微泡超聲造影劑在高強度聚焦超聲治療實體腫瘤中的作用

陳　醇綜述，周　崑審校（.重慶醫科大學生物醫學工程學院，重慶40006；.重慶醫科大學附屬第二醫院HIFU腫瘤中心，重慶40000）

微泡超聲造影劑在高強度聚焦超聲治療實體腫瘤中的作用

陳醇1綜述，周崑2審校（1.重慶醫科大學生物醫學工程學院，重慶400016；2.重慶醫科大學附屬第二醫院HIFU腫瘤中心，重慶400010）

超聲，高強聚焦造影劑診斷顯像；腫瘤/治療；綜述

自20世紀60年代末［1］，超聲造影劑問世后，在超聲學診斷和治療中起到極大的作用。相關研究表明，其中一類稱作微泡超聲波影劑，具有多種優點：（1）增強超聲信號形成；（2）增強空化效應；（3）升高靶區溫度；（4）增加毛細血管破壞；（5）一種良好的載體，能夠包裹和攜帶藥物、基因等；（6）具有腫瘤首選站點輸送藥物的能力；（7）增加治療的穩定性［2］等。高強度聚焦超聲治療（high intensity focused ultrasound，HIFU）是將較低強度的超聲波聚焦后，通過生物效應和機械效應將靶區內的病變組織熱消融造成組織壞死，從而達到微無創治療目的的手段。在過去的十多年里，HIFU治療前列腺、子宮、甲狀腺、肝臟、腎臟、胰腺、骨和腦部的良、惡性實體腫瘤的可行性和安全性都被大量的臨床研究證明［3-6］。而上述微泡超聲造影劑的特點使得微泡超聲造影劑聯合HIFU治療實體腫瘤成為近年治療領域的研究熱點，現就此研究熱點作一綜述。

1　微泡超聲造影劑的歷史背景及技術特點。

超聲造影劑是一類可增強醫學超聲診斷信號及治療效果的藥劑。在超聲檢查及治療中，將超聲造影劑注射到患者體內中，具有成像效果更好、實時性、增加治療效果、無輻射性等優點，在超聲檢查及治療應用越來越廣泛［7-9］。目前市場上大多數超聲造影劑是含有微米級的不同種類的氣體，包括微氣泡和微球體等，被稱作微泡超聲造影劑（gas carrier contrast agents-GCAs）［10］。1968年Gramiak與Shah發現將生理鹽水與靛青綠的混合振蕩液注入心臟后可在超聲心動圖上觀察到“云霧狀”回聲，便是超聲造影劑應用的開端。1972年Ziskin發現造影效果是由液體中的氣體形成的氣泡造成的，此后人們開始嘗試使用不同的材質來作為微泡的膜以求達到最好的效果，比如生理鹽水、膠體等［11］。但直到20世紀90年代，微泡超聲造影劑才真正應用于臨床。它們不僅可以在血液中維持較長時間，還能通過肺循環使左心腔及外周血管顯影［12］。進入本世紀后，更多種類型、更穩定的新型微泡超聲造影劑不斷涌現，更是極大地改善了超聲造影效果。同時HIFU聯合超聲微泡造影劑的研究也得到很大的發展。

2　HIFU治療實體腫瘤的基本原理

HIFU的基本機制是熱效應、機械效應和生物效應協同作用［3］。其導致細胞死亡表現為細胞融解、凝固壞死和變性壞死三種形式。組織熱消融后的病理過程為壞死、液化和纖維化［13］。HIFU治療實體腫瘤的基本方式是熱效應，即通過從體外超聲換能器發射出的較低強度的超聲束在體內實體腫瘤中聚焦并被吸收轉化為熱量，使其快速升溫超過60℃，造成凝固性壞死或直接產生細胞毒作用。

3　微泡超聲造影劑的臨床應用

3.1微泡超聲造影劑增加病灶識別度HIFU可以在超聲實時監控下進行，微泡超聲造影劑提高病灶圖像質量，從而提高HIFU治療的精確打擊病灶組織的能力，有利于增強HIFU治療效果。

