超聲微泡在缺血性疾病治療中的應用研究進展

1、超聲微泡在缺血性疾病治療中的應用研究進展 11-03-25 14:25:00 編輯：studa20 作者：施曉宇范國峰童嘉毅【關鍵詞】 超聲波微泡造影劑溶栓血管新生干細胞隨著超聲影像新技術的不斷發(fā)展和超聲造影劑制備技術的不斷改進，超聲微泡在疾病診斷和治療中的作用日趨重要。近年來國外開始了靶向超聲微泡治療疾病的相關研究，將超聲微泡作為一種載體，利用超聲波與微泡造影劑的相互作用及所產(chǎn)生的生物學效應，實現(xiàn)所攜帶藥物及基因等向靶組織的轉移釋放，起到靶向治療的作用。現(xiàn)僅就超聲介導微泡在缺血性疾病治療中的相關應用研究作一綜述。 1 超聲微泡及其效應 1.1 超聲微泡 微泡由核心及外殼兩個部分組成，核心由二

2、氧化碳、氧氣、空氣或大分子惰性氣體(多為氟烷氣體)等構成，外殼(即包膜)可由磷脂類化合物、白蛋白、糖類、非離子表面活性劑或可生物降解的高分子多聚物等不同材料組成。不同類型外殼的微泡造影劑具有不同的特性和應用價值，多數(shù)研究選用含有全氟顯氣體的白蛋白或脂質(zhì)外殼的微泡。新近研究的納米級微泡，如液態(tài)氟碳微泡，直徑小于100 nm，能夠穿過血管內(nèi)皮細胞間隙，在體內(nèi)循環(huán)半衰期長，可用作超聲、CT、MRI造影劑，連接放射性物質(zhì)還可作為核醫(yī)學造影劑。 1.2 超聲介導微泡的機械及生物學效應超聲在聲波傳播方向產(chǎn)生原發(fā)性輻射力，使微泡向血管壁移位，流動速度下降；同時微泡之間產(chǎn)生繼發(fā)性輻射力，使微泡間黏附增加。在超

3、聲輻射力的作用下，微泡在局部血管的黏附力可增加20倍以上1?？栈敢后w中存在的微小氣泡(空化核)在聲波作用下產(chǎn)生的振蕩、擴大、收縮至內(nèi)爆等一系列動力學過程。血液中存在微泡造影劑時，微泡相當于血液中的空化核，當聲壓大于100 kPa時，就會產(chǎn)生空化效應。聲強度較小時，微泡圍繞平衡半徑振蕩，稱為穩(wěn)態(tài)空化。在每一個振蕩微泡周圍的不均一環(huán)狀區(qū)域將會產(chǎn)生直徑較小的穩(wěn)定、均勻的血流束，稱為微束，其速度及切變率與微泡振動幅度成正比。當聲強度繼續(xù)增加時，微泡在超聲作用下劇烈振蕩，先膨脹后迅速萎陷。氣泡內(nèi)爆的瞬間，泡內(nèi)聚集的能量(理論上可達聲波能量的1011倍)迅即釋放出來，在空化發(fā)生的微小空間內(nèi)形成高溫(

4、5 000 K以上)、高壓（107 Pa以上），稱為瞬間空化。瞬間空化所產(chǎn)生的高溫可以引起光輻射，導致分子內(nèi)部鍵裂解而形成自由基。如果瞬間空化發(fā)生在固體表面附件，微泡呈不對稱塌陷，產(chǎn)生沖擊波和碰射流，可損傷固體表面2。1997年Bao等3首次發(fā)現(xiàn)含微泡的中華田鼠卵巢細胞懸浮液經(jīng)超聲輻照后，細胞膜對胞內(nèi)外大分子通透性暫時開放，隨后閉合，稱此為聲孔效應。2000年Ward等4研究淋巴細胞懸浮液發(fā)現(xiàn)，當輻照時間一定、微泡濃度增高或者微泡濃度不變、超聲輻照劑量增加時，出現(xiàn)兩種聲孔效應，即可修復性聲孔效應和致死性聲孔效應。目前認為低于瞬間空化閾值時，聲孔效應是微束所產(chǎn)生的剪切力作用；當高于瞬間空化閾值時

5、，聲孔效應則由不均一的微泡萎陷時產(chǎn)生瞬間空化所引起。 2 超聲微泡在缺血性疾病治療中的應用2.1 溶栓治療 血栓形成和栓塞是缺血性疾病，如急性心肌梗死、腦卒中的關鍵因素，及時、有效的溶栓治療常能挽救患者生命。目前溶栓治療中，靜脈藥物溶栓的藥物劑量大，出血等并發(fā)癥多；經(jīng)介入選擇性動脈藥物溶栓的藥物劑量雖減少，但治療條件要求高，費時多，花費昂貴，尚不能充分開展。而國內(nèi)外已有研究證實，一定條件下，超聲聯(lián)合微泡可以溶解血栓，并且不會引起出血等并發(fā)癥。1995年Thomas等5首次報道了真正有實際意義的超聲聯(lián)合微泡促進溶栓的實驗。此后一系列的研究結果6表明，超聲介導微泡可獲得優(yōu)于單純超聲輻照的溶栓效果，

