聚焦超聲在腦部疾病的應(yīng)用進(jìn)展

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(昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 云南省腫瘤醫(yī)院放射科，云南 昆明 650106)

腦部疾病起源復(fù)雜多樣，臨床治療困難，原因之一在于血腦屏障(blood brain barrier, BBB)可阻礙多數(shù)治療藥物進(jìn)入腦組織。BBB主要由腦部毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、基底膜、星形膠質(zhì)細(xì)胞的血管周足等構(gòu)成。正常情況下BBB僅允許分子量<400Da、高脂溶性、無(wú)毒性、帶正電的物質(zhì)通過(guò)，而對(duì)多數(shù)有毒的大分子物質(zhì)加以阻擋，以維持神經(jīng)細(xì)胞賴以生存的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。但治療腦部疾病的藥物多為低脂溶性、帶負(fù)電的大分子物質(zhì)，跨越BBB較困難。借助靜脈內(nèi)注射超聲微泡造影劑，聚焦超聲(focused ultrasound, FUS)可在較低頻率下實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、瞬時(shí)、可重復(fù)性地開(kāi)放BBB，同時(shí)還能避免高頻超聲對(duì)周圍組織造成的損傷[1]。本文就FUS應(yīng)用于腦部疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 FUS開(kāi)放BBB的原理

1.1 開(kāi)放機(jī)制及條件 FUS聯(lián)合超聲造影微泡開(kāi)放BBB的機(jī)制包括空化效應(yīng)及慣性空化等[2-3]?？栈?yīng)主要指通過(guò)微泡氣化后與血管壁發(fā)生共振，破壞細(xì)胞間的緊密連接。慣性空化是指FUS波束使微泡半徑擴(kuò)大而引起微泡破裂，破裂產(chǎn)生劇烈的沖擊波和高速射流，進(jìn)一步加劇損傷部位的破裂程度。空化過(guò)程可暫時(shí)破壞細(xì)胞膜的通透性或引發(fā)細(xì)胞壞死，最終導(dǎo)致BBB開(kāi)放。此外，部分研究者[3-5]提出FUS開(kāi)放BBB的機(jī)制還包括誘導(dǎo)胞吞作用增強(qiáng)及聲孔效應(yīng)等。

輔助低頻FUS實(shí)現(xiàn)BBB無(wú)創(chuàng)開(kāi)放的超聲造影劑通常被脂質(zhì)或白蛋白包裹，形成直徑為1～5 μm的氣體微泡；微泡大小不同，BBB開(kāi)放的持續(xù)時(shí)間也不同，最長(zhǎng)可達(dá)4～6 h。蔣文軍等[6-7]報(bào)道，在低頻FUS聯(lián)合超聲微泡開(kāi)放小鼠BBB的實(shí)驗(yàn)研究中，瞬時(shí)、局部、可逆開(kāi)放BBB的超聲參數(shù)為頻率1 MHz、脈沖長(zhǎng)度10 ms、重復(fù)頻率1 Hz，微泡劑量為0.5 ml(平均半徑2.5 μm、濃度1×109/ml)。

1.2 FUS開(kāi)放BBB時(shí)大腦微環(huán)境的變化 Sheikov等[8]將超聲微泡注入實(shí)驗(yàn)兔，并采用低能量(0.55 W)FUS輻照兔腦，MRI顯示腦內(nèi)局部血流灌注及組織強(qiáng)化程度增加；電子顯微鏡下可見(jiàn)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞中囊泡和空泡數(shù)目增多，內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)形成通道，細(xì)胞間部分緊密連接被破壞；電鏡下觀察到IgG免疫熒光信號(hào)在囊泡、細(xì)胞質(zhì)通道、血管周圍的神經(jīng)纖維中出現(xiàn)較多，而在細(xì)胞間隙內(nèi)出現(xiàn)較少，證實(shí)FUS和微泡聯(lián)合作用未對(duì)兔腦血管內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接造成結(jié)構(gòu)性損傷。但采用高能量(3.00 W)的FUS輻照后，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞破壞及內(nèi)皮細(xì)胞周圍出現(xiàn)IgG滲漏[8]。

