超聲靶向微泡破壞實(shí)現(xiàn)腫瘤遞藥研究進(jìn)展

鄒孝猛，毛盈譞，張 羽，董天秀，楊秀華

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腹部超聲科，黑龍江 哈爾濱 150001)

超聲微泡(microbubble， MB)為臨床常用造影劑。經(jīng)過修飾,載藥MB能在腫瘤分子成像和靶向治療方面發(fā)揮重要作用，例如在MB表面修飾特異性配體，使其靶向結(jié)合腫瘤組織相關(guān)受體而進(jìn)行靶向成像；在藥物治療腫瘤領(lǐng)域，聯(lián)合應(yīng)用低強(qiáng)度聚焦超聲(low intensity focused ultrasound， LIFU)與載藥MB可使腫瘤血管內(nèi)皮間隙開放，即觸發(fā)超聲靶向微泡破壞(ultrasound targeted microbubble destruction， UTMD)，使載藥MB憑借高滲透長(zhǎng)滯留(enhanced permeability and retention， EPR)效應(yīng)更易于穿過血管而進(jìn)入腫瘤組織，以延長(zhǎng)其在體循環(huán)時(shí)間，進(jìn)而大幅提升治療效率、降低化學(xué)治療(簡(jiǎn)稱化療)藥物全身毒性。本文就UTMD作用機(jī)制及其用于腫瘤遞藥相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 UTMD作用機(jī)制

臨床常用MB為以殼層包裹惰性氣核而形成的充氣囊泡，直徑約0.5～10.0 μm，具有良好的生物安全性及生物相容性[1]；其殼層多由蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、表面活性劑或生物相容性聚合物組成，可保證MB具有良好的穩(wěn)定性；內(nèi)部高密度惰性氣核受超聲波輻照發(fā)生振蕩時(shí)可產(chǎn)生諧波信號(hào)，由此可實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀察組織內(nèi)血流灌注過程，明確腫瘤位置、邊界并判斷其性質(zhì)[2]。外部LIFU輻照腫瘤血管內(nèi)載藥MB時(shí)，MB可顯影并膨脹、爆破，在增強(qiáng)造影效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)靶向釋放藥物。因此，UTMD可作為高效的非侵入性靶向遞藥手段，其所用LIFU輻照強(qiáng)度范圍通常為0.5～3.0 W/cm2，此區(qū)間內(nèi)超聲波安全、有效；同時(shí)，隨施加頻率與聲壓大小不同，LIFU作用于載藥MB所產(chǎn)生的效應(yīng)亦有所不同，其中機(jī)械效應(yīng)最為重要，主要包括聲輻射力和空化效應(yīng)[3]。聲輻射力指超聲波產(chǎn)生的與探頭同方向的物理推力，可將載藥MB推向血管壁，以增加其在腫瘤區(qū)的聚集程度；空化效應(yīng)則主要分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化，前者指較低的LIFU聲壓可使引入的外源性載藥MB在穩(wěn)定粒徑范圍內(nèi)反復(fù)振蕩，膨脹后顯著提升造影效果；提升LIFU輻照功率則可使載藥MB急速膨脹、破裂并釋放藥物，即瞬態(tài)空化，所形成的聲孔效應(yīng)能使藥物更易進(jìn)入腫瘤細(xì)胞[4-5]。UTMD產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)不僅能增強(qiáng)腫瘤微血管的通透性，還有助于藥物更順利地通過腫瘤周邊致密的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix， ECM)。

2 UTMD用于遞藥治療腫瘤

UTMD技術(shù)用于治療顱內(nèi)腫瘤、肝癌、胰腺癌及乳腺癌等的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單純化療，有望在于載藥治療腫瘤領(lǐng)域并獲得廣泛應(yīng)用，幫助實(shí)現(xiàn)腫瘤超聲成像與藥物靶向治療一體化[6-7]。現(xiàn)有可利用LIFU激發(fā)而實(shí)現(xiàn)UTMD效應(yīng)的載藥MB主要分為載藥氣核類、載藥相變類及載藥MB-脂質(zhì)體復(fù)合物(microbubble-liposome complex， MLC)，均在遞藥治療腫瘤方面具有重要作用。

