微納米材料在超聲診療學中的應用進展

尹豪豪，張 坤，徐輝雄

同濟大學附屬第十人民醫(yī)院超聲醫(yī)學科，同濟大學醫(yī)學院超聲醫(yī)學研究所，上海 200072

分子成像是一種利用探針進行非侵入性探測體內生理變化的技術，能夠在解剖結構發(fā)生變化之前檢測出疾病，有利于研究疾病的病因、發(fā)生、發(fā)展及轉歸，從而實現(xiàn)疾病的精準治療［1］。超聲波檢查是一種無創(chuàng)并且可以實時動態(tài)觀察的成像模式，具有安全性高、成本低及易于操作等優(yōu)點。因此，超聲分子影像一直以來都是分子影像中研究的重點之一。近年來超聲分子影像的研究熱點多基于空化效應，空化效應是一種物理現(xiàn)象，液體中的微氣核（空化核）在聲波的作用下產(chǎn)生振蕩，當聲壓超過一定值時會發(fā)生膨脹、收縮至內爆等一系列變化。氣泡內爆的瞬間，泡內聚集的能量迅即釋放出來，微小空間內呈現(xiàn)出高溫、高壓、沖擊波和微射流等極端的物理條件，這一過程稱為聲空化效應［2］。利用聲空化效應，含氣微泡不僅可以作為超聲造影劑，還可以作為藥物和基因的載體。這些負載藥物/基因的微泡平均粒徑小于紅細胞，并且在超聲的激發(fā)下可以穿透毛細血管釋放藥物和基因，諸多研究著眼于如何利用超聲及微泡進行藥物/基因的靶向運輸。

除微泡外，在過去幾年中，納米材料的迅速發(fā)展也帶動超聲分子影像取得了飛速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的診斷和治療方法相比，納米材料具有以下4個優(yōu)點：① 與小分子造影劑、藥物不同，納米材料可以更容易地整合多種藥物（成像劑/治療劑），成為具有診斷和治療的多功能納米平臺。② 由于納米材料有較大空間（如大的比表面積或內部空間），大量的成像劑或藥物可以通過簡單的方法載入納米材料。③ 納米材料具有特定的靶向部分，大小和表面性質容易進行理化修飾，因此可以對疾病部位進行靶向藥物傳遞和成像；與單分子相比，由于納米材料的多價效應，多個靶向分子可以極大地增強靶向結合的能力和特異性。④ 合適大小的納米材料和進行相應表面修飾可以增加血液循環(huán)時間，減少網(wǎng)狀內皮系統(tǒng)（reticuloendothelial system，RES）對納米材料的攝取和清除。

近年來，利用納米材料的不同特性，已制備出多種功能各異的材料用于疾病的診斷和治療。它們可以通過結合超聲介導血腦屏障（blood brain barrier，BBB）的開放，實現(xiàn)多模態(tài)成像、診療一體化、腫瘤微環(huán)境標志物監(jiān)控和信號放大。因此納米材料在超聲分子影像中也逐漸有了舉足輕重的地位。

1 微納米材料結合超聲介導BBB的開放

BBB通常可以保護大腦免受毒素侵害，并有助于維持神經(jīng)元微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。然而BBB也阻斷了98%的小分子藥物和約100%的大分子神經(jīng)治療藥物進入腦實質［3］。BBB的開放對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診治顯得尤為重要。研究表明，微泡在增強聚焦超聲（focused ultrasound，F(xiàn)US）的激發(fā)下，可以非侵入性、局部可逆性地打開BBB［4］。由于通常使用的微米級微泡穩(wěn)定性較差，且FUS觸發(fā)的空化效應會引起內皮和薄壁組織暴力損傷（如大量的紅細胞外滲）［5］，因此如何保證有效開放，同時又不損傷正常組織，一直是研究的熱點。BBB的開放程度受到許多因素的影響，包括微泡殼材料的種類、直徑、濃度和氣核的體積等。第一，微泡殼層材料的組分直接影響微泡殼層的剛性，研究發(fā)現(xiàn)用同樣強度的FUS開放BBB，脂質微泡比人血清白蛋白微泡更容易打開BBB。第二，BBB開放的程度及分布還取決于微泡的濃度，進入脈管系統(tǒng)的濃度越高，BBB開放程度越大。第三，隨著微泡的直徑增加，可以增加對鄰近細胞的機械力并且加強對血管壁的刺激。第四，微泡中氣體體積也會影響B(tài)BB的開放程度，優(yōu)化微泡中氣體體積可以優(yōu)化BBB開啟的效率。

