超聲技術(shù)應(yīng)用于帕金森病的研究進(jìn)展

張一平，陳蕓，鄭婷婷

1.安徽醫(yī)科大學(xué)北京大學(xué)深圳醫(yī)院臨床學(xué)院，廣東深圳 518036；2.北京大學(xué)深圳醫(yī)院超聲影像科，廣東深圳 518036；3.深圳北京大學(xué)香港科技大學(xué)醫(yī)學(xué)中心，廣東深圳 518036

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一種常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要臨床癥狀為肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫和姿勢(shì)步態(tài)異常等運(yùn)動(dòng)功能障礙及抑郁、焦慮、睡眠障礙、嗅覺(jué)障礙、便秘、精神癥狀等非運(yùn)動(dòng)癥狀[1-2]。年齡與PD 發(fā)病至關(guān)重要，該病隨年齡增長(zhǎng)呈現(xiàn)發(fā)病率逐年增高的趨勢(shì)[3]。在我國(guó)，65歲以上PD 患病率約為190/10 萬(wàn)[4]。隨著人口老齡化的加劇，患病人數(shù)進(jìn)一步增加，我國(guó)總體社會(huì)經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療負(fù)擔(dān)也隨之加重。因此，PD 的發(fā)病機(jī)制與診療方案是擺在國(guó)內(nèi)外研究者面前的重要課題。

PD 的臨床診斷主要基于運(yùn)動(dòng)特征，如緩慢進(jìn)行性的非對(duì)稱性靜止性震顫、肢體僵直和運(yùn)動(dòng)遲緩。PD 的發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，目前認(rèn)為可能與年齡、遺傳、環(huán)境污染及頭部外傷等有關(guān)。PD的病理特征是黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元缺失[5-6]和錯(cuò)誤折疊的a-synuclein 蛋白積累[7-8]。當(dāng)患者首次診斷出PD 時(shí)，黑質(zhì)致密部中的很大一部分多巴胺能神經(jīng)元已經(jīng)丟失[9]，其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)區(qū)域也已出現(xiàn)神經(jīng)退化。

超聲影像學(xué)是一種利用超聲波的物理特性和人體組織聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行成像，結(jié)合解剖學(xué)、病理生理學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科的醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)。因其成像能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)廣為應(yīng)用的診斷手段之一。對(duì)于PD，超聲技術(shù)的應(yīng)用也不局限于單一成像診斷功能，而是逐漸向診斷、靶向給藥、神經(jīng)調(diào)控等多方面發(fā)展。

1 成像診斷

PD 患者早期臨床表現(xiàn)不明顯，僅通過(guò)臨床癥狀難以支持診斷。尸檢和神經(jīng)影像學(xué)研究表明，PD 的相關(guān)神經(jīng)元功能障礙、細(xì)胞丟失比患者的臨床癥狀出現(xiàn)及臨床確診早了幾年[10]，這一臨床前階段極有可能是成功啟動(dòng)神經(jīng)保護(hù)干預(yù)的時(shí)間窗。因此，非常需要準(zhǔn)確且及時(shí)的診斷手段。由于PD 的臨床癥狀與原發(fā)性震顫等其他運(yùn)動(dòng)障礙性疾病重疊，明確診斷變得十分困難。尤其是在疾病的早期階段，更難以鑒別，PD 早期誤診率高達(dá)20%～30%[11]。

