超聲造影劑專利技術綜述

朱小衛

摘要：超聲診斷學在疾病診斷方面占有重要地位，本文從超聲造影劑的特點及發展過程出發，對全球超聲造影劑進行專利分析，考察其技術演進過程和未來發展方向，為超聲造影劑的臨床使用、研發立項以及該領域的專利申請工作提供參考依據。

關鍵詞：超聲造影劑;診斷;穩定性;靶向性;微泡

中圖分類號：R445.11 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）06-0133-05

1 技術概述

在當前臨床診斷中，超聲成像已成為一種應用最為普遍的醫學影像技術。與其他成像方式相比，超聲能夠提供軟組織結構和血流無創實時的橫截面圖像。然而，由于血液對超聲信號的反射性差，使用常規多普勒超聲檢測血管或較深部位組織中的血流時往往圖像分辨率差，難以把正常組織和病變組織區分開來[1]。為了解決這個問題，提高診斷的準確性，人們發明了超聲造影劑（Ultrasound Contrast Agent， UCA），它是一類能顯著增強超聲背向散射強度的化學制劑，其主要成分是微氣泡，一般直徑為2um～10um[2]。

2 技術發展

UCA的產生可追溯到1968年，從UCA的出現到今天已有50余年歷史，它的組成和作用發生了很大變化，其發展歷程大致可分成四個階段：第一階段，UCA粒徑較大且不穩定，因為它的表面無包膜，內部填充空氣或氧氣，當進入血液后，很容易在氣芯和周圍液體產生的表面張力作用下破裂;第二階段，UCA主要是在表面包裹了白蛋白﹑脂類或多糖等物質，以增加其穩定性，內部填充氣體主要是空氣，這個階段出現了在臨床上獲得使用許可的產品;第三階段，致力于繼續研究如何提高UCA的穩定性和有效性。這時的造影劑不再以空氣為核心，代之以高分子氣體或惰性氣體（如全氟化碳﹑六氟化硫等），包膜材料主要為白蛋白或磷脂。與第二代UCA相比，這一階段的造影劑，因其相對柔性的外殼和穩定的氣體核心，在散射超聲信號上更高效，也更穩定，在臨床上獲得了廣泛的應用[3]。目前在世界范圍內獲得批準上市的主要造影劑及相關信息如表1所示。這些商用造影劑均為微米級的，粒徑在1～10微米之間，通過靜脈注射進入人體后，能順利通過肺循環，但不能透過血管壁，只能進行所謂的血池成像。因此，具有更小尺寸和對病變部位有靶向能力的納米級UCA就成為了研究的熱點，這也是UCA發展的第四個階段[4]。目前雖然取得了一些成果，但離臨床應用還有較大的距離，尚處于實驗室階段。

3 專利申請信息分析

3.1 數據樣本采集

本文采用中國專利文摘數據庫（CNABS）、德文特世界索引數據庫（DWPI）和世界專利文摘數據庫（SIPOABS）。針對超聲造影劑的專利申請，本文主要以超聲造影劑、超聲成像劑、 ultrasound contrast agent、 ultrasound imaging agent作為主要關鍵詞進行檢索，涉及的國際專利分類號主要為A61K49/22，檢索截止日期為2018年12月31日，文獻量1 240篇。

3.2 專利申請總體情況

3.2.1 全球專利申請態勢分析。圖1反映了全球申請的超聲造影劑專利數量年度發展變化趨勢，該領域專利最早出現在1982年，自1982年起，其技術發展按照專利申請的情況主要分為三個階段：

萌芽階段（1982—1990年）：超聲造影劑的全球專利申請量較少，年平均申請量為2件，這個時期超聲造影技術處于萌芽期，以第一代超聲造影劑的專利申請為代表，主要涉及超聲造影對比介質的研究，即可產生氣體微泡的載液溶液的制備及其在超聲造影中應用等方面的專利申請。

快速增長階段（1991—1999年）：超聲造影全球專利申請量開始呈現出迅速增長的趨勢。隨著1991德國Bayer公司超聲造影劑Echovist的上市，德國及美國等先進國家加大了超聲造影劑研究的投入，該階段的造影劑研究已經不再局限于可產生氣體微泡的載液溶液例如生理鹽水、葡萄糖溶液、雙氧水等，對超聲造影劑的研究開始轉入以空氣、高分子氣體或惰性氣體為內核造影劑研究，主要研究了以白蛋白、脂類或多糖等物質作為包裹材料在提高超聲造影劑穩定性中的應用。