超聲成像是基于脈沖回波法。診斷超聲換能器發送重復的超聲波脈沖到靶組織，而由換能器接收是具有相同的中心頻率的回波，再轉化成超聲圖像。由于微泡超聲造影劑中的微泡是被一層防止其擴散的由蛋白質或脂質組成的外殼所包圍，能顯著提高反向散射基本頻率的回波信號。作為氣體填充封裝的微泡的聲阻抗與軟組織有很大的不同，而微泡中的氣體對超聲波的反射強度是液體強1 000倍，所以微泡能夠很大程度上提高超聲波的信號。從而達到顯影對比的作用［14-15］。一旦顯影對比明顯，在超聲圖像上便可以更加清晰地分辨處病灶組織，有利于識別病灶邊界，判斷HIFU治療范圍。

3.2微泡超聲造影劑用于HIFU治療效果評價在超聲實時監控下的HIFU治療實體腫瘤過程中，根據即刻可擴散的團塊來判斷治療效果。還可以利用微泡超聲造影劑觀察腫瘤及其周邊血流情況以評價腫瘤消融程度。當注射微泡超聲造影劑后，超聲監控區域內沒有出現血供的區域稱為非灌注區。消融率是指腫瘤的非灌注區體積與腫瘤總體積的百分比，是評價HIFU消融效果的重要參數。有學者觀察30例HIFU治療的子宮肌瘤患者，認為在治療過程中通過觀察血流灌注情況，對仍有血流灌注的部位行相應的補充治療，可增高消融率［16］。Peng等［17］將68名接受HIFU治療的子宮肌瘤患者術后資料進行分析后發現：微泡超聲造影劑下的超聲造影與MRI相對比，顯示肌瘤的大小、非灌注區的大小或者是消融比例等多項參數都是相近的，這說明利用微泡造影劑進行超聲造影判斷療效的結果與MRI類似。

3.3微泡超聲造影劑改善HIFU治療聲環境在HIFU治療時通過改變組織聲學環境，以增強靶區組織能量沉積的物質稱之為HIFU增效劑［18］。HIFU增效劑能夠通過不同的方式改變生物組織的聲學性質以求增加組織聲能量沉積，至少有以下幾種方式：（1）利用高聲阻抗的物質與周圍物質形成較大的聲阻抗界面，阻擋超聲波向深部組織傳播，增強生物組織內部聲阻抗的不匹配，從而提高超聲能量的聚集，增強治療效果。Kaneko等［19］通過實驗測量治療區組織溫度的變化，發現微泡造影劑聯合HIFU治療可使組織局部升溫更迅速，由于微泡造影劑中的氣泡與病灶組織及周圍組織聲阻抗差別大，超聲波在不同介質的層面傳播時，發生更多的散射和反射，宏觀層面上即表現為超聲能量沉積更多。Wen等［20］利用HIFU對活體兔的肝臟實驗也證明：微泡超聲造影劑除了有根據其聲學特性增強超聲的診斷學方面的作用外，還可通過增加反向散射增大HIFU治療效果。（2）通過增加空化效應增加超聲能量沉積。空化效應與組織密度緊密相關，微泡超聲造影劑本身含有大量微小的氣泡，一方面直接改變組織的密度，并增加單位體積的靶組織內空化核的數量，從而增強空化起始效應，實現對靶組織的破壞作用。另一方面，組織可被視為由膜包圍的黏性流體。當聲波傳播通過它時，就會發生組織層的相對位移和液體的定向運動或者微流。由微流產生的高剪切力能導致細胞膜瞬時損壞。而不同組織層及液體層的黏性摩擦力還可導致升溫，從而達到輔助熱效應的目的。如果以上過程中組織液體中含有微小的氣泡（直徑不超過8 μm），氣體空腔對交替壓縮的聲壓的動力學反應，即氣泡的空化效應也隨之增強［21］。另外，有研究表明微泡超聲造影劑中的微泡還能成為用于低能量沉積的機體內的空化核，降低其空化效應所需要的閾值，而達到上述目的［20-21］。還有學者通過觀察微泡超聲造影劑聯合HIFU切除羊肝臟組織7 d后的病理切片，發現與單純HIFU治療組相比，微泡超聲造影劑聯合治療組造成凝固性壞死帶外周出現遲發性壞死帶，表明空化效應增強致自由基的產生增多是出現遲發型壞死帶的主要原因［23］。Goldberg等［24］的研究也證明HIFU聯合微泡超聲造影劑可增強局部組織熱量和脂質間的相互作用，使局部組織自由基增加，達到改變組織的功能狀態的目的，有利于擴大治療范圍。（3）改變組織的血液供應或功能狀態。實體腫瘤生長分為兩個階段：未血管化階段和血管化階段。血管化階段的實體腫瘤能夠形成自己的血液供應系統，為局部浸潤和遠處轉移打下基礎。而Goertz［25］提出的觀點認為：一個治療性超聲環境中，在安全及避免脫靶的情況下，治療性超聲對血管的作用可增強微血管通透性，甚至導致出血或血管閉塞。上述結果是高度依賴于超聲的頻率、強度或輻照曝光時間，它的原理則是由最初的熱效應，機械效應或化學損傷引起的。另一方面，空化效應可以在血管產生足夠高的峰值壓力，同時由此產生的氣體和蒸汽腔可以形成振蕩劇烈，導致損害實質組織和血管。而通過引入微氣泡造影劑進入體循環，能使血管生物效應的壓力閾值降低，從而改變血液的供應和功能狀態。利用這一特性定向打擊血管化的實體腫瘤，則可以提高其成功率。