Huang等［5］為了讓藥物能夠有效地穿透血管進行靶向成像，優(yōu)化BBB開啟的效率，同時達到組織損傷最小的目的，設計了一種磁引導的微納米泡（micro-nano bubble，MNB），在MNB表面的二氧化硅殼上負載超順磁性氧化鐵（superparamagnetic iron oxide，SPIO）納米粒子，在磁場的引導下可以明顯地增加局部組織的MNB濃度。這樣既可以安全地打開BBB進行有效的藥物傳遞，又可以達到磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）/超聲雙模態(tài)成像，起到實時監(jiān)測的效果。這種多功能MNB的成功制備，意味著出現(xiàn)了一種獨特的新型診療工具，不僅可以打開BBB，明顯改善藥物治療效果，還具有多模態(tài)成像的功效。

2 微納米材料介導的多模態(tài)成像

臨床上成像模式通常包括光學成像、MRI、計算機斷層成像（computed tomography，CT）、超聲和正電子發(fā)射體層成像（positronemission tomography，PET）或單光子發(fā)射計算機斷層成像（single photon emission computed tomography，SPECT）。每種儀器都有其特有的優(yōu)點，如PET具有高靈敏度的特點以提供疾病的功能信息；CT和MRI具有高分比率的特點以提供疾病的解剖信息；超聲具有實時監(jiān)測、無輻射等優(yōu)點。每種成像模式有其固有局限性，如靈敏度不足或空間分辨率差等，這使得其難以在疾病部位獲得準確可靠的信息［6］。為了彌補這些缺陷，不同成像模式可以進行組合，如PET/CT、PET/MRI及MRI/超聲，以改進成像性能。因此，這些不同成像模態(tài)的組合可同時實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率和動態(tài)觀察，提供疾病更詳細的解剖學和生物學信息。

目前PET/CT、PET/MRI及MRI/CT等多模式探針已經(jīng)較為成熟，超聲多模態(tài)成像研究以及相應探針雖然還處在發(fā)展階段，但也引起了廣泛的興趣。Huynh等［7］設計了一種微泡，其殼結構由細菌葉綠素-脂質構成，內填充全氟丙烷氣體，填充的氣體具有超聲造影的效果，同時殼中的卟啉具有光學及熒光特性。在低頻超聲的激發(fā)下，微氣泡破裂為更小的納米顆粒，同時仍然保持著相應的光學特性。體內外實驗驗證了這種微泡具有光聲成像效果，同時這種微泡到達腫瘤區(qū)域還可以提高藥物的增強滲透性和保留（enhanced permeability and retention，EPR）效應。這種普通高分子卟啉微泡（porphyrin micro bubble，pMB）可以成為超聲、光聲及熒光三重造影劑，此外還響應低頻超聲，從而形成納米顆粒，增強EPR效應，pMB的出現(xiàn)對臨床多模態(tài)成像的開發(fā)和應用具有重要意義。盡管不同的成像技術可以相互補償，但如何優(yōu)化設計納米材料使其能夠充分發(fā)揮不同成像模式的優(yōu)點，仍存在一些困難。例如，PET或近紅外熒光（near-infrared fluorescence，NIRF）成像造影劑能以極低濃度使用，而MRI和CT造影劑需要相對高的濃度，超聲造影劑需要含氣微泡。因此，需要聚焦于造影劑負載納米材料中的量，從而發(fā)揮不同成像模式的優(yōu)點，得到更精準的圖像，進行疾病的有效診斷。