技術穩定階段（2000—2018年）：隨著快速增長階段中超聲造影劑在全球上市產品的增多，各國開始了超聲造影劑的研究。然而，由于超聲造影劑穩定性差、工藝要求嚴苛、成本投入較大等問題，以及該時期內全球對其它分子成像技術例如磁共振成像、核醫學成像、光學成像等領域研究的快速增長，超聲造影劑的申請量有所下降[5]。隨著SonoVue在中國獲批上市，中國科研機構以及制藥企業也紛紛開始了超聲造影劑的研究，因此，2010年開始，超聲造影劑的申請又呈現逐年攀升的趨勢。

3.2.2 主要國家/地區/組織專利申請量分析。由圖2可以看出，超聲造影領域申請量前五位的國家/地區/組織分別是美國、中國、世界知識產權組織、日本和歐洲專利局，美國是專利申請量最多的目標國，占全球申請量的30.82%。雖然中國開始超聲造影劑的研究較晚，但是其申請量僅次于美國，比世界知識產權組織高出近10%，其主要原因在于目前超聲造影劑上市品種少，而在中國上市的品種僅SonoVue，且價格昂貴，限制了超聲造影劑在中國的使用，因此，中國對超聲造影劑的研究及申請迅速增長起來。

3.2.3 全球主要申請人分析。由圖3可知，全球排名前五的申請人主要為美國、德國、意大利先進國家中的知名制藥企業，其中第一件超聲造影劑的申請為德國先靈制藥公司，并在超聲造影劑萌芽階段引領者超聲造影劑的創新，后被德國拜耳制藥收購，其相關專利也一并轉入德國拜耳，且目前全球已經上市的超聲造影劑品種當中，德國先靈制藥研制并上市的產品占據1/4，可見其在超聲造影劑領域的創新實力。其次，排名第二的美國Molecular Biosystems公司，在超聲造影劑的萌芽及快速增長時期具有穩定的研究及申請，主要研究了蛋白微球的制備方法及其產生裝置。相比超聲造影劑領域的兩大企業巨頭，申請量最大的NYCOMED IMAGING AS公司主要集中在對造影劑材料的研究，因此，其申請量雖然相對較大，但并沒有相關上市產品。與之相比，中國申請人北京大學在全球申請人中排名第六，并且其相關研究及申請從2013年開始，主要研究靶向及多模態超聲造影劑。而且，隨著精準治療的需求，靶向制劑的研究逐漸成為研究的熱點，而不同的分子成像模式具有各自的優缺點以及應用領域，多模態成像可以克服單一成像模式的不足，引起了研究領域的廣泛關注。對于中國申請人，如圖4所示，主要申請人為大專院校、企業、個人、機關團體以及科研單位，申請量最大的為大專院校，例如北京大學、重慶醫科大學、東南大學、中山大學、哈爾濱工業大學等，申請量具有絕對優勢，其次是制藥企業，例如成都市綠科華通科技有限公司，科研單位的代表為中國科學院深圳先進技術研究院，其中大專院校以及科研單位的相關申請的專利價值較高。

3.2.4 專利技術構成分析。通過對上述專利權利要求書和說明書的人工標引和具體解讀，將超聲造影的相關專利申請技術主題劃分為5類，包括①制劑，例如脂質體、微泡、相轉變膠體、乳液、微囊等;②制備方法或工藝，例如超聲振蕩法、噴霧干燥法、反復凍融法等;③載體材料的改進，例如白蛋白、糖類、磷脂類、高分子聚合物材料等;④多模態造影，例如超聲/磁共振造影劑、超聲/熒光雙模態造影劑等;⑤制備裝置，例如生產裝置、檢測裝置等。