4　微泡造影劑增加了HIFU消融的效果

微泡造影劑能顯著增加HIFU消融的效果。有實驗性研究證明微氣泡直徑為2.5 μm的聲諾維超聲造影劑可減少組織消融時間［17，20，26］，另外Song等［27］將隨機提取的129例單純HIFU治療子宮肌瘤的患者與162例HIFU聯合微泡超聲造影劑治療子宮肌瘤的患者對比后發現，HIFU聯合微泡超聲造影劑組的患者出現灰度變化，所用的時間更短；術后觀察到的非灌注區更大，消融率更高，同時并未觀察到重大的并發癥出現。Jiang等［28］將80例單發子宮肌瘤患者隨機分為對照組即單純HIFU治療組和使用微泡超聲造影劑聯合HIFU治療組，得出使用微泡造影劑組的患者出現灰度變化時間更短，消融率更高的結論。蔣紅等將50例子宮肌瘤伴盆腔手術史患者行HIFU聯合微泡超聲造影劑治療情況，與同期50例無盆腔手術史子宮肌瘤患者進行比較，發現患者治療中肌瘤非灌注區體積、體積消融率、消融強度、消融劑量無明顯差別，但在手術時間、治療時間及治療后即刻不良反應與遠期并發癥等方面明顯占優勢［29］，以上研究均充分表明HIFU聯合微泡超聲造影劑不僅在微觀原理上具有更明顯的效果，而宏觀的臨床數據也具有充足的證據。

5　展　望

微泡超聲造影劑用于HIFU治療的評價和增效尚有諸多問題需要解決，例如由于微泡超聲造影劑能夠從各方面增強HIFU治療的效果，而其內含有的微泡能瞬間大量破裂可以增強靶組織損傷程度及范圍，同時可造成靶區外組織損傷，形成副損傷［30］。HIFU聯合微泡超聲造影劑的安全性和適用范圍還有待進一步研究。隨著HIFU聯合超聲造影劑研究，其使用價值也將會達到一個新高度，從而完善超聲檢查及實體腫瘤臨床治療的方式。

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