1.1 經(jīng)顱黑質(zhì)超聲成像

經(jīng)顱超聲檢查是一種新型的無(wú)創(chuàng)神經(jīng)檢查技術(shù)。它能在體外經(jīng)顳骨窗探測(cè)顱內(nèi)中腦黑質(zhì)異常病變，具有無(wú)創(chuàng)、方便、價(jià)廉、實(shí)時(shí)成像、檢查時(shí)間短、患者檢查中不必完全制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。1995 年Becker等人首次提出PD 患者黑質(zhì)高回聲，其定義為黑質(zhì)回聲區(qū)域擴(kuò)大，臨界值在0.20～0.25cm2，產(chǎn)生的原因可能是黑質(zhì)中異常鐵蛋白化合物的沉積。1924 年Lehermitte 等[12]發(fā)現(xiàn)PD 患者的黑質(zhì)內(nèi)鐵蛋白含量異常升高，提出黑質(zhì)中鐵蛋白的增加與PD 的病理進(jìn)程具有相關(guān)性的猜想，此后有學(xué)者陸續(xù)驗(yàn)證此觀點(diǎn)。Berg 等[13]在大鼠黑質(zhì)內(nèi)人為提升鐵蛋白化合物的含量，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物出現(xiàn)類似PD 的運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫等生物學(xué)行為。Berg 等[14]的后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)約90%的PD 患者黑質(zhì)中都出現(xiàn)高回聲區(qū)。相比之下，只有約10%的健康人群和非典型帕金森綜合征患者可檢測(cè)到黑質(zhì)高回聲[15]。經(jīng)顱超聲檢查的優(yōu)點(diǎn)包括技術(shù)設(shè)備成本低、可用性廣、無(wú)創(chuàng)性、可重復(fù)性和床邊可用性等。但其也有一定局限，如較依賴于檢查人員的經(jīng)驗(yàn)，且5%～20%的患者顳骨窗不足以供操作者觀察到目標(biāo)區(qū)域。

1.2 功能超聲成像

使用多普勒超聲評(píng)估腦血流并不新鮮，在過(guò)去的幾十年里，經(jīng)顱彩色多普勒超聲已被常規(guī)用于臨床監(jiān)測(cè)腦內(nèi)大動(dòng)脈的血流[16]。然而其靈敏度有限，無(wú)法監(jiān)測(cè)較小血管的緩慢血流，也無(wú)法建立詳細(xì)的腦血管圖。在過(guò)去十年中，每秒數(shù)千幀的超快速超聲成像出現(xiàn)，使超聲對(duì)緩慢血流運(yùn)動(dòng)的靈敏度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[17-18]。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，Macé 等[19]研究證明超快速超聲成像能檢測(cè)到神經(jīng)-血管耦合引起的微妙的血流量增加，從而引出功能超聲成像（functional ultrasound imaging，fUS）的概念。fUS可通過(guò)研究靜息狀態(tài)下大腦結(jié)構(gòu)之間的活動(dòng)相關(guān)性，了解大腦靜息狀態(tài)功能連接，以此非侵入地繪制大腦動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖[20-22]。

2 治療應(yīng)用

在臨床上，疾病的診斷并不是終極醫(yī)學(xué)目標(biāo)。早發(fā)現(xiàn)、早診斷之后的及時(shí)有效治療也極為重要。已有大量數(shù)據(jù)證實(shí)，超聲技術(shù)在PD 的治療方面有廣泛的前景。

2.1 靶向給藥

目前臨床上多采用多巴胺類藥物治療PD，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病因血腦屏障的存在，使藥物治療無(wú)法發(fā)揮其真正效用，越來(lái)越多的研究者嘗試靶向藥物治療。人們發(fā)現(xiàn)之前用于造影劑的超聲微泡，其可修飾的磷脂分子層也可作為藥物載體發(fā)揮效用[23]，還可利用超聲空化效應(yīng)開(kāi)放血腦屏障，聚焦超聲輻射使其在目標(biāo)區(qū)域釋放藥物，提高目標(biāo)區(qū)域藥物濃度，實(shí)現(xiàn)藥物靶向輸送[24]。

2.1.1 超聲介導(dǎo)微泡開(kāi)放血腦屏障 血腦屏障通過(guò)調(diào)節(jié)物質(zhì)進(jìn)出大腦，在維持神經(jīng)活動(dòng)高度精確的腦微環(huán)境中起著至關(guān)重要的保護(hù)作用。血腦屏障的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是具有緊密連接的腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、主動(dòng)外排轉(zhuǎn)運(yùn)體和主要促進(jìn)因子，它們共同促成血腦屏障極低的細(xì)胞旁通透性和跨細(xì)胞通透性[25]。此外，內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞共同形成神經(jīng)血管單元，并通過(guò)分泌多種因子相互作用調(diào)控血腦屏障微循環(huán)的發(fā)育和功能[26]。上述因素可使血腦屏障對(duì)腦組織與血液物質(zhì)交換形成一種動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，但也限制了藥物進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)，是限制中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療效果的主要因素。