2 FUS的神經(jīng)調(diào)控作用

FUS除可開(kāi)放BBB、引起大腦局部微環(huán)境變化外，還能誘導(dǎo)神經(jīng)調(diào)控作用。如在低能量FUS刺激大鼠腦神經(jīng)的實(shí)驗(yàn)中，將頻率為350 kHz和650 kHz的FUS脈沖波分別施加到位于顱底的外展神經(jīng)，當(dāng)頻率為350 kHz時(shí)可觀察到該外展神經(jīng)同側(cè)眼球運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)組織學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BBB并無(wú)破壞，周圍結(jié)構(gòu)和鄰近腦組織也未受到損傷。Kim等[9]認(rèn)為FUS通過(guò)誘導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力引發(fā)神經(jīng)調(diào)節(jié)。大量實(shí)驗(yàn)[1,9-11]表明，F(xiàn)US在治療腦部疾病過(guò)程中對(duì)靶點(diǎn)周圍組織并無(wú)損傷，可作為一種新型的功能性神經(jīng)調(diào)節(jié)方法；其作為具有神經(jīng)調(diào)控功能的非藥物、非手術(shù)方法已被應(yīng)用于腦部疾病，尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的評(píng)估和治療[10-11]。Chu等[11]在對(duì)癲癇的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)FUS可通過(guò)降低大鼠腦脊液中γ-氨基丁酸水平而抑制癲癇活動(dòng)，并提高誘發(fā)運(yùn)動(dòng)行為和觸覺(jué)活動(dòng)能力。

3 FUS治療腦部疾病

美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)已批準(zhǔn)FUS用于治療多種非神經(jīng)外科疾病，如子宮肌瘤、子宮腺肌病及骨轉(zhuǎn)移瘤等，但目前尚無(wú)可用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病、與臨床結(jié)合較好的FUS設(shè)備獲得FDA批準(zhǔn)。在歐洲，F(xiàn)US已被許可用于治療特發(fā)性震顫(essential tremor, ET)及以震顫為主要癥狀的帕金森病和神經(jīng)性疼痛，但其治療腦腫瘤、損傷性癲癇和其他疾病等尚未得到批準(zhǔn)[2]。

3.1 ET 1999年經(jīng)FAD批準(zhǔn)的丘腦腹側(cè)中核深部腦刺激療法是目前治療ET的標(biāo)準(zhǔn)方法，療效好，安全性高，但對(duì)植入腦內(nèi)的硬件質(zhì)量要求高、需長(zhǎng)期編程和更換電池，且為有創(chuàng)療法，相關(guān)操作可能引起顱內(nèi)出血、感染等并發(fā)癥，適用人群有限。FDA于2016年7月批準(zhǔn)使用FUS消融治療ET。Fishman等[12]給予ET患者FUS消融治療，結(jié)果顯示患者的震顫程度以及震顫引起的致殘率均降低，故認(rèn)為FUS治療ET最大的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)創(chuàng)性，尤其對(duì)于不適合進(jìn)行傳統(tǒng)手術(shù)的患者，經(jīng)顱FUS可以取得較好的治療效果。盡管FUS治療ET、帕金森病和肌張力障礙效果明顯，但其安全性和有效性仍需臨床驗(yàn)證。MR引導(dǎo)下FUS(MR-guided focused ultrasound, MRgFUS)可將超聲作用的范圍精確在腦內(nèi)不同深度、特定的數(shù)毫米區(qū)域內(nèi)，使FUS技術(shù)的安全性得到顯著提高。

3.2 腦腫瘤

3.2.1 消融治療 目前臨床已嘗試使用高頻FUS消融治療乳腺、肝臟和前列腺等部位的惡性腫瘤[3,13-14]，其作用機(jī)制是超聲波束在靶區(qū)聚焦后由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使靶組織發(fā)生蛋白質(zhì)變性、凝固性壞死并最終完全消融。FUS的治療靶區(qū)通常較小，一般為病灶及其周圍2 mm范圍內(nèi)，對(duì)較大區(qū)域可采用多個(gè)平行的超聲靶點(diǎn)進(jìn)行消融。

在對(duì)大鼠顱底結(jié)構(gòu)的消融研究[15]中，靜脈注射微泡后使用頻率為525 kHz的FUS對(duì)顱底靶區(qū)進(jìn)行 5 min低強(qiáng)度超聲消融，通過(guò)分析組織學(xué)變化和測(cè)量視覺(jué)誘發(fā)電位(visual evoked potential, VEP)發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)靶區(qū)產(chǎn)生了明確的消融后改變，而視交叉及其周圍結(jié)構(gòu)損傷較小甚至無(wú)損傷；4周后復(fù)查結(jié)果顯示VEP未發(fā)生顯著變化，且視神經(jīng)、視網(wǎng)膜亦未出現(xiàn)延遲性組織學(xué)改變。

