相变纳米造影剂联合HIFU应用研究进展

伍学翠，赵 云，刘朝奇

(三峡大学医学院，湖北 宜昌 443002)

HIFU现已应用于临床治疗多部位良、恶性实体肿瘤与非肿瘤病变，具有安全性和可行性[1-2]。与既往治疗肿瘤的方式(如手术、放疗、化疗等)不同，HIFU是在体外将低能量超声波聚焦于固定靶点，利用热效应、空化效应等诱导目标区域组织消融坏死，具有微创、无辐射、患者痛苦小和术后恢复快等优点。但HIFU治疗深部组织时存在声能衰减、血液循环带走的热量影响凝固性坏死的发生、对周围正常组织有损伤等问题[3]，限制了其在临床的应用。相变纳米造影剂又称纳米液滴，是一种多功能、多模态分子探针，具有分子粒径小(100～300 nm，可自由穿过肿瘤血管内皮间隙到达组织内部)、载药量高、靶向性好、存留时间长及性质稳定等优点，可用于疾病的早期诊断与治疗，并有望成为HIFU治疗的良好增效剂[4]。本文对相变纳米造影剂联合HIFU的应用研究进展进行综述。

1 相变纳米造影剂联合HIFU的增效机制

1.1 增强热效应 HIFU主要利用热效应治疗肿瘤，以高温致肿瘤组织热消融坏死，从而达到治疗目的。Phillips等[5]利用十氟丁烷和十二氟戊烷制备的双氟碳纳米液滴在组织模型中观察HIFU的治疗效果，结果表明，与单纯HIFU治疗组相比，联合普通微泡和纳米液滴组靶点区域的温度分别提高16.9%和37.0%：当普通微泡浓度达0.05 μl/ml时，所产生的损伤主要发生在模型表面，而并非靶点中心；将纳米液滴浓度增加至0.1 μl/ml，在模型中的损伤仍位于靶点周围。Moyer等[6]制备了双氟碳纳米液滴，通过静脉注射纳米液滴或微泡造影剂后5、15、95 min，利用MR引导HIFU照射大鼠肝脏，同时测量治疗期间靶点区域温度变化及消融区域大小，与微泡相比，纳米液滴可显著增强靶区的热传递，缩短HIFU的治疗时间，而不增加皮肤灼伤的风险。因此，纳米液滴用于增强HIFU热效应更安全，且有较好的增强靶区热沉积，同时可缩短治疗时间。

1.2 增强空化效应 与增强热效应相比，超声治疗利用空化效应诱导肿瘤细胞凋亡已成为研究热点。然而人体自身软组织和血液内能产生的空化核数量有限。作为一种有效的空化核，微泡造影剂可降低诱导生物效应所需的能量[7]。靶向相变纳米造影剂具有时间特异性和空间特异性，可以到达特定靶组织或靶器官，且长时间在病灶组织内聚积，产生更稳定的空化核，可有效增强HIFU的治疗效果。Zhang等[8]利用白蛋白包裹十二氟戊烷制成纳米液滴，证明气化的纳米液滴可降低凝胶模型中形成惯性空化(inertial cavitation， IC)的阈值；纳米液滴联合HIFU可提供更多的空化核，缩短治疗时间，加速HIFU介导的热效应，增强治疗潜能。

1.3 精准定位及显影 未气化前，相变纳米造影剂信噪比低，显影效果差；采用适当方式使其气化，可显著提高反向散射频率的回波信号，增强回声，提高对比增强的效果，使病灶图像更清晰。相变纳米造影剂可用于HIFU治疗的准确定位，在提高HIFU治疗效果的同时避免损伤周围正常组织[5-6]。

1.4 协同作用 研究[9]表明，HIFU在作为治疗性超声的同时还能增强靶向载药微泡对药物的释放。HIFU用于治疗时，往往不能将肿瘤细胞完全消融，残余的肿瘤细胞易导致肿瘤复发与转移。Zhang等[10]以聚乳酸-羟基乙酸共聚物为材料，制备携载氨甲蝶呤的多功能纳米液滴，通过将单克隆抗体-HLA-G缀合到纳米液滴表面，联合HIFU治疗接种绒毛膜癌的裸鼠，证实纳米液滴介导的氨甲蝶呤具有辅助杀灭HIFU治疗后的残余肿瘤细胞、防止复发与转移的效果。相变纳米造影剂与HIFU协同，在肿瘤治疗方面具有很高的应用价值。

2 制备增效HIFU相变纳米造影剂的材料

目前HIFU治疗时主要通过超声或MRI进行监测。纳米液滴主要通过声致相变、光致相变、磁致相变的方式激发[11]，在原位发生液-气相转换，同时能在增强CT、MRI、超声、光声成像等多种影像学检查中显影。Zhao等[12]制备带有超顺磁性氧化铁纳米颗粒，发现其在高温作用下可发生相变，具有MRI和超声显像的双模态显影功能，在体内外实验中采用近红外光诱导，可达到增强肿瘤消融的效果。相变纳米造影剂的双模态及多模态显影功能可为多种影像学检查技术的交叉融合奠定基础。