低強(qiáng)度聚焦超聲是一種非侵入性技術(shù)，它結(jié)合靜脈注射微泡，在微泡穩(wěn)定空化作用的幫助下，可瞬間可逆地破壞血腦屏障[27]。Sheikov 等[28]通過(guò)觀察超聲處理后不同時(shí)間的緊密連接特異性跨膜蛋白和膜下ZO-1 的分布，發(fā)現(xiàn)超聲處理4h 內(nèi)可觀測(cè)到緊密連接特異性跨膜蛋白和膜下ZO-1 的免疫信號(hào)的重新分布或部分丟失，且在超聲處理后6h 和24h 觀測(cè)到緊密連接的屏障功能幾乎完全恢復(fù)，提示聚焦超聲聯(lián)合微泡可引起短暫可逆的血腦屏障開(kāi)放。

2.1.2 應(yīng)用 McDannold 等[29]嘗試在磁共振成像的引導(dǎo)下，將聚焦超聲聯(lián)合微泡安全地作用于特定的顱內(nèi)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)對(duì)鄰近正常腦細(xì)胞的毒性可忽略不計(jì)。微泡的使用可極大降低超聲開(kāi)放血腦屏障的聲強(qiáng)閾值，并有效降低超聲熱效應(yīng)對(duì)腦組織的損害。然而，聲學(xué)能量的增加與不良反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增加呈正相關(guān)，可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)包括血管損傷、水腫、實(shí)質(zhì)損傷、微出血和免疫系統(tǒng)過(guò)度激活（如自身免疫）等[30-31]。Aryal 等[32]嘗試降低fUS 的聲壓和占空比（1%～5%），持續(xù)作用0.5～1min，發(fā)現(xiàn)大部分實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可自行恢復(fù)，且未出現(xiàn)異常。

2.2 神經(jīng)調(diào)控

皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)大腦環(huán)路功能異常是導(dǎo)致腦功能疾病發(fā)生的重要病因，研究者嘗試刺激相應(yīng)靶點(diǎn)的方式減輕癥狀，其機(jī)制是通過(guò)刺激相應(yīng)靶點(diǎn)進(jìn)而刺激相應(yīng)回路引起皮質(zhì)和下行神經(jīng)的改變[33-34]。而神經(jīng)調(diào)控是采用侵入性或非侵入性技術(shù)，以物理性（光、磁、電、聲）或化學(xué)性手段調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)、外周神經(jīng)或自主神經(jīng)活性，從而改善患病人群的癥狀，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供新的解決思路。

2.2.1 目前常用的神經(jīng)調(diào)控技術(shù) 深部腦刺激（deep brain stimulation，DBS）俗稱腦起搏器，是目前應(yīng)用率最高、接受度最廣的侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，它是通過(guò)利用慢性高頻直流電刺激靶區(qū)[35]，進(jìn)而控制PD患者震顫、痙攣和僵直等運(yùn)動(dòng)癥狀。美國(guó)食品藥品管理局1997 年批準(zhǔn)DBS 治療特發(fā)性震顫，2002 年批準(zhǔn)采用下丘腦DBS 治療PD，2003 年批準(zhǔn)采用腦蒼白球DBS 治療PD 和肌張力障礙，極大地肯定了DBS 的可行性。除DBS 外，研究者也研發(fā)了其他神經(jīng)刺激療法，如經(jīng)顱磁刺激將電流傳遞至目標(biāo)皮質(zhì)區(qū)，誘導(dǎo)神經(jīng)元興奮，治療癲癇和抑郁癥[36]。不過(guò)以上技術(shù)均存在一定的限制，如DBS 需要定期更換電池，使顱內(nèi)出血、感染的風(fēng)險(xiǎn)大幅提升[37]；經(jīng)顱磁刺激的空間分辨率只有厘米量級(jí)，難以刺激大腦皮質(zhì)下深層組織。而經(jīng)顱聚焦超聲因其非侵入性、高滲透性、高空間分辨率（毫米級(jí)）等優(yōu)勢(shì)，在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域頗為矚目。

