聚焦超聲增強藥物遞送治療神經退行性疾病的研究進展

王 瑞, 羅玥媛, 單海燕, 廖承德

(云南省腫瘤醫院/昆明醫科大學第三附屬醫院 放射科, 云南 昆明, 650118)

血腦屏障(BBB)是阻止有害分子進入大腦的重要保護屏障，但其同時也阻止了大分子藥物的輸送，使得大多數藥物在神經退行性疾病的治療中應用受限，這是目前神經退行性疾病治療方面的主要難題。在神經退行性變過程中, BBB的分子運輸機制可能會發生改變，進而影響治療藥物在大腦中的分布，降低其治療效率[1]。因此，開發創新性的給藥方法是促進神經退行性疾病治療成功的迫切需求。磁共振成像(MRI)引導的聚焦超聲(FUS)已被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準用于治療運動障礙患者的病變腦區，較低強度的脈沖超聲與微泡相結合能可逆性地開放BBB，從而改善藥物在大腦中的生物利用度。本文對FUS在神經退行性疾病中的應用現狀和研究進展進行綜述，旨在進一步提高FUS的安全性與有效性。

1 BBB是神經退行性疾病治療藥物傳遞的主要障礙

BBB是腦毛細血管壁與神經膠質細胞形成的血漿與腦細胞之間的屏障，主要由腦微血管內皮細胞(BMECs)、周細胞、星形膠質細胞和基底膜(BM)組成，控制著血液與腦實質之間的分子交換[2]。與其他血管內皮細胞相比, BMECs具有獨特的形態、結構和功能特征: ① BMECs緊密連接蛋白可連接相鄰內皮細胞之間的細胞旁通路，從而防止極性(水溶性)分子在血液和大腦之間的不受調節的通過; ② BMECs缺乏主動轉運機制，可調節必需分子(包括營養素和必需氨基酸)的通過，同時阻斷潛在的內源性物質和異種物質的通過[3]; ③ BMECs中存在藥物代謝酶例如CYP450酶，可導致代謝屏障的形成[4-5]。盡管BBB對維持大腦正常功能至關重要，但其亦限制了治療劑滲透到中樞神經系統的能力[6]。因此，調控BBB開放對于促進神經退行性疾病治療的發展至關重要。

2 FUS

與其他藥物傳遞方法相比, FUS具有重要的優勢，例如非侵入性、高時空精確度和可逆性，且有希望獲得額外的治療效果[7], 故FUS具有成為治療神經退行性疾病的創新多模式工具的潛力。FUS是利用換能器陣列產生多個超聲波束通過聲透鏡聚焦在目標上，使波束相交之處產生熱效應和空化效應達到治療效果，而單個波束穿過組織之處則不產生治療作用[3-4]。高強度的FUS與磁共振實時成像結合使用后可監視目標部位的溫度變化，最大限度地避免對周圍組織的損傷。目前，該技術已被應用于子宮肌瘤、前列腺癌、腎結石等疾病的治療中。另外, FUS與氣態的微泡相結合可有效而短暫地增強BBB通透性，改善藥物在大腦中的生物利用度。相關研究[8]發現，BBB的開放效應是通過超聲場中微泡和血管系統復雜的相互作用實現的，開放程度取決于超聲參數(頻率、聲壓、脈沖重復頻率、脈沖長度、超聲時間)和微泡性質。

3 微泡在FUS中的應用

微泡由白蛋白、脂質和穩定的聚合物外殼組合而成，常與FUS一起使用，其直徑約為10 μm甚至更小，一旦進入循環系統，就會迅速分散到血液中。當微泡通過會聚光束的焦點時, FUS會激活微泡，導致氣體核心的膨脹和收縮，對BMECs產生機械效應，使作用部位的BBB的內皮細胞之間的緊密連接打開，導致血管通透性增加，從而允許構成外殼或由外殼攜帶的物質得以釋放[9]。相關研究[10]證明，在動物模型中，28 kHz至8 MHz的超聲頻率結合微泡能成功打開BBB, 實現中樞神經系統的靶向藥物遞送。

4 FUS治療神經退行性疾病

盡管人們對神經退行性疾病的病理機制有所了解，且發現了具有潛力的臨床前候選藥物，但阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)癡呆和肌萎縮側索硬化癥等嚴重神經退行性疾病目前仍無治愈方法，其主要障礙是BBB的存在限制了98%～100%藥物的運輸，以致大腦中的低濃度藥物無法起到治療效果。FUS提供了一種非侵入性、局部、暫時和可逆地打開BBB的方法，可在不損害正常組織的情況下增加大腦中治療劑的局部濃度[7], 這可能為神經退行性疾病的治療提供新的途徑。

AD的病理機制主要為淀粉樣前體蛋白和淀粉樣β肽的異常周轉、代謝、沉積以及tau蛋白異常磷酸化，導致了這些蛋白的大量聚集和β-淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊的形成。Aβ斑塊被認為是AD發生與進展的危險因素和潛在原因，因此，消除或減少Aβ斑塊可能會延緩該疾病的神經變性。Aβ抗體可以減少淀粉樣斑塊的形成，但由于BBB的阻擋，其在腦內分布水平非常低(僅為給藥劑量的0.1%～2.0%), 難以在大腦中獲得有效數量的抗體而達到治療效果[11]。FUS誘導BBB開放有助于全身給藥的Aβ抗體滲透到AD的TgCRND8和APP23小鼠模型中的靶向腦區域，從而減少斑塊沉積。此外，對AD小鼠模型使用FUS聯合微泡向大腦輸送Aβ抗體，能在4 d內降低病理性的Aβ水平[12]。