研究[13]表明，全氟碳化合物是用于制备纳米液滴核心的理想化合物。全氟碳化合物属于惰性液体乳剂，具有高分子量、小剂量、无毒的特性，不溶于水，表面张力低，可在循环中稳定存在。不同的全氟碳化合物在体内稳定持续的时间亦不同[14]，故可将其用于在靶部位聚积和载药时持续释放药物。有研究[15]发现以不同壳膜制备纳米液滴影响其在体内存留的时间。目前多选用白蛋白、脂质和高分子材料作为壳膜材料，但这些材料在使用时需有机溶剂进行溶解，未清洗干净的有机溶剂进入体内会产生生物毒性。壳聚糖(chitosan， CS)是一种天然存在的氨基酸多糖，可被生物体内的溶菌酶降解，具有无毒、生物相容性、生物降解性等特点[16]，是药物递送和基因治疗的良好载体。Yang等[17]成功将CS衍生物羧甲基己酰基CS(carboxymethyl hexanoyl chitosan， CHC)与超顺磁性氧化铁纳米粒子相结合，分别用于超声和MRI包裹疏水性抗肿瘤药物特异性治疗肿瘤。另有研究者[18]利用介孔二氧化硅制备纳米液滴壳膜，取得了一定成果。

3 相变纳米造影剂联合HIFU的靶向治疗

纳米液滴可用于疾病的早期诊断与治疗。经静脉注射后，纳米液滴主要通过被动靶向和主动靶向聚积至靶区。被动靶向纳米液滴未经修饰处理，目前研究最广泛的为声辐射力法(如超声微泡靶向破坏技术)和微磁靶向(将超顺磁性颗粒连于纳米液滴壳膜表面，用外界磁场作用使纳米液滴聚集至靶区)。主动靶向是于纳米液滴壳膜表面连接分子特异性配体或抗体，与靶器官或组织上的受体结合，达到特异性靶区显影。研究者[19-20]通过一系列体内外实验证实了相变纳米造影剂的靶区显影效果，选择具有分子量小、低毒性、稳定性好、高度靶向性及低免疫原性配体或抗体是其中的关键[21]。Marshalek等[20]制备载叶酸受体的靶向性纳米液滴，分别将其与乳腺癌细胞MDA-MB-231和MCF-7以1∶1的比例共同温育1 h，然后进行超声波处理(9 MHz，机械指数1.0或1.5)，用于共聚焦显微镜成像，结果显示，MDA-MB-231细胞内的靶向性纳米液滴浓度是非靶向性纳米液滴的45倍，细胞内MCF-7增加了7倍，表明靶向性纳米液滴具有精准的细胞内成像或治疗性递送效果。

Ashida等[22]用载阿霉素的纳米液滴联合脉冲高强度聚焦超声治疗接种大肠癌的小鼠2周，连续观察30天，发现4只小鼠中的3只无明显肿瘤再生现象，提示该技术或有可望用于局部治疗晚期肿瘤。Zhang等[23]采用携多柔比星(doxorubicin， DOX)的纳米液滴进行体内外实验，发现在HIFU暴露下，纳米粒子发生液-气相变，具有同时增强超声和光声成像的功能，在监测肿瘤治疗的同时可局部释放药物DOX，同时实现靶组织的凝固性坏死，有利于增强局部抗肿瘤效果。用于靶向治疗的肿瘤归巢肽是目前的研究热点，新型肿瘤靶向肽iRGD可特异性靶向肿瘤ανβ3阳性细胞。Deng等[24]制备联合靶向肽iRGD的脂质纳米液滴并携载DOX，发现其与HIFU联合具有协同抗肿瘤效应。多功能纳米液滴和HIFU联合应用具有降低纳米液滴的不良反应和增强疗效的作用，同时还为局部治疗晚期难治性肿瘤及肿瘤复发和转移[10]提供了新的方法及思路。

如何安全有效地将药物递送至中枢神经系统是目前研究的热点和难点。由于血脑屏障(blood brain barrier, BBB)的存在，静脉给药或口服给药后通过BBB到达中枢神经系统的药物十分有限，降低了治疗效果。聚焦超声联合微泡可有效开放BBB，起到药物递送作用[25]，但均会对脑组织造成不同程度损伤[26]。Cherry等[27]制备含脂质壳成分的微泡和以全氟丁烷为核心的纳米液滴，发现在HIFU作用下，BBB的通透性增加，与普通微泡相比，纳米液滴所需的压力阈值更高，空化阈值更低、更稳定，提示纳米液滴联合聚焦超声可开放BBB，从而将药物有效递送至中枢神经系统。

4 问题与展望

相变纳米造影剂联合HIFU用于治疗疾病涉及多学科、多领域，虽然已经取得了一定研究进展，但目前对相变纳米造影剂联合HIFU的应用仍有许多亟待解决的问题：相变纳米造影剂制备技术复杂，工艺不一，制备材料和方法目前还处于实验研究阶段；HIFU辐照参数未完全统一，设置不当会引起组织损伤，需进一步优化；相变纳米造影剂的安全剂量也尚未确定。对于相变纳米造影剂联合HIFU的应用还需更进一步的深入研究。