聚焦超聲在腦部疾病的應用進展

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(昆明醫科大學第三附屬醫院 云南省腫瘤醫院放射科，云南 昆明 650106)

腦部疾病起源復雜多樣，臨床治療困難，原因之一在于血腦屏障(blood brain barrier, BBB)可阻礙多數治療藥物進入腦組織。BBB主要由腦部毛細血管內皮細胞、基底膜、星形膠質細胞的血管周足等構成。正常情況下BBB僅允許分子量<400Da、高脂溶性、無毒性、帶正電的物質通過，而對多數有毒的大分子物質加以阻擋，以維持神經細胞賴以生存的內環境穩定。但治療腦部疾病的藥物多為低脂溶性、帶負電的大分子物質，跨越BBB較困難。借助靜脈內注射超聲微泡造影劑，聚焦超聲(focused ultrasound, FUS)可在較低頻率下實現無創、瞬時、可重復性地開放BBB，同時還能避免高頻超聲對周圍組織造成的損傷[1]。本文就FUS應用于腦部疾病的研究進展進行綜述。

1 FUS開放BBB的原理

1.1 開放機制及條件 FUS聯合超聲造影微泡開放BBB的機制包括空化效應及慣性空化等[2-3]?？栈饕竿ㄟ^微泡氣化后與血管壁發生共振，破壞細胞間的緊密連接。慣性空化是指FUS波束使微泡半徑擴大而引起微泡破裂，破裂產生劇烈的沖擊波和高速射流，進一步加劇損傷部位的破裂程度?？栈^程可暫時破壞細胞膜的通透性或引發細胞壞死，最終導致BBB開放。此外，部分研究者[3-5]提出FUS開放BBB的機制還包括誘導胞吞作用增強及聲孔效應等。

輔助低頻FUS實現BBB無創開放的超聲造影劑通常被脂質或白蛋白包裹，形成直徑為1～5 μm的氣體微泡；微泡大小不同，BBB開放的持續時間也不同，最長可達4～6 h。蔣文軍等[6-7]報道，在低頻FUS聯合超聲微泡開放小鼠BBB的實驗研究中，瞬時、局部、可逆開放BBB的超聲參數為頻率1 MHz、脈沖長度10 ms、重復頻率1 Hz，微泡劑量為0.5 ml(平均半徑2.5 μm、濃度1×109/ml)。

1.2 FUS開放BBB時大腦微環境的變化 Sheikov等[8]將超聲微泡注入實驗兔，并采用低能量(0.55 W)FUS輻照兔腦，MRI顯示腦內局部血流灌注及組織強化程度增加；電子顯微鏡下可見毛細血管內皮細胞中囊泡和空泡數目增多，內皮細胞胞質形成通道，細胞間部分緊密連接被破壞；電鏡下觀察到IgG免疫熒光信號在囊泡、細胞質通道、血管周圍的神經纖維中出現較多，而在細胞間隙內出現較少，證實FUS和微泡聯合作用未對兔腦血管內皮細胞緊密連接造成結構性損傷。但采用高能量(3.00 W)的FUS輻照后，腦血管內皮細胞破壞及內皮細胞周圍出現IgG滲漏[8]。

2 FUS的神經調控作用

FUS除可開放BBB、引起大腦局部微環境變化外，還能誘導神經調控作用。如在低能量FUS刺激大鼠腦神經的實驗中，將頻率為350 kHz和650 kHz的FUS脈沖波分別施加到位于顱底的外展神經，當頻率為350 kHz時可觀察到該外展神經同側眼球運動，并通過組織學實驗驗證了BBB并無破壞，周圍結構和鄰近腦組織也未受到損傷。Kim等[9]認為FUS通過誘導機械應力引發神經調節。大量實驗[1,9-11]表明，FUS在治療腦部疾病過程中對靶點周圍組織并無損傷，可作為一種新型的功能性神經調節方法；其作為具有神經調控功能的非藥物、非手術方法已被應用于腦部疾病，尤其是中樞神經系統疾病的評估和治療[10-11]。Chu等[11]在對癲癇的實驗研究中發現FUS可通過降低大鼠腦脊液中γ-氨基丁酸水平而抑制癲癇活動，并提高誘發運動行為和觸覺活動能力。

3 FUS治療腦部疾病

美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration, FDA)已批準FUS用于治療多種非神經外科疾病，如子宮肌瘤、子宮腺肌病及骨轉移瘤等，但目前尚無可用于神經系統疾病、與臨床結合較好的FUS設備獲得FDA批準。在歐洲，FUS已被許可用于治療特發性震顫(essential tremor, ET)及以震顫為主要癥狀的帕金森病和神經性疼痛，但其治療腦腫瘤、損傷性癲癇和其他疾病等尚未得到批準[2]。