帶有微泡的FUS允許內源性Aβ IgG和IgM抗體通過開放的BBB進入大腦，與皮質中的斑塊結合達到治療效果[13]。研究[14]顯示，白蛋白可以激活小膠質細胞，并與Aβ結合。對AD小鼠模型使用FUS聯合微泡的研究結果顯示，BBB開放后允許白蛋白和免疫球蛋白進入，顯然白蛋白能結合Aβ并有助于清除斑塊。這種非免疫方法可以顯著減少淀粉樣斑塊，并激活參與斑塊清除的小膠質細胞。然而，在不使用藥物的情況下，單純使用FUS能否誘導斑塊減少和臨床結局改善尚不確定。為了解決這一問題，D′HAESE P F等[15]進行后續研究發現，早期AD患者使用FUS聯合微泡后Aβ斑塊減少，表明FUS聯合微泡在沒有額外藥物的情況下也能取得良好的治療效果。KARAKATSANI M E等[16]通過單側FUS誘導BBB打開，有效減少了AD rTg4510小鼠模型的tau磷酸化，提示超聲可通過減少tau病理變化而抑制AD進展。POON C T等[17]使用體內雙光子熒光顯微鏡跟蹤經FUS治療AD的TgCRND8小鼠模型中Aβ斑塊的變化，發現經FUS治療后, Aβ斑塊數量減少27%, 斑塊表面積減小40%, 表明重復FUS治療是減少AD中晚期Aβ病理變化的有效方法。

PD的病理標志是存在富含纖維形式的α-突觸核蛋白(α-syn), 通常稱為路易病理學(LP)。PD患者腦脊液和血漿中存在α-syn, 因此，減少細胞外α-syn并防止其聚集成大的纖維簇，是PD各種免疫療法的明確治療策略[18]。迄今為止，針對異常α-syn積累的FUS促進治療的效果仍然未知，有少數研究對此進行探討并取得了積極的結果。KARMACHARYA M B等[19]探討了低頻FUS刺激對1-甲基-4-苯基吡啶離子(MPTP)處理后的PC12細胞中活性氧依賴性α-syn的影響，發現FUS刺激通過抑制活性氧的產生而抑制PC12細胞中α-syn的聚集，初步表明這種方法在清除退化大腦中積累的蛋白質方面具有可行性。XHIMA K等[20]使用磁共振引導下的FUS向高表達α-syn的轉基因小鼠無創遞送α-syn基因沉默載體病毒，治療1個月后，靶向腦區域的α-syn免疫反應性降低，而其他神經元標志物如突觸素或酪氨酸羥化酶無變化，細胞死亡和神經膠質激活保持在基線水平。由此表明, FUS可以有效地將靶向α-syn合成的病毒載體傳遞至多個大腦區域，可能有助于改變PD患者(特別是早期診斷患者)的LP進展，從而改善疾病的演變。

針對神經變性動物模型的研究[21]表明，許多不同的神經營養因子均可以保護和修復受損的神經元，其中含多巴胺的神經元對轉化生長因子-β(TGF-β)家族的神經營養因子尤其具有很強的反應性和依賴性。TGF-β家族包括膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)、神經肽和生長分化因子，這些成員的效果均已在臨床試驗中被評估，值得注意的是，其他神經營養因子也已被發現在黑質紋狀體通路中顯示出有益的效果[21-22]。但神經營養因子分子量大，無法穿過BBB, 并且會在外周迅速代謝。FUS技術可靶向性地短暫打開BBB, 促進相關神經保護劑的吸收。已有研究[23]證明, FUS有能力將足夠水平的神經肽輸送至小鼠大腦的黑質紋狀體區域，故FUS可提供比直接注射更多的因子，并使神經營養因子生物活性達到預期效果。連接腹側中腦區域和紋狀體的黑質紋狀體通路是PD中受累最嚴重的多巴胺能通路。KARAKATSANI M E等[24]在PD小鼠模型中利用FUS向左紋狀體和中腦遞送腺相關病毒(AAV)-膠質細胞源性神經營養因子(GDNF), 結果顯示多巴胺能神經元細胞體在使用通過FUS誘導的BBB開口擴散的AAV-GDNF后表現出58.4%的上調，改善了PD小鼠的多巴胺相關行為改變，證實了FUS促進的病毒遞送有助于減緩或修復神經退行性疾病中的神經元損傷。LIN C Y等[25]將攜帶基因的脂質體與FUS聯合，以提高PD小鼠模型中的GDNF基因遞送效率，發現FUS開放BBB后可以實現基因-脂質體復合物的局灶遞送成功并改善神經元功能，延緩運動相關行為異常的進展。由此表明，基因-脂質體復合物協同FUS技術可以作為PD動物治療的有效基因治療策略，并且可能具有進一步應用于神經退行性疾病基因治療的潛力。

5 總結和展望

目前, FUS單獨應用或與微泡聯合應用介導BBB開放，是一種快速、有效和非侵入性將治療藥物輸送至大腦的方式，有望改變神經退行性疾病的治療現狀。盡管FUS在基礎研究和臨床研究中都顯示出良好的應用前景，但仍存在著許多未知領域，例如人腦中局部的BBB開放如何影響藥物在神經退行性腦環境中的藥代動力學、FUS的長期安全性等。未來，醫學研究人員還應精心設計基礎研究、臨床試驗和生物醫學工程在內的跨學科研究，努力提高FUS的安全性、有效性，從而為FUS技術在神經退行性疾病中的成功應用鋪平道路。