ALP AN 042 CN 超声微泡造影剂的发展及最新临床应用研究返回目录

2020-07-06

前 言 

近年来,随着超声技术的不断发展,作为一种无创、价优的诊断模式,超声影像诊断技术在临床上得到了广泛的应用,如肝脏、脾脏、胆囊、胎儿异位等疾病的诊断。 

另外,超声治疗技术也开始逐渐被应用于临床,如高强度聚焦超声(HIFU)利用声束聚焦产生瞬间高温的性质,使聚焦靶区的肿瘤细胞产生不可逆的坏死,从而达到消融肿瘤的效果,目前 HIFU 已被研究用于前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌、子宫纤维瘤等疾 病的治疗中[12]。 

同时, 超声诊断和治疗技术也存在一些问题,如超声图像的对比度相对于 CTMRI 较差,有时局部组织无法较好的显影;治疗超声消融肿瘤的靶向性需提高等,超声微泡造影剂的出现在一定程度上有效解决了这些问题。 

超声微泡造影剂是一种内含气体、外部 包有一层膜的微气泡,直径为 1 μm~8 μm,它能实现组织的回声增强从而提高组织显影的清晰度,另外它可作为一种靶向药物或基因治疗的载体,减小周围正常组织的损伤,增强肿瘤的治疗效果。




1 超声微泡造影剂的技术研究进展 

1968 年,GramiakShah 报道了注射造影剂的盐水溶液后能增强人体心室动脉的超声回波信号,首先将超声造影剂应用于临床[3],之后超声造影剂的发展 经历了不同的阶段。


1.1 普通超声造影剂的三个发展阶段 

第一代超声造影剂为自由气体(空气或氧气),无膜包被,不稳定,尺寸大,不能经外周静脉注射,而是通过心导管插入主动脉或心腔内,属有创性治疗。 由于造影剂在血液中持续时间短、 不能通过肺循环,导致左心不能显影,只能右心显影,因此其使用受到一定的限制。 第一代造影剂代表类型为 Echovist[4]。 

第二代造影剂在空气气泡外围包裹一层白蛋白、 脂类、聚合物或表面活性剂作为膜壳, 稳定性好, 尺寸小(<8 μm),因此微泡经静脉注射后,通过肺循环到达左心室及外周血管,从而使其显影,信噪比明显增大,这实现了超声造影剂尺寸向微泡级、应用向无创性的过渡发展。第二代造影剂代表类型为 AlbunexLevovist。由于内含气体为空气,使得微泡在血液中的持续时间在 5 min [5],所以研制持续时间更长的微泡造影剂成了一种必然要求。 

第三代造影剂内含氟碳类气体,外有膜包裹, 使其在血液中的持续时间延长到了 15 min 以上,稳定性进一步提高。 第三代造影剂代表类型为 Optison , SonoVue[45]

目前,国外批准上市的超声微泡造影剂有:AlbunexSonovueOptison [6],其 中 Son-azoid Optison GE 的产品。 国内超声造影剂的生产还没进入产业化,有待进一步研究。 



1.2 特殊用超声造影剂 

一些具有特殊理化性质的微泡造影剂的研究使 其发展进入到一个更新的阶段,如靶向微泡、携带治疗药物或基因的微泡是近几年研究的重要方向。

1.2.1 靶向微泡 

靶向微泡造影剂也是内含气体,具有稳定性外壳包被的微气泡,与普通微泡不同的是,在其表面连接有针对特定组织特异性受体的配体或是针对特异性抗原的抗体,这使得微泡经静脉注射后通过肺循环达到感兴趣的组织或器官, 选择性的与相应的受体结合,增强靶区的超声回波信号,有利于局部组织疾病的诊断[7]。 靶向配体(大多为蛋白质分子)可直接连接到微泡膜壳上,如配体通过共价键直接连接到微泡白蛋白膜上, 此法取决于微泡表面的成分和配体的性质。 另外还可以通过生物素—抗生物素蛋白连接桥将靶向配体连接到微泡表面上[8]

