超聲微泡和超聲空化效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探討

史忠陽　于德平

（吉林省通化市中心醫(yī)院，吉林 通化 134000）

超聲微泡和超聲空化效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探討

史忠陽于德平

（吉林省通化市中心醫(yī)院，吉林 通化 134000）

隨著新型超聲技術(shù)和超聲對比劑的研究和在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，超聲對比劑和空化效應(yīng)聯(lián)合運(yùn)用，作為一種新型治療手段，具有安全、高效、操作簡單的優(yōu)勢，在藥物輸送、基因治療以及腫瘤和炎癥的靶向治療中顯示了巨大的應(yīng)用價值。本文參考近幾年文獻(xiàn)，綜述了超聲微泡和超聲空化效應(yīng)的治療機(jī)制及其應(yīng)用。

超聲微泡；空化效應(yīng)；靶向治療

超聲微泡（microbubbles）又稱超聲對比劑（ultrasound contrast agents，UCA），最初是被設(shè)計用于顯像診斷，其原理是根據(jù)聲波對氣體的反射比液體大約1000倍，通過聲速的改變、聲衰減、增強(qiáng)后散射等不同方式改變聲波和組織之間的相互作用，增強(qiáng)超聲回聲而達(dá)到很高的分辨率，提高顯影清晰度，達(dá)到顯像診斷的目的［1］。

1　超聲微泡的分類和發(fā)展

超聲微泡又稱超聲對比劑、升學(xué)增強(qiáng)劑，主要由大分子材料包裹無毒的惰性氣體形成微小氣泡，可經(jīng)靜脈注射。其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。第一階段是自由氣體，無成膜材料，不能靜脈注射，只能通過導(dǎo)管插入心腔內(nèi)或主動脈。這種檢查方式具創(chuàng)傷性。且由于微泡存在時間很短暫、成泡太大、無法經(jīng)過肺循環(huán)，使得左心無法顯影，極大地限制了臨床應(yīng)用。第二階段出現(xiàn)了膜材料，主要是脂類、白蛋白和多糖，氣體是空氣。這個價段的膜材料比較穩(wěn)定，微泡直徑較小，持續(xù)時間延長，可經(jīng)靜脈注射，左右心室都可顯影，實(shí)現(xiàn)了向非創(chuàng)傷性的進(jìn)一步發(fā)展。第三階段使用的氣體主要是氟碳?xì)怏w和氟化氣體，分子大、溶解度低，具有生物惰性。膜材料使用了脂質(zhì)體、磷脂、生物可降解的高分子多聚物及非離子表面活性劑等，穩(wěn)定性和抗壓性提高［2］。

理想的超聲微泡應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：衰減性低，散射性強(qiáng)，體內(nèi)穩(wěn)定性良好，微泡與紅細(xì)胞的分布、大小、流速應(yīng)一致，靜脈注射后能自由通過肺循環(huán)，安全性好，對血流動力學(xué)特性不會造成影響。

2　超聲空化的發(fā)展

超聲空化效應(yīng)指的是液體中的微氣泡在超聲作用下產(chǎn)生收縮、膨脹、震蕩以及內(nèi)爆等一系列動力學(xué)過程，伴有瞬態(tài)高壓、高溫、放電、沖擊波和微射流等多種能量釋放行為。這種效應(yīng)作用在組織界面，使得細(xì)胞壁、質(zhì)膜擊破，細(xì)胞膜通透性增加，產(chǎn)生可逆性或非可逆性小孔，這也就是超聲空化產(chǎn)生的聲孔效應(yīng)。

1849年，英國海軍發(fā)現(xiàn)螺旋槳的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡在水的壓力下收縮內(nèi)爆，造成了螺旋槳的劇烈震動。這是歷史上第一次描述了空化現(xiàn)象的物理本質(zhì)［3］。

3　超聲微泡的治療機(jī)制

超聲微泡現(xiàn)已被用于溶栓治栓、藥物輸送、基因治療、腫瘤治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要利用微泡的增強(qiáng)作用和超聲的空話效應(yīng)。最近，對超聲微泡的研究開始轉(zhuǎn)向?qū)ζ溥M(jìn)行表面修飾，達(dá)到功能基化，在靶向遞藥和靶向治療方面有很大的潛力。

3.1空化效應(yīng)：聲波通過液體時會使聲壓在液體不同部位發(fā)生周期性變化，同時液體中的微泡核會發(fā)生周期性的震蕩［4］。聲強(qiáng)較低時，聲壓直接影響氣泡徑向震蕩，微氣泡在平衡半徑方向震蕩數(shù)次，每一個微氣泡周圍會產(chǎn)生微束流，可以在氣泡表面產(chǎn)生很高的應(yīng)激力，導(dǎo)致氣泡變形及破碎，同時會影響到周圍的細(xì)胞和生物大分子，產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。當(dāng)聲強(qiáng)較大時，氣泡的震蕩變?yōu)橛善渲車橘|(zhì)慣性控制。超聲場負(fù)壓相半周期內(nèi)，空化核急速膨脹，正壓相半周期內(nèi)，空化核急速收縮直至內(nèi)爆，此時稱為慣性空化或瞬間空化。瞬間空化在最后階段可產(chǎn)生局部高壓高溫，同時伴有自由基和強(qiáng)大的沖擊波產(chǎn)生，這些力量可殺死腫瘤細(xì)胞，但對正常細(xì)胞也會有很大的殺傷力。

加入超聲微泡，可以增加空化核，增強(qiáng)空化效應(yīng)。此外，空化效應(yīng)受到很多其他因素的影響，如超聲的頻率、強(qiáng)度，液體的性質(zhì)等［5］。

