為微米級超聲微泡和納米級超聲微泡，統(tǒng)稱為超聲微泡，其中納米級微泡直徑＜1 μm[7]。盡管它們很小，但散射截面比紅細(xì)胞的散射截面大9個(gè)數(shù)量級，這種高效的散射使心肌和其他器官，包括肝、腦和腎的灌注量得以量化[8]。氣核是微泡最重要的部分，決定了微泡的回聲能力，即微泡暴露在超聲波頻率下壓縮、振蕩并反射回特征回波的能力，當(dāng)超聲換能器或探頭捕捉到反射回波時(shí)，即會產(chǎn)生獨(dú)特的超聲圖像[6]。

與傳統(tǒng)的超聲微泡相比，納米泡更小、穩(wěn)定性更高、循環(huán)時(shí)間更長[9]。通過表面修飾，可負(fù)載治療性基因或藥物，通過增強(qiáng)的滲透性和保留效應(yīng)在目標(biāo)組織中蓄積，用于成像和治療[10]。隨著納米泡材料的發(fā)展和制備方法不斷優(yōu)化，出現(xiàn)了一系列新型超聲納米材料[11]，顯著提高藥物和基因的傳遞效率，拓展了超聲微泡的適用范圍。此外，超聲微泡還具有增強(qiáng)組織和細(xì)胞膜通透性的能力，可增加細(xì)胞對藥物的攝取，因此超聲波驅(qū)動的微泡是極具潛質(zhì)的藥物輸送方法[8]。

3 超聲靶向微泡促進(jìn)藥物釋放治療腫瘤方面的進(jìn)展

隨著生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，微泡可作為一個(gè)多功能平臺將各種治療性藥物輸送到疾病部位[9]。UTMD是一種高效、安全的新興技術(shù)，可有效增強(qiáng)藥物在靶區(qū)域的作用效果，其機(jī)制主要依賴空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲孔效應(yīng)，通過超聲場刺激靶區(qū)內(nèi)攜帶藥物的氣泡，使其膨脹和坍塌，從而釋放藥物[12]。圖1為UTMD技術(shù)示意圖。UTMD介導(dǎo)的藥物傳遞系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：①良好的安全性；②非侵入性；③通過超聲成像和微泡傳遞藥物，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)組織診斷和治療的一體化；④具有明顯的衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)勢，與CT和MRI等其他醫(yī)學(xué)成像方法相比，超聲檢查成本相對較低；⑤靶向性好，通過抗原-抗體或配體-受體的特定結(jié)合，微泡可有效聚集到靶器官或組織上，使藥物發(fā)揮更好的藥理作用，同時(shí)減少藥物對非靶組織的毒性；⑥作用時(shí)間長，超聲照射靶組織后，可通過空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲孔效應(yīng)促進(jìn)微泡入胞，延長了其在目標(biāo)組織中的停留時(shí)間?；谝陨蟽?yōu)勢，近年來這項(xiàng)技術(shù)尤其在腫瘤治療方面得到廣泛研究[2,13]。

圖1 UTMD技術(shù)示意圖。在UTMD作用下，包裹藥物的微泡可以透血管屏障進(jìn)入靶組織

3.1 UTMD打開血-腦屏障用于治療腦腫瘤 在腦腫瘤治療中，特別是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，克服血-腦屏障將藥物輸送到腫瘤部位是目前治療本病中面臨的主要挑戰(zhàn)。近年來，研究者致力于開發(fā)新的方法將治療劑量的藥物輸送到大腦中用于癌癥治療。Tran等[14]研究證實(shí)UTMD能有效增加血-腦屏障的滲透性，從而促進(jìn)治療性抗體在腫瘤組織中的滲透。Amate等[15]采用小鼠雙側(cè)皮下移植瘤模型，研究UTMD對抗腫瘤單克隆抗體攝取的影響。超聲前經(jīng)尾靜脈注射抗體和微泡，并對唯一的單側(cè)腫瘤進(jìn)行超聲靶向治療，結(jié)果顯示超聲作用側(cè)的抗體濃度顯著高于非超聲作用側(cè)腫瘤的抗體濃度。

3.2 UTMD在肝癌中的應(yīng)用 肝細(xì)胞肝癌是一種侵襲性很強(qiáng)的惡性腫瘤，通常對傳統(tǒng)化療耐藥。由于肝細(xì)胞肝癌傾向于高度血管化，使超聲介導(dǎo)的微泡破壞成為一種非常有用的治療藥物輸送方法[5]。因此，諸多研究探索了UTMD技術(shù)對肝細(xì)胞肝癌的療效促進(jìn)作用[16]。Kang等[17]將載有多西紫杉醇脂質(zhì)微泡用于兔VX2原位肝癌模型的治療，并使用UTMD促進(jìn)脂質(zhì)微泡在腫瘤組織中的滲透和釋放，結(jié)果顯示與未使用超聲微泡治療的對照組相比，實(shí)驗(yàn)兔的生存時(shí)間延長了13.2 d，提高了實(shí)驗(yàn)兔的生存期。Eisenbrey等[18]為研究UTMD聯(lián)合經(jīng)動脈放射栓塞術(shù)（transarterial radioembolization，TARE）治療肝細(xì)胞肝癌的安全性和療效，將TARE治療的肝細(xì)胞肝癌患者隨機(jī)分為兩組，分別進(jìn)行TARE或TARE聯(lián)合UTMD治療，最終UTMD聯(lián)合TARE的方法具有可行性，在該研究的患者中具有較好的安全性，并且可以改善患者的治療反應(yīng)。