3.1 ET 1999年經FAD批準的丘腦腹側中核深部腦刺激療法是目前治療ET的標準方法，療效好，安全性高，但對植入腦內的硬件質量要求高、需長期編程和更換電池，且為有創療法，相關操作可能引起顱內出血、感染等并發癥，適用人群有限。FDA于2016年7月批準使用FUS消融治療ET。Fishman等[12]給予ET患者FUS消融治療，結果顯示患者的震顫程度以及震顫引起的致殘率均降低，故認為FUS治療ET最大的優勢在于無創性，尤其對于不適合進行傳統手術的患者，經顱FUS可以取得較好的治療效果。盡管FUS治療ET、帕金森病和肌張力障礙效果明顯，但其安全性和有效性仍需臨床驗證。MR引導下FUS(MR-guided focused ultrasound, MRgFUS)可將超聲作用的范圍精確在腦內不同深度、特定的數毫米區域內，使FUS技術的安全性得到顯著提高。

3.2 腦腫瘤

3.2.1 消融治療 目前臨床已嘗試使用高頻FUS消融治療乳腺、肝臟和前列腺等部位的惡性腫瘤[3,13-14]，其作用機制是超聲波束在靶區聚焦后由機械能轉化為熱能，使靶組織發生蛋白質變性、凝固性壞死并最終完全消融。FUS的治療靶區通常較小，一般為病灶及其周圍2 mm范圍內，對較大區域可采用多個平行的超聲靶點進行消融。

在對大鼠顱底結構的消融研究[15]中，靜脈注射微泡后使用頻率為525 kHz的FUS對顱底靶區進行 5 min低強度超聲消融，通過分析組織學變化和測量視覺誘發電位(visual evoked potential, VEP)發現灰質靶區產生了明確的消融后改變，而視交叉及其周圍結構損傷較小甚至無損傷；4周后復查結果顯示VEP未發生顯著變化，且視神經、視網膜亦未出現延遲性組織學改變。

3.2.2 基因及免疫治療 目前對腦腫瘤采用基因治療中所獲得的轉基因表達較差，主要原因在于BBB的屏障作用及傳統顱內注射導致的神經損傷。Chang等[16]嘗試使用超聲介導基因治療腦腫瘤，血管生成靶向微泡聯合超聲介導基因治療腦腫瘤的體外實驗顯示，微泡對腫瘤細胞有較高的DNA傳遞效率和親和力；體內實驗提示微泡可促進癌細胞基因傳遞而不影響周圍正常腦組織。FUS聯合微泡可顯著提高基因傳遞速率，有效抑制腫瘤生長，延長患者生存時間，為治療腦腫瘤提供了新方法。

近年來免疫療法發展迅速，已逐漸成為治療腫瘤的主要方法之一[17-18]。多形性膠質母細胞瘤(glioblastoma, GBM)患者具有抗腫瘤免疫應答缺陷，免疫系統的局部細胞免疫和全身性體液免疫循環通路均受阻。由于BBB的屏障作用，以及GBM患者免疫原性差、特征性癌胚抗原少等原因，目前GBM的免疫治療還處于探索階段，高頻FUS可促進和擴大免疫抗腫瘤反應，可能為GBM免疫治療提供新的免疫循環通路，延長患者生存期。

4 MRI對FUS治療過程的監測和評估

FUS治療可引起靶點位置組織溫度升高。MRI對溫度變化敏感，可連續動態監測FUS治療過程中靶點組織溫度的變化，精確測量病灶大小并定位，分辨率高，成像清晰。MRgFUS技術將熱消融與MRI相結合，可實現對病灶的精確定位，并實時監測溫度和實時反饋能量沉積，實現靶向、局部、微創和實時對目標區域給藥[19-20]。但MRgFUS治療腦部疾病可能引起一系列并發癥，如紅細胞外滲、炎癥、出血和局部組織缺血損傷等[20-21]。

MRI可通過T2加權序列識別由FUS引起的顱內出血，但其時間分辨率較低。Yang等[22]提出采用高頻破壞/再灌注對比增強顯像技術監測FUS治療過程，具有更高的時間和空間分辨率，并可實時觀察FUS治療過程中大腦灌注或損傷出血情況。由于血流速度降低的位置與BBB破裂的面積一致，而血流量變化取決于所施加的聲壓大小，因此監測血流速度的變化可能用于評估FUS誘導BBB開放程度和腦出血情況。由于FUS瞬時開放的靶點BBB范圍較小，MR常規序列平掃很難觀察到FUS對BBB開放的影響。Downs等[23]報道，FUS處理后首先獲取一組軸向MR T1WI作為基像，隨后經靜脈注射釓離子對比劑行增強掃描，可觀察到FUS作用靶點位置有異常強化，由此可評估BBB開放情況，但目前研究[23-24]對MR動態增強掃描方案以及數據分析方法等不盡相同，且相關報道較少，有待進一步觀察。

5 問題與展望

雖然FUS被認為是一種無創性方法，但用于治療腦部疾病時，亦可能對周圍組織造成一定程度的損傷，如FUS可能導致治療區域內血管收縮，使腦血管血流速度減慢甚至停止，以及靶區周圍組織熱損傷、出血及炎癥反應等。此外，目前對FUS治療腦部疾病的療效尚無相應的評判標準，對各種監測方法亦無相應的評價標準。未來應建立既能提高FUS治療腦部疾病安全性、又可對后續并發癥的診斷和治療加以指導的規范，進一步發揮FUS在腦部疾病治療中的優勢。