6、而且在體內(nèi)外實驗中，以微泡加超聲加溶栓藥聯(lián)合應用可獲得更好的溶栓效果。 此外，在微泡表面結合能識別纖維素或血凝塊成分的配體，將溶栓藥置于微泡膜的內(nèi)層和外層之間，攜帶溶栓藥物到達靶位點的靶向溶栓治療也正在研制中。Unger等7報道MRX 408脂質(zhì)微泡可結合特異性寡肽，與活化血小板的GP b/a受體具有強的親和力，顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，微泡可特異性地結合到血凝塊上，不僅被血栓周邊或表面攝取，而且吸收到血栓塊的深部。近期已成功構建含活性氣體NO的超聲微泡，體外實驗進一步證實超聲破壞微泡釋放NO能夠進一步增強溶栓作用8。 目前認為，超聲微泡溶栓、助溶作用主要是空化效應。空化效應增寬血栓中纖維蛋白鏈的間距

7、，增強血栓的“多孔性”，使藥物和微泡更易于向血栓內(nèi)滲透。即使在沒有外源性溶栓藥物的情況下，內(nèi)生性纖維蛋白溶酶激活劑向血栓內(nèi)的滲入也會被增強。 2.2 攜帶基因治療 隨著對疾病分子機制的認識和人類基因組研究的進展，基因治療成為一種新的有前景的治療方法。但目前基因治療還存在一些問題，如缺乏安全、有效、有組織特異性和靶向性的基因轉載系統(tǒng),缺乏穩(wěn)定的表達和轉錄后的宿主反應等。目前基因導入的方式多為將目的基因直接注射于靶組織，如心血管疾病多采用心肌內(nèi)直接注射方法，或向心導管注入質(zhì)粒DNA或腺病毒載體，但其有創(chuàng)性和轉染效率低等缺點限制了其臨床應用。 超聲微泡造影劑為基因治療提供了一種安全、高效的新型載體，

8、研究涉及心臟、血管、肝臟、腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)、腫瘤等眾多領域，特別是缺血性疾病如心肌梗死、外周動脈疾病的基因治療。豬冠狀動脈再狹窄模型中，應用微泡靶向遞送反義硫代磷酸化寡核苷酸轉染冠狀動脈，可以抑制血管內(nèi)膜增生9；同樣，應用Optison微泡靶向轉染E2F基因可以明顯抑制球囊損傷后的兔頸動脈血管內(nèi)膜增生10。與局部骨骼肌單獨注射編碼綠色熒光蛋白(GFP)的裸質(zhì)粒相比，注射攜帶GFP質(zhì)粒的Optison，超聲能明顯增加GFP表達量，同時減輕肌肉損傷11。此外，Tiukinhow等12證實，靜脈注射攜帶肝細胞生長因子的Optison，超聲作用后可以增加兔骨骼肌毛細血管密度，改善局部供血。 超聲破壞微泡

9、增強DNA靶向遞送的可能機制：（1）DNA通過微泡在靶向區(qū)域裂解被釋放，提高目標部位濃度；（2）穩(wěn)定空化微泡周圍可產(chǎn)生環(huán)狀渦流和強大的切變率，加速DNA擴散；（3）超聲微泡作用下血管壁通透性增加，細胞膜滲透性提高。 2.3 促進血管新生 動脈粥樣硬化斑塊進展或破裂引起受累器官供血減少是缺血性疾病的主要病因。通過遞送細胞因子、生長因子基因或蛋白至缺血組織，作用于血管內(nèi)皮細胞，誘導其增殖、遷徙以及治療性血管生成，已證實能夠增加局部血流灌注，改善器官功能。Song等13于2002年首次通過實驗證明,超聲破壞微泡使大鼠后肢骨骼肌小動脈密度較對照組增加約65%，同時小動脈直徑也增加，局部血流量增加約57

10、。其進一步實驗14表明，超聲聯(lián)合微泡能夠靶向促進大鼠缺血后肢小動脈生成，改善缺血區(qū)營養(yǎng)血流量。 超聲介導微泡促進血管新生的機制為：（1）超聲破壞微泡的空化效應引起直徑7 m的微血管破裂，而對大血管無影響，是對機體的無菌性炎癥刺激，誘導局部產(chǎn)生炎癥反應，炎癥細胞（如巨噬細胞、T淋巴細胞）在局部浸潤并釋放血管生長因子(主要是VEGF),從而促進小血管新生15；（2）通過CD18依賴機制募集骨髓來源的單個核干細胞參與血管新生，但不直接分化為血管內(nèi)皮細胞16。 超聲介導微泡可刺激血管形成，但新生血管是滲透、迂曲的，血管管徑不一致，是否能維持微循環(huán)還有待進一步研究；此外目前的實驗研究大多在大鼠骨骼肌模型