2.2.2 經(jīng)顱聚焦超聲 與診斷性超聲檢查（頻率在兆赫級(jí)）不同，經(jīng)顱聚焦超聲使用的頻率是中頻（650kHz）或低頻（220kHz）；聚焦超聲誘導(dǎo)消融的機(jī)制與使用的頻率相關(guān)，例如中頻超聲主要產(chǎn)生熱消融，而低頻超聲通過(guò)空化作用或組織摩擦實(shí)現(xiàn)消融，其中超聲波與組織內(nèi)聚集的微泡相互作用，導(dǎo)致這些微泡的快速振蕩崩解對(duì)組織產(chǎn)生損傷[38]。Elias 等[39]利用聚焦超聲和外科射頻消融分別作用于豬丘腦病變，并在每次治療后使用標(biāo)準(zhǔn)的臨床損傷參數(shù)，在早期（<72h）、亞急性期（1 周）和后期（1～3 個(gè)月）分別進(jìn)行臨床、磁共振成像和組織學(xué)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)聚焦超聲可使細(xì)胞蛋白變性，并在磁共振成像的T2加權(quán)上產(chǎn)生3 個(gè)單獨(dú)的區(qū)域：中心混合信號(hào)（中心壞死區(qū)）、周邊高信號(hào)（細(xì)胞凋亡區(qū)）及周圍血管源性水腫區(qū)，結(jié)果顯示經(jīng)顱聚焦超聲和外科射頻消融治療病變的過(guò)程演變相似，但外科射頻消融治療具有更多的延遲效應(yīng)，導(dǎo)致超出丘腦靶區(qū)以外的白質(zhì)組織損傷。

對(duì)于PD，經(jīng)顱fUS 消融蒼白球內(nèi)側(cè)核和丘腦底核已有報(bào)道。Magara 等[40]對(duì)13 例PD 患者進(jìn)行單側(cè)蒼白球丘腦束消融術(shù)，4 例患者僅在峰值能量時(shí)進(jìn)行1 次超聲治療，其余9 例患者進(jìn)行4 次超聲治療，后者3 個(gè)月的預(yù)后明顯優(yōu)于前者?；谶@些結(jié)果，正在進(jìn)行更大規(guī)模的試驗(yàn)，以探索fUS 消融在晚期PD患者中的適用性。周慧[41]證實(shí)聚焦超聲輻射刺激深部腦核團(tuán)丘腦底核和蒼白球內(nèi)側(cè)核可改善PD 小鼠的運(yùn)動(dòng)癥狀，并證實(shí)聚焦超聲可提高多巴胺能神經(jīng)元的抗氧化應(yīng)激能力和抑制神經(jīng)炎癥能力。

經(jīng)顱聚焦超聲是一種前景廣闊的消融技術(shù)。它與磁共振成像的集成應(yīng)用使得非侵入性治療與大腦解剖層面的監(jiān)測(cè)相結(jié)合，使得越來(lái)越多不能或不愿接受DBS 的患者有了新的治療選擇。神經(jīng)成像和超聲算法的進(jìn)步也提高fUS 的安全性、有效性和效率。傳感器技術(shù)的改進(jìn)也將突破當(dāng)前技術(shù)無(wú)法訪問(wèn)的大腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 總結(jié)與展望

超聲技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于臨床疾病的診斷中。同時(shí)，隨著對(duì)超聲生物學(xué)效能研究開(kāi)發(fā)，不斷開(kāi)拓臨床應(yīng)用領(lǐng)域研究，結(jié)合藥理、病理、物理、信息技術(shù)等，超聲還在治療、調(diào)控等方面煥發(fā)出新的活力?？傊?，超聲技術(shù)已從單一的影像診斷功能逐漸擴(kuò)展成為對(duì)成像、調(diào)控、治療的多功能的臨床和科學(xué)研究工具。