對于超聲造影劑的制劑研究，近年來脂質體、微泡偏多，其中中國專利CN106668882A涉及一種超聲敏感的脂質體，其通過反復凍融的方法，將脂質體磷脂雙層之間分布一定量氣體，使之在超聲作用下逐漸膨脹，爆破脂質層，使脂質體里包裹的藥物能夠定點釋放，增加藥物療效，并且脂質體磷脂雙分子層間的空氣層可增加超聲成像的散射回聲，可作為超聲成像的診斷劑，集成像與診斷于一體。EP359246A2涉及一種連續超聲處理方法用于制備蛋白包封的微泡，其通過對熱變性的生物相容性蛋白水溶液的連續超聲處理，小心地將溶液預熱到蛋白變性的初始溫度，使其不形成不溶蛋白，向溶液中加入氣態流體，超聲的過程中將含氣溶液發泡，增加微泡的形成和濃度，并進一步加熱，從而形成包裹氣體的微泡。而相轉變膠體作為超聲造影劑也具有一定量的申請及應用，例如EP680341B1涉及含有液體-液體型的膠態分散體，其中分散的液體是一種沸點低于被成像動物體溫的液體，因此在給予動物后，分散的液體相從分散液體相轉變為高度回聲的氣體泡或kugelschaum，液態的分散相使得能制成極穩定的、粒徑通常低于1 000nm的可藥用乳劑，可有效的作為超聲造影劑，對于該類造影劑，超聲作用是促進相變的最有效因素，而膠體尺度越大，形成微泡濃度越小，越易發生相變，因此，如何調整該類造影劑的粒徑大小等使之在最適宜的條件下達到最佳的相變效果，是目前有待深入研究的方面。

對于超聲造影劑制備方法或工藝研究，如EP359246A2所述，連續超聲法是制備微泡超聲造影劑的常用方法;而CN106668882A中的反復凍融一樣可以獲得高效的超聲成像劑;此外，WO9640277A2涉及使用聚合物材料溶液，通過噴霧干燥的方法將磁共振成像劑以及氣體進行包覆以獲得超聲/磁共振雙模態的成像劑，而CN104399091A則在不使用高分子聚合物材料的前提下，對可磁共振顯影的納米粒子的混懸液直接進行噴霧干燥，通過調整噴霧干燥的條件，獲得了直徑為0.5μm～8μm，壁厚10nm～500nm的超聲/磁共振雙模態造影劑，制備過程簡單、快速，所得產品穩定，差別小。

對于超聲造影劑的載體材料的研究，表1所示，糖類、白蛋白以及磷脂均為超聲造影劑常用的殼體材料，而CN105999314A則涉及以一定比例的白蛋白和磷脂作為成膜材料，以惰性氣體為核心氣體的超聲造影劑的制備，其通過在磷脂類超聲造影劑成膜材料中加入白蛋白并相應的調整二者的比例，使得微泡的成泡率增加，分散度更好，粒徑更小，體內心肌灌注效果也更好，該設計減少磷脂的比例，在保證高成泡率的基礎上降低了生產成本。

此外，隨著精準治療的需求，靶向超聲造影劑的研究及制備也出現了一定量的申請，例如US2005106105A1涉及一種用于細胞凋亡的超聲成像的方法和組合物，CN1579554A則涉及靶向傳輸基因的載基因微泡及其制備方法。根據靶組織自身的特點，設計穩定的、特異的超聲造影劑將成為該領域的重點研究方向。

4 討論

UCA的出現擴展了超聲診斷的范圍，提高了診斷的敏感性和特異性，使超聲成像進入了分子成像的時代，被譽為超聲領域的又一次革命。同時，在許多疾病的診斷上，它也是與MRI﹑CT等各具特色的成像技術。UCA的發展和應用依賴于UCA制備工藝的提高以及超聲成像設備與技術的發展。UCA的制造已經從微米級轉向納米級，靶向性的需求使得UCA的制造技術更加復雜。我們必須根據其本身的特征，通過微泡的組成或制備過程的改進，使造影劑的性能更穩定，并具備更高效地攜帶藥物及各種生物活性劑的功能。需進一步研究造影劑微泡在超聲中的反應，評價造影劑的空化效應同組織細胞損傷之間的關系。

對于國家教育部研發機構以及國家知識產權機構，應該加大研發力度，給予相關研究資金支持，鼓勵其進行專利申請，加強專利保護，提高專利轉讓及有效利用，提升授權專利的社會價值。

參考文獻：

[1] 陳志良等.超聲造影劑的研究進展[J].解放軍藥學學報，1999，2（15）：32-34.

[2] James Zhang.超聲造影劑SonoVue[J].中國醫療器械信息，2004，3（10）：14-15.

[3] 趙應征等.微泡超聲造影劑的研究進展[J].國外醫學藥學分冊，2003，5（30）：298-301.

[4] 余后強等.醫學超聲造影劑研究現狀與進展[J].生命科學儀器，2017（15）：3-7，38.

[5] William R. Hendee & Russell Ritenour. 醫學成像物理（第四版）[M].長沙：中南大學出版社，2014.