3.2.2 基因及免疫治療 目前對(duì)腦腫瘤采用基因治療中所獲得的轉(zhuǎn)基因表達(dá)較差，主要原因在于BBB的屏障作用及傳統(tǒng)顱內(nèi)注射導(dǎo)致的神經(jīng)損傷。Chang等[16]嘗試使用超聲介導(dǎo)基因治療腦腫瘤，血管生成靶向微泡聯(lián)合超聲介導(dǎo)基因治療腦腫瘤的體外實(shí)驗(yàn)顯示，微泡對(duì)腫瘤細(xì)胞有較高的DNA傳遞效率和親和力；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)提示微泡可促進(jìn)癌細(xì)胞基因傳遞而不影響周圍正常腦組織。FUS聯(lián)合微泡可顯著提高基因傳遞速率，有效抑制腫瘤生長(zhǎng)，延長(zhǎng)患者生存時(shí)間，為治療腦腫瘤提供了新方法。

近年來(lái)免疫療法發(fā)展迅速，已逐漸成為治療腫瘤的主要方法之一[17-18]。多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(glioblastoma, GBM)患者具有抗腫瘤免疫應(yīng)答缺陷，免疫系統(tǒng)的局部細(xì)胞免疫和全身性體液免疫循環(huán)通路均受阻。由于BBB的屏障作用，以及GBM患者免疫原性差、特征性癌胚抗原少等原因，目前GBM的免疫治療還處于探索階段，高頻FUS可促進(jìn)和擴(kuò)大免疫抗腫瘤反應(yīng)，可能為GBM免疫治療提供新的免疫循環(huán)通路，延長(zhǎng)患者生存期。

4 MRI對(duì)FUS治療過(guò)程的監(jiān)測(cè)和評(píng)估

FUS治療可引起靶點(diǎn)位置組織溫度升高。MRI對(duì)溫度變化敏感，可連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)FUS治療過(guò)程中靶點(diǎn)組織溫度的變化，精確測(cè)量病灶大小并定位，分辨率高，成像清晰。MRgFUS技術(shù)將熱消融與MRI相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的精確定位，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和實(shí)時(shí)反饋能量沉積，實(shí)現(xiàn)靶向、局部、微創(chuàng)和實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)區(qū)域給藥[19-20]。但MRgFUS治療腦部疾病可能引起一系列并發(fā)癥，如紅細(xì)胞外滲、炎癥、出血和局部組織缺血損傷等[20-21]。

MRI可通過(guò)T2加權(quán)序列識(shí)別由FUS引起的顱內(nèi)出血，但其時(shí)間分辨率較低。Yang等[22]提出采用高頻破壞/再灌注對(duì)比增強(qiáng)顯像技術(shù)監(jiān)測(cè)FUS治療過(guò)程，具有更高的時(shí)間和空間分辨率，并可實(shí)時(shí)觀察FUS治療過(guò)程中大腦灌注或損傷出血情況。由于血流速度降低的位置與BBB破裂的面積一致，而血流量變化取決于所施加的聲壓大小，因此監(jiān)測(cè)血流速度的變化可能用于評(píng)估FUS誘導(dǎo)BBB開(kāi)放程度和腦出血情況。由于FUS瞬時(shí)開(kāi)放的靶點(diǎn)BBB范圍較小，MR常規(guī)序列平掃很難觀察到FUS對(duì)BBB開(kāi)放的影響。Downs等[23]報(bào)道，F(xiàn)US處理后首先獲取一組軸向MR T1WI作為基像，隨后經(jīng)靜脈注射釓離子對(duì)比劑行增強(qiáng)掃描，可觀察到FUS作用靶點(diǎn)位置有異常強(qiáng)化，由此可評(píng)估BBB開(kāi)放情況，但目前研究[23-24]對(duì)MR動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描方案以及數(shù)據(jù)分析方法等不盡相同，且相關(guān)報(bào)道較少，有待進(jìn)一步觀察。

5 問(wèn)題與展望

雖然FUS被認(rèn)為是一種無(wú)創(chuàng)性方法，但用于治療腦部疾病時(shí)，亦可能對(duì)周圍組織造成一定程度的損傷，如FUS可能導(dǎo)致治療區(qū)域內(nèi)血管收縮，使腦血管血流速度減慢甚至停止，以及靶區(qū)周圍組織熱損傷、出血及炎癥反應(yīng)等。此外，目前對(duì)FUS治療腦部疾病的療效尚無(wú)相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種監(jiān)測(cè)方法亦無(wú)相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)應(yīng)建立既能提高FUS治療腦部疾病安全性、又可對(duì)后續(xù)并發(fā)癥的診斷和治療加以指導(dǎo)的規(guī)范，進(jìn)一步發(fā)揮FUS在腦部疾病治療中的優(yōu)勢(shì)。