3.3 UTMD在乳腺癌中的應(yīng)用 UTMD治療乳腺癌的主要挑戰(zhàn)是將藥物滲透到致密的乳腺組織中。在乳腺癌腫瘤（2LMP）荷瘤小鼠中，Sorace等[19]利用超聲介導(dǎo)的微泡破壞（1.0 MHz換能器，脈沖重復(fù)周期為5 s）增強(qiáng)化療藥物紫杉醇的輸送，與無超聲輻照的單純化療相比，超聲微泡聯(lián)合化療可使癌細(xì)胞死亡增加約50%。董虹美等[20]觀察超聲輻照微泡造影劑對米托蒽醌殺傷人乳腺癌細(xì)胞MCF-7作用的影響，測定用藥各組細(xì)胞內(nèi)米托蒽醌的含量，發(fā)現(xiàn)給予超聲輻照微泡造影劑組細(xì)胞含量明顯高于對照組，表明低頻超聲輻照可促進(jìn)化療藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)，增強(qiáng)化療藥物對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用，而低頻超聲輻照微泡可進(jìn)一步增強(qiáng)該效應(yīng)。Tang等[21]通過建立體內(nèi)乳腺癌模型和體外培養(yǎng)乳腺癌干細(xì)胞探討UTMD介導(dǎo)的SOCS3基因療法對乳腺癌干細(xì)胞生物學(xué)特性和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果顯示UTMD介導(dǎo)的SOCS3基因療法的治療效果更好，進(jìn)一步為UTMD介導(dǎo)的乳腺癌的基因治療提供了依據(jù)。

3.4 UTMD技術(shù)在卵巢癌中的應(yīng)用 通過手術(shù)盡可能切除高危組織是提高卵巢癌治療成功率的有效策略。然而，晚期卵巢癌的手術(shù)治療常會導(dǎo)致嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥，且對患者生存產(chǎn)生負(fù)性影響[22]。因此，有學(xué)者開始探索UTMD在卵巢癌治療中的療效。Xu等[23]合成一種靶向微泡劑，用于UTMD介導(dǎo)的針對人卵巢癌OVCA-433細(xì)胞Livin基因治療的shRNA，結(jié)果顯示超聲介導(dǎo)的靶向微泡可以提高shRNA-Livin在卵巢癌細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染率，證實(shí)UTMD是一種有效的抑制卵巢癌細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的治療策略。

3.5 UTMD技術(shù)在眼部腫瘤中的應(yīng)用 眼科超聲是眼科臨床的標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)之一，在眼部疾病診斷中發(fā)揮重要作用，UTMD在眼部腫瘤中的治療也已得到廣泛探索[24]。超聲微泡主要通過以下機(jī)制對眼部腫瘤進(jìn)行治療：①打開血-視網(wǎng)膜屏障，使載有治療藥物的微泡進(jìn)入腫瘤組織中；②促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對微泡的攝取，并使藥物從微泡中釋放而發(fā)揮抗腫瘤作用。Lee等[25]利用UTMD促進(jìn)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤細(xì)胞Y79對阿霉素的攝取，從而顯著增強(qiáng)了阿霉素對視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤細(xì)胞Y79的殺傷作用。

UTMD除在上述腫瘤治療中得到廣泛研究外，在甲狀腺癌[26]、骨骼肌[27]、心肌缺血-再灌注損傷[28]和血管平滑肌疾病[29]等其他腫瘤和非腫瘤疾病治療中也有研究和探索。

4 總結(jié)與展望

近年來，隨著計(jì)算機(jī)高速成像技術(shù)的應(yīng)用，超聲引導(dǎo)下的微泡和顆粒聲穿孔的診療一體化技術(shù)得到長足發(fā)展，這些技術(shù)為超聲微泡介導(dǎo)的藥物靶向滲透和釋放在腫瘤等疾病治療中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)引導(dǎo)了更多新型多功能試劑的開發(fā)和研發(fā)。循著當(dāng)代醫(yī)療減毒增效的個(gè)體化精準(zhǔn)治療理念與方向，超聲介導(dǎo)的局部藥物靶向遞送得到廣泛探索和深入地臨床前研究，并取得了極具應(yīng)用前景和轉(zhuǎn)化價(jià)值的結(jié)果，尤其在化療、免疫治療、基因治療和聲動力學(xué)等腫瘤綜合治療中具有明顯優(yōu)勢。

因此，針對多年來新基因和藥物治療領(lǐng)域面臨的一系列挑戰(zhàn)和缺陷，尤其是藥物或治療性基因輸送的有效性和安全性問題，超聲微泡及UTMD技術(shù)的深入發(fā)展無疑為此類問題的解決提供了有效方案。