3.2靶向作用：超聲微泡的靶向作用分為主動靶向和被動靶向。主動靶向是指微泡表面經(jīng)過不用方式的處理，如特異性抗原和特異性受體、配體的表面修飾，或是通過親和素-生物素將微泡與靶標(biāo)結(jié)合，從而可以靶向顯影，達(dá)到靶向診斷、靶向治療的目的。被動靶向是指微泡不經(jīng)表面修飾，利用其本身的電荷及化學(xué)特性滯留于病變組織，實(shí)現(xiàn)一定程度上的靶向作用。

4　超聲微泡和超聲空化效應(yīng)的應(yīng)用范圍

4.1炎癥靶向診斷和治療：當(dāng)組織發(fā)生炎癥時，血管內(nèi)皮細(xì)胞會產(chǎn)生特定的標(biāo)志物，如E-選擇素、P-選擇素等，它們可增加內(nèi)皮細(xì)胞核白細(xì)胞之間的黏附作用，促使白細(xì)胞聚集，然后穿過血管內(nèi)皮細(xì)胞，趨化聚集在炎癥處。于是利用這些黏附分子的配體或抗體，可使微泡靶向到達(dá)炎癥病灶，從而實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)皮炎癥的靶向顯影及藥物靶向遞送。Villanueva等［6］將ICAM-1抗體與全氟丁烷微泡共價結(jié)合，可靶向到達(dá)產(chǎn)生黏附分子的活化內(nèi)皮細(xì)胞。

4.2溶栓治療：目前常用的針對血栓的治療方法有血管內(nèi)超聲消融、體表超聲助融、靜脈注射溶栓劑等。血管內(nèi)超聲操作復(fù)雜、無法治療細(xì)小的血栓、易發(fā)生血管壁破損，屬于有創(chuàng)性治療，存在諸多缺點(diǎn)。靜脈注射溶栓劑也會引起出血等各種并發(fā)癥，應(yīng)用收到很大局限。有研究證實(shí)［7］，微泡可與溶栓藥物結(jié)合，然后經(jīng)過表面修飾特定抗原，即可達(dá)到靶向治療效果。同時結(jié)合體表超聲作用，空話效應(yīng)使微泡破裂，可加快血栓的軟化和溶解。該方法安全、無創(chuàng)傷，療效更快、更好，切能夠減少藥量。Nishioka等［8］研究顯示，DDFP超聲微泡可增強(qiáng)超聲空話效應(yīng)，有很好的溶栓效果，切不會損傷周圍組織細(xì)胞。有研究表明，微泡可以通過肺循環(huán)，迅速到達(dá)血栓部位，增強(qiáng)血栓部位與周圍組織的對比，而且不會改變血流動力學(xué)。

超聲微泡溶栓作用主要是利用空化效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械損傷，同時增強(qiáng)溶栓藥物的靶向作用，達(dá)到快速溶栓的目的。此外，靶向顯影可以增加診斷的靈敏度，改善影像質(zhì)量。

4.3基因治療：基因治療帶給人來治療遺傳病、心血管疾病、腫瘤等重大疾病的希望。但是基因載體的缺乏以及基因轉(zhuǎn)移方法的難題限制看基因治療的發(fā)展和應(yīng)用。近年來有研究顯示，超聲微泡介導(dǎo)基因傳送，能夠明顯提高外源基因的轉(zhuǎn)染率和表達(dá)率，是一種很有潛力的治療手段。有報道指出［9］，超聲可使質(zhì)粒脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染率增加3倍，使DNA對血光內(nèi)皮轉(zhuǎn)染綠增加10倍。如果超聲微泡與空話效應(yīng)結(jié)合使用，可使質(zhì)粒轉(zhuǎn)染率增加300倍。如果用脂質(zhì)體微泡與空化效應(yīng)結(jié)合使用，質(zhì)?；虻霓D(zhuǎn)染率則會增加3000倍。目前，超聲微泡及空化效應(yīng)增加基因轉(zhuǎn)染率的具體機(jī)制尚不明確。有學(xué)者認(rèn)為，超聲空化效應(yīng)增加局部細(xì)胞膜的通透性，甚至?xí)纬煽赡嫘孕】?，是增加轉(zhuǎn)染率的一個原因［10］。另外，微泡破碎會產(chǎn)生一定的沖擊力，加速基因的轉(zhuǎn)染。還有學(xué)者認(rèn)為超聲可增加與細(xì)胞損傷修復(fù)的基因的表達(dá)，從而上調(diào)了外源基因的表達(dá)水平［11］。

4.4藥物遞送：利用超聲微泡的靶向作用，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送，提高病灶部位藥物濃度，提高藥效，減少全身藥量，降低對全身器官的不良反應(yīng)。在各種微泡中，脂類微泡本身具有被動靶向性，且安全性、穩(wěn)定性高，在藥物靶向遞送方面研究較多。目前，超聲微泡作為一種新型藥物遞送系統(tǒng)尚處于基礎(chǔ)研究階段，很多問題需要更深入地研究。安全性問題是個首要要解決的問題，超聲微泡對健康細(xì)胞的破壞作用一直是有關(guān)研究的難點(diǎn)。另有報道［12］指出，超聲微泡可能產(chǎn)生心腔內(nèi)溶血的不良反應(yīng)。

5　展 望

總之，超聲微泡和空化效應(yīng)作為一種高效、簡單、無創(chuàng)傷、有靶向作用的新型治療手段已收到越來越多的關(guān)注和研究，很多為題亟待研究和解決。相信隨著分子生物學(xué)、超聲生物物理學(xué)以及超聲工程學(xué)的不斷進(jìn)步，超聲微泡和空化作用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會有長足的進(jìn)步。

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