2.1 載藥氣核MB 氣核MB多以脂質(zhì)或聚合物作為外殼并搭載藥物，內(nèi)核包裹全氟丙烷或六氟化硫等惰性氣體；臨床常聯(lián)合應(yīng)用5-氟尿嘧啶、奧沙利鉑和伊立替康進(jìn)行化療，常致嚴(yán)重不良反應(yīng)。為提高治療腫瘤效果，GAO等[8]開發(fā)出一種包載上述3種化療藥物并耦聯(lián)亞葉酸的載藥氣核MB，與LIFU聯(lián)合應(yīng)用可顯著抑制小鼠胰腺癌和結(jié)直腸癌生長(zhǎng)；相比標(biāo)準(zhǔn)化療組，聯(lián)合UTMD治療組小鼠生存期延長(zhǎng)、胰腺腫瘤縮小189%、結(jié)直腸腫瘤縮小82%，同時(shí)用藥量減少、相關(guān)不良反應(yīng)減少，藥物耐受性提升。由于存在血腦屏障(blood brain barrier， BBB)，化療藥物很難進(jìn)入顱內(nèi)治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤[9]。膠質(zhì)瘤占成人原發(fā)性惡性腦腫瘤的70%，且惡性程度高。為使抗癌藥物藤黃酸(gambogic acid， GA)順利通過BBB，WANG等[10]制備裝載GA的GA/聚乳酸羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)， PLGA]MB用于體外BBB模型，發(fā)現(xiàn)LIFU與GA/PLGA MB結(jié)合可觸發(fā)UTMD，在殺滅U251人膠質(zhì)瘤細(xì)胞的同時(shí)瞬間增強(qiáng)BBB的通透性，使化療藥物進(jìn)入顱內(nèi)并抑制腫瘤生長(zhǎng)。但載藥氣核MB內(nèi)核為氣體，核內(nèi)無法載藥，僅能將藥物搭載于MB外殼，故其載藥量較低。另外，載藥氣核MB的徑線大多為微米級(jí)，而腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞間隙僅380～780 nm，使其難以穿過腫瘤血管而進(jìn)入腫瘤組織發(fā)揮作用[11]。為解決這一問題，越來越多的納米級(jí)載藥氣核納米泡(nanobubble， NB)應(yīng)運(yùn)而生，但受徑線限制，內(nèi)核氣體量和表面藥物載藥量均較低，診斷及治療效果遠(yuǎn)不及載藥氣核MB。

2.2 載藥相變NB 目前已研制了多種包裹相變材料的載藥NB并用于遞藥治療腫瘤[12]。與載藥氣核MB或NB不同，相變型載藥NB通常由包裹相變的液態(tài)氟碳內(nèi)核組成，液態(tài)氟碳材料主要包括全氟戊烷(perfluoropentane， PFP)、全氟己烷及全氟辛溴烷，目前以PFP應(yīng)用較多。載藥NB相變前粒徑較小，通過實(shí)體瘤的EPR效應(yīng)穿過腫瘤血管積聚于腫瘤內(nèi)，以外部超聲波激發(fā)可致相變材料聲滴汽化而由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，實(shí)現(xiàn)NB向MB的轉(zhuǎn)換[13-14]；相變NB內(nèi)核和外殼均能包載藥物，可進(jìn)一步增強(qiáng)超聲造影效果[15-16]；相變后以 LIFU進(jìn)一步發(fā)揮UTMD作用，可在特定靶點(diǎn)釋放藥物。

肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)是常見惡性腫瘤。ZHAO等[17]成功制備了包裹PFP和抗癌藥物喜樹堿的HCC靶向NB，NB可主動(dòng)蓄積于HCC細(xì)胞內(nèi)，而以LIFU觸發(fā)UTMD產(chǎn)生液氣相變使其靶向爆破，可增強(qiáng)腫瘤部位超聲成像信號(hào)及治療效果。視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(retinoblastoma， RB)常因誤診而錯(cuò)過最佳治療期甚至發(fā)生轉(zhuǎn)移。WANG等[18]制備以磁性中空介孔金納米籠與Fe3O4納米粒子耦聯(lián)作為外殼、其內(nèi)包裹免疫調(diào)節(jié)劑胞壁酰二肽(muramyl dipeptide， MDP)和PFP的NB，通過磁力吸引使其聚集于RB瘤周；體內(nèi)及體外研究結(jié)果顯示，LIFU輻照下相變NB可明顯增強(qiáng)治療效果，直接導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡、壞死，MDP的釋放則促進(jìn)了樹突狀細(xì)胞(dendritic cell， DC)成熟和活化，激活DC識(shí)別、清除腫瘤細(xì)胞的能力。上述研究結(jié)果提示，多模態(tài)成像引導(dǎo)下的超聲、免疫協(xié)同治療RB具有巨大應(yīng)用潛力，可對(duì)診斷RB和評(píng)估療效發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.3 載藥MLC 無論是載藥MB還是包裹相變材料的NB均需要通過犧牲載藥量來實(shí)現(xiàn)超聲監(jiān)測(cè)下遞送藥物。聯(lián)合應(yīng)用MB與脂質(zhì)體可整合二者優(yōu)勢(shì)，但因其粒徑相差懸殊，經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)腫瘤時(shí)間也不一致，難以實(shí)現(xiàn)爆破MB瞬間遞送納米載體的目的；若將二者分開注射，則難以把握代謝時(shí)間差，爆破效果存在極大不確定性。MLC通常將MB與脂質(zhì)體以親和素-生物素或共價(jià)硫醇-馬來酰亞胺鍵等方式耦聯(lián)，使之在具有良好體內(nèi)成像效果的同時(shí)擁有滿意載藥量及靶向可視功能化等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)診療疾病一體化。

免疫原性細(xì)胞死亡(immunogenic cell death， ICD)指通過刺激免疫系統(tǒng)而達(dá)到對(duì)抗癌細(xì)胞的目的。HUANG等[19]利用生物素-親和素將MB與載阿霉素脂質(zhì)體相連接，以LIFU靶向爆破MB而產(chǎn)生物理推力，進(jìn)一步推動(dòng)脂質(zhì)體進(jìn)入細(xì)胞核，使小鼠腫瘤組織中活化的CD8+T淋巴細(xì)胞比例增高、而Treg細(xì)胞比例降低，由此可顯著增強(qiáng)ICD，即可增強(qiáng)治療腫瘤效果。DWIVEDI等[20]制備負(fù)載阿霉素的磁力MLC，利用共價(jià)硫醇-馬來酰亞胺鍵將二者相連，通過UTMD與磁吸引共同作用，體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由此可使阿霉素在靶組織中大量積累，胰腺癌體積明顯縮小。GAO等[21]利用生物素-親和素將載伊立替康和奧沙利鉑的MB與氧化鉑脂質(zhì)體相連，用于胰腺癌三維球體模型和小鼠模型，經(jīng)UTMD后，聯(lián)合治療組腫瘤體積小于相同濃度單藥治療組136%。

結(jié)合MB使超聲可實(shí)時(shí)檢測(cè)載藥脂質(zhì)體到達(dá)并蓄積于腫瘤血管周圍的過程，為UTMD尋找最佳時(shí)機(jī)；且用于超聲造影的LIFU的功率應(yīng)僅能引起MB振動(dòng)而不破壞其結(jié)構(gòu)。復(fù)合物大量流經(jīng)腫瘤可提升LIFU功率而觸發(fā)UTMD，使細(xì)胞膜開放，有助于脂質(zhì)體進(jìn)入腫瘤間質(zhì)，進(jìn)一步提高治療效果。

3 小結(jié)與展望

LIFU與載藥MB為超聲在醫(yī)學(xué)、特別是藥物輸送和治療腫瘤方面的應(yīng)用開拓了更廣闊的前景。盡管相關(guān)臨床前研究已取得諸多成果，但仍存在一些問題亟待解決。LIFU觸發(fā)載藥MB遞藥的物理學(xué)及病理生理學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)有相關(guān)認(rèn)知有限，有待更加準(zhǔn)確地探討其治療原理；且既往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)主要局限于小鼠，有待針對(duì)大鼠等體型較大動(dòng)物進(jìn)一步深入研究。實(shí)際應(yīng)用中通常需要采用不同的超聲強(qiáng)度，選擇超聲參數(shù)仍未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)規(guī)范化尚待達(dá)成共識(shí)。此外，不同藥物與MB的結(jié)合方式不同，效果也將不同，存在較高不確定性；需進(jìn)一步優(yōu)化MB組成和結(jié)構(gòu)，以多功能載藥MB實(shí)現(xiàn)更多功能。隨著上述問題逐漸獲得解決，UTMD在遞送藥物治療腫瘤及其他領(lǐng)域的應(yīng)用將趨向成熟。