3 微納米材料用于超聲介導疾病的治療

高強度聚焦超聲（high intensity focused ultrasound，HIFU）是一種非侵入性、無放射性的治療方式，是一種理想的癌癥治療方式。但是HIFU在治療過程中面臨著不可控性、安全性差及精準度低等問題［8］。由于這些問題仍然未得到解決，HIFU的大規(guī)模臨床應用仍處于初期階段。最近開發(fā)的納米生物技術提供了另一種有效的方法來克服HIFU中的這些缺憾，用于癌癥治療。HIFU可以通過FUS的高溫激活納米藥物遞送系統(tǒng)（drug delivery system，DDS），并且僅在超聲作用部位觸發(fā)藥物釋放。然而，超聲能量在某些深部腫瘤組織中的集聚通常不足，因為超聲能量會隨著組織穿透深度的增加而呈指數(shù)衰減。提高HIFU消融效率的典型策略是增加HIFU照射劑量，但HIFU照射劑量的增加可能導致聲傳播通道中正常組織的損傷。因此，通過在腫瘤組織中引入有機/無機納米顆粒來改變癌組織的聲學環(huán)境，可以部分地解決這一矛盾。納米材料可以在血管中運輸，并通過EPR效應在腫瘤內部集聚，通過FUS的熱/機械/空化效應觸發(fā)特殊的相變以形成微泡，協(xié)同增強HIFU消融效率。另外，化療藥物也可以通過這些納米材料同時進行遞送，并在HIFU觸發(fā)時釋放，以實現(xiàn)HIFU/化學協(xié)同療法［9］。

為了進一步提高HIFU治療的功效及安全性，Zhang等［10］設計了一種以溫控為特點的“固-液-氣”（solid-liquid-gas，SLG）三相的多功能診療劑，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“液-氣”（liquidgas，LG）雙相診療劑，體外、體內實驗證實SLG可明顯提高HIFU治療的功效和安全性。另外，SLG可以負載多種疏水性和親水性的藥物，還可以延長藥物在血液內的半衰期以及增加在腫瘤內的富集量，使得HIFU協(xié)同化療等多種其他治療方法成為可能，為臨床疾病的診治提供了一種新的策略。

4 微納米材料介導的診療一體化

納米技術的進步顯著影響疾病的診斷和治療方式。在過去的十幾年中，已經(jīng)進行了納米顆粒用于藥物遞送和成像的探索。納米顆粒在成像和治療中有很高價值，具有在細胞水平上成像和治療疾病的潛力。該領域的前沿研究即設計診療一體化的平臺，重點是將診斷檢測試劑與治療藥物進行結合、組合。靶向治療和診斷的納米載體為疾病治療帶來了希望，因為它們具有靶向治療特定疾病部位的能力，同時還允許非侵入性的監(jiān)測定位功能［11］。Min等［12］設計了一種可以響應腫瘤酸性微環(huán)境的納米粒子，CaCO3-MNP在腫瘤酸性微環(huán)境的刺激下激發(fā)CO2的釋放和化療藥物的釋放，可以迅速地達到超聲造影成像及腫瘤治療的效果。Liu等［13］也設計了一種超聲-HIFU多功能的納米顆粒用于腫瘤的精準消融，過氧化氫酶在腫瘤微環(huán)境H2O2存在下促進O2的產(chǎn)生，在HIFU消融治療的過程中可以做到實時監(jiān)測。這些診療一體化納米材料的出現(xiàn)，為臨床如今面臨的一些問題，如消融后殘余灶存在、過度治療和無法監(jiān)控等，提供了新的解決方案。

5 展望

超聲分子影像學發(fā)展迅速，為傳統(tǒng)的診治手段提供了新的理念，但是目前諸多研究仍停留在基礎研究層面，生物安全性需要進一步驗證。如何將這些基礎研究進一步臨床轉化，緩解患者的痛苦，改善疾病的預后，必須考慮以下幾個問題：① 合適的血液半衰期；② 較小的脫靶效應，良好的生物相容性；③ 可以進行有效的體內代謝；④ 納米材料可以有效地從體內排出；⑤納米材料對人體無潛在毒性。