1.2.2 携带治疗药物或基因的靶向微泡 

一些治疗性的化学药物或基因可通过多种方式被微泡携带,如直接黏附在微泡表面,包裹入微泡内, 通过非共价键连接到微泡表面等,其中直接将药物或治疗基因包裹入微泡内是一种比较稳定的结合方法。 经静脉注射携药或基因的靶向微泡后, 用低频超声 (约 1 MHz)照射特定的组织,微泡产生非线性的剧烈振动,超声的瞬态空化效应致使微泡破裂,治疗药物或基因由此被释放到靶区, 最终达到靶向治疗的作用[9]。因此作为一种新型的药物或基因的载体,靶向微泡造影剂越来越受到研究者的关注,超声联合微泡如今已成为一种靶向治疗的新模式。




2 超声微泡造影剂在影像诊断中的应用研究 

超声微泡造影剂现已广泛应用于心脏、 肝脏、胰 腺、肾脏等器官的超声影像诊断中,靶向微泡造影剂的出现使局部组织的显影增强,提高了特异性靶区的诊断效果。


2.1 超声联合超声微泡造影剂的显像机制 

在一定频率的超声作用下, 微泡受压膨胀收缩, 增强了背向散射信号,使组织的对比度加强。 一般的, 在低声压下,微泡产生对称性的压缩和膨胀,其直径保持恒定且不破裂。 声压较高,机械指数 MI 较低,频率为 1 MHz~20 MHz 时,微泡产生非线性的振动但未破裂,出现高次谐波信号。 谐波成像技术如脉冲相位 倒置成像是处理非线性信号的一种有效的手段[10]。 


2.2 超声微泡造影剂的诊断应用研究

微泡造影剂最早被用于心脏动脉的显影,后来被较多的用于肝脏、胃肠等器官的显影[11]。 近年来靶向超声微泡造影剂的诊断应用研究主要包括血栓、炎症 或动脉粥样硬化等病症的靶向分子成像[1112]。 对于血栓的显影,早前 Unger [13]MRX408 脂质微泡做了血栓成像的实验,发现微泡与活化血小板的 GPIIb/IIIa 受体具有强的亲和力, 且新鲜血栓有更多的表达 GPIIb/IIIa 受体的血小板, 这可用来区别新旧血栓。 近几年,有学者开始研究利用靶向超声微泡造影剂进行血栓的靶向显影。 Martina [14]体外细胞实验发现,在 MI=0.7 的超声作用下,绑定阿昔单抗的微泡可特异性的结合到血凝块上,由此可增强血栓的显影,从而提高中风等疾病的诊断效果。 高云华等[15] 利用自制的造影剂和新鲜的人体血块在模拟的人体系统中进行体外的血栓显影实验,结果发现靶向造影剂组比非靶向造影剂组更能增加血栓的超声显像。 

对于炎症超声显影的研究,Lindner [16]将白细胞 靶向的微泡静脉注射入患有心肌缺血炎症的狗体内, 用 MI=0.9 的超声探测得到血流灌注的超声图像,与炎症的核医学图像做对比之后发现,靶像微泡造影图像能准确、清晰地显示炎症区域。 




3 超声微泡造影剂在疾病治疗中的应用研究


3.1 超声联合超声微泡造影剂的治疗机制 

微泡在低频的超声作用下发生不对称的压缩和膨胀直至破裂,即瞬态空化效应,这种效应使得细胞膜上产生一过性的空隙,膜的通透性增加,膜外的分子就可以渗透到膜内,这种现象称为声孔效应[17]。 

膜外分子还可以通过吞噬细胞的内吞作用进入到膜内[18]。 另外有学者认为超声作用微泡还能提高血管壁的通透性[6],过高的超声能量还会引起热效应,致使靶区肿瘤细胞产生不可逆的凝固性坏死,超声作用参数控制不好也会引起周围正常组织细胞的死亡[17],因此超声作用微泡时,要对超声作用频率、声压、声强、作用时 间等进行最优化选择以免引起热损伤。