11、上進行，在大動物乃至人體以及心肌組織是否有同樣的效應仍不清楚。 2.4 增效干細胞治療 隨著細胞生物工程技術的發(fā)展和對干細胞研究的不斷深入，采用生物學技術，將不同組織來源的干細胞通過不同的途徑進行干細胞移植治療，以期替代、修復或改善受損缺血組織的生物學功能，顯示出良好的臨床應用前景。目前研究較多的是干細胞移植治療心肌梗死，但還存在移植細胞數(shù)量、途徑、安全性及作用機制等急需解決的基本問題。動物及臨床研究提示，干細胞移植治療缺血性心臟病能夠改善心肌功能，但效果仍不肯定，甚至相互矛盾。 11-03-25 14:25:00 編輯：studa20 國內(nèi)外動物實驗1720均表明，超聲聯(lián)合微泡促進移植干細胞

12、缺血區(qū)歸巢數(shù)量，增強血管新生和小動脈生成，改善缺血骨骼肌和心肌局部血流量，恢復心肌收縮功能和骨骼肌運動功能，并且對移植干細胞增殖、凋亡和細胞周期無不良影響21。超聲介導微泡增效干細胞治療的機制目前仍不明確，推測和下列因素有關：（1）空化效應引起局部炎癥反應，局部聚集巨噬/單核細胞、血小板分泌炎癥因子（如TNF、IL1），促進內(nèi)皮細胞表達黏附分子（如P選擇素、ICAM1、VCAM1），增加移植干細胞黏附內(nèi)皮細胞1314；（2)體外研究表明，超聲介導微泡作用下，鄰近內(nèi)皮細胞對胞外大分子物質(zhì)通透性增加，該作用可持續(xù)3 min左右，而且血管內(nèi)皮細胞間隙增寬19，可能使移植干細胞在缺血局部遷移增多；（3

13、）超聲微泡能夠增加局部組織生長因子（如VEGF、bFGF）mRNA表達和生成，促進移植干細胞增殖和分化，同時發(fā)揮旁分泌治療作用18。 3 目前存在問題 近十幾年來，超聲微泡的研究取得了明顯進展,使用領域越來越多，但隨著對超聲波及微泡認識的深入，人們也逐漸認識到對它們的廣泛應用目前還存在一些問題有待解決。超聲介導微泡發(fā)生過多瞬間空化，可引起毛細血管破裂、紅細胞外滲、內(nèi)皮細胞破壞、血管內(nèi)溶血、體外培養(yǎng)細胞和含氣組織及器官(如肺和腸)損傷。超聲破壞微泡作用于離體大鼠心臟，可引起心室收縮功能可逆、短暫性的降低，冠狀動脈灌注壓的增高和心肌組織內(nèi)乳酸鹽的過量沉積，與超聲機械指數(shù)呈正相關22。這一系列的副作

14、用可能直接歸因于超聲破壞微泡所引起的機械作用，因此，有必要對超聲介導微泡治療相關疾病的超聲參數(shù)進行更深入的優(yōu)化，同時改進超聲微泡的制作工藝，從而充分發(fā)揮有益的生物學效應，減少可能的組織損傷。 綜上所述，隨著分子生物學、物理化學及材料學(包括納米技術)等新技術在超聲及造影劑微泡中的應用，超聲微泡造影劑在疾病診斷和治療領域具有廣闊的發(fā)展前景。隨著生物工程研究的發(fā)展和對疾病認識的深入，超聲聯(lián)合微泡治療缺血性疾病將會得到越來越廣泛的應用，有望成為一種有效、無創(chuàng)、經(jīng)濟、安全的新治療手段?！緟⒖嘉墨I】 1AARON F H L,MARK A B,PAUL A D,et al.Ultrasound radi

15、ation force enables targeted deposition of model drug carriers loaded on microbubblesJ.J Control Release，2006,111(12):128134.2KRASOVITSKI B,KIMMEL E.Gas bubble pulsation in a semiconfined space subjected to ultrasoundJ.J Acoust Soc Am,2001,109:891898.3BAO S,THRALL B D,MILLER D L,et al.Transfection o

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17、xposed sonicated dextrose albumin produces myocardial ultrasound contrast that correlates with coronary blood flowJ.J Am Soc Echocardiography，1995，8:710718.6華興,高云華.超聲波與聲學造影劑在溶栓中的作用J.臨床超聲醫(yī)學雜志,2006,7：425427.7UNGER E,METZGER P,KRUPINSKI E,et al.The use of a thrombusspecific ultrasound contrast agent to

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