 目前,空化效应被认为是超声作用微泡的主要机制,确切的机制有待进一步研究证明。 


3.2 超声微泡造影剂的治疗应用研究 


3.2.1 溶栓治疗 

由于大剂量纤溶剂的使用,静脉溶栓治疗会引起 出血等并发症,导致其应用存在较大的局限性。 

早前 有学者已证明血管内高频超声能溶解血栓,后来用超声联合药物治疗血栓也取得较好的效果,近几年研究 证明携带溶栓药物的微泡在高能低频超声作用下产生的瞬时空化效应有助于血栓溶解,它使溶栓剂(尿 激酶 UK 等)易于向血栓内渗透,靶向携药微泡联合超声作用能靶向释放药物, 进一步提高了溶栓的效果[7]。 

Alonso, Martina [19]动物实验表明,相对于无超声作用或无微泡造影剂的对照组, 用 2 MHz 超声联 合微泡作用于事先注入凝血块的老鼠,溶栓的效果更加明显。

Feng Xie [20] 采用血小板靶向微泡联合 MI=1.9 的诊断超声, 在患有心肌梗死的猪身上进行 溶栓疏血管的实验,发现作用后微血管的循环能有效快速的恢复,溶栓效率高。


3.2.2 携药物或基因治疗 

超声微泡造影剂作为一种新型的药物或基因靶向载体,低频超声作用使其破裂,在特定组织释放药 物或治疗基因,这样可以有效增加靶区组织的药物浓度或基因表达量,降低药物对全身的毒副作用[21]

目前靶向微泡携抗肿瘤药物联合超声作用正成为靶向治疗肿瘤的一种新模式,是近期医学研究的一个热点,如熊正爱等[22]将载紫杉醇的微泡加入到体外培养的宫颈癌细胞中,用低频超声(约 1 MHz)破坏微 泡,电镜下观察到宫颈癌 HeLa 细胞株增殖明显被抑制,且癌细胞发生凋亡。

 另外,国外的许多研究表明,超声作用微泡有效增强了基因的转染率, 提高了基因治疗的靶向性[21]。 近来 Juffermans [23]作了同样的研究,他们将标记荧 光物质的微泡混合入心肌细胞溶液,1 MHz 的超声作用后,在荧光显微镜中观察到细胞的荧光转染率比无超声作用时明显增高。 同时不同的超声作用参数对基因转染的效率会产生不同的影响,国内外的许多学者对此做了相应的实验研究,如王志刚等[24]动物实验表明,在频率 1 MHz, 声强 0.5 W/cm2,作用时间为 1 s 的超声参数下,基因转染率较高;Rahim [25]体外细胞实验表明,在频率 1 MHz,声压 0.5 MPa,声强 0.8 W/cm2~1.5 W/cm2,作用 时间为 10 s 的超声参数下,基因转染率较高。 

近年来,妇科疾病的基因治疗已受到国内外学者的关注和认可,如宫颈癌的基因治疗主要是针对首要病因 HPV 病毒的,治疗这种 DNA 病毒的感染主要有抑癌基因治疗、癌基因治疗、免疫基治疗等[26]。 超声微泡造影剂联合超声作用能促进基因的转染率,应用在妇科疾病的基因治疗中, 将会明显增加疗效。 

早在 2002 年,Endoh 等就在胎鼠宫内注射携标记基因绿色荧光蛋白 GFP 的微泡, 联合超声作用后观察到组织细胞内的 GFP 表达明显增加; 王斌等实验验证了超声微泡造影剂促进 GFP 质粒转染卵巢癌细胞, 同时探讨了超声参数的影响[27]。 


因此,不同于常用的病毒载体,超声微泡造影剂介导的靶向基因治疗将会成为一种更加安全有效的基因治疗手段。




4 问题与展望 


经过多年的研究, 超声微泡造影剂在其制备技术、诊断和治疗应用等方面都取得了一定的成果。 

同时,这一技术的发展还不够成熟,有些问题亟待改进或解决,如:

1)靶向微泡的膜壳材料的稳定性

2)超 声作用微泡的确切机制

3)超声联合微泡应用到临床上的安全和高效性还需进一步的研究证明

4)超声治疗参数(如频率、声压、声强、作用时间)、微泡种类、微 泡浓度的优化选择。 

随着分子细胞生物学和医学超声的发展,这些问题会逐步解决,相信超声微泡造影剂在重大疾病的治疗方面将会有美好的应用前景。

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