增强超声在输送药物至大脑和中枢神经系统领域的应用

1、 增强超声在输送药物至大脑和中枢神经系统领域的应用 【据Int. J. Hyperthermia2012年6月报道】题：应用增强超声将药物输送至大脑和中枢神经系统（作者MEAGHAN A. OREILLY等） 应用超声波来提高药物输送到大脑和中枢神经系统的可能性这一问题越来越引起大家的关注。大脑和中枢神经系统疾病对药物治疗的低敏感性主要原因是存在血脑屏障(BBB)。近年来环绕BBB展开的技术即通过高侵入性或破坏大部分BBB以暴露出大脑的病原体。然而超声波可以将药物通过完整的颅骨送到大脑，并达到无创。当超声波与微型气泡联合应用,超声波可以安全地诱导血脑屏障短暂的、局部的、可逆的开放，使治疗药通过

2、血脑屏障，达到治疗目的。迄今为止的调查，我们可以看到应用超声波输送治疗药物通过BBB在治疗动物模型的原发性和转移性脑癌以及阿尔茨海默氏病有着很大的积极作用。该综述考察了对于当前药物输送到大脑和中枢神经系统受到BBB的阻断的情况,而在应用增强超声运输药物，已经顺利通过BBB。加拿大多伦多新宁研究所的MEAGHAN A. OREILLY及多伦多大学的学者们围绕增强超声在输送药物至大脑和中枢神经系统领域的应用优势及进展方面进行了综述。一、引言由于存在限制传递的脉管系统,对于药物能否输送到中枢神经系统(CNS)是巨大的挑战。其中最重要的障碍是血脑屏障(BBB),它是营养物质和废物在血液和脑组织交换的通

3、道，而且能防止病原体及大分子进入脑实质，对大脑起到保护作用。于身体的其他部位的内皮细胞不同的是,BBB大脑内皮细胞有两个关键特征:1.紧密连接，抑制转运。2.和囊泡相关的主动转运。 BBB抑制98%的小分子药物和100%的大分子药物进入大脑组织。同时世界卫生组织在2006年报道，神经障碍疾病、脑癌和中枢神经系统疾病,在全球高收入国家的发生率为11%，低收入国家发生率为4.5%。脑肿瘤患者的BBB受损，然而,事实已经证明肿瘤组织及健康组织均很难充分吸收抗癌药物，达到成功的治疗，因此脑部癌症及非癌脑病的药物治疗非常难进行的。手而术方案总是存在是高侵入性，对正常的组织损害很大。 由于对于BBB尚没有

4、有效药物治疗方案，所以许多神经障碍疾病无法实施手术。对于不能通过血脑屏障的药物，可以选择直接将药物注射进入大脑组织或注射高渗的溶液，但这些方法还没有被广泛的应用，他们要么高侵入性,如直接注入,可破坏在整个BBB；对于高渗溶液，治疗剂量的情况下正常的大脑组织也会受到破坏。因此,应用局部的、非侵入性的药物治疗大脑疾病的同时，BBB也会受到破坏。二、超声波诱导血脑屏障中断 1950年代，Bakay等人首例报道了应用高强度聚焦超声(HIFU)中断BBB。超声波介导下应用热疗和和非热疗均可诱导BBBD。这两种方法将在下面部分介绍。三、热疗法和和空化现象的辅助作用 近年来用HIFU诱导BBBD的研究中发现

5、，BBBD后可以不产生离散病变，但会发生些出血。首次研究显示，在治疗期间谐波检测显示BBBD后没有相继的损害，主要展示了空化方法的辅助作用。早期的研究观察到，空化现象和热疗方法可以导致BBBD。 2004年研究表明，热疗法诱导BBBD后损伤正常脑组织时，热量的临界值。在研究中,用核磁共振测温法监测，在温度逐渐上升过程中连续使用声波。该研究得出结论,热诱导BBBD总是伴随着一些组织损伤。尽管如此,超声波在改善药物输送至大脑的问题上也是一个重要角色。在体外,已证实适度的高热超声波可以使疏水分子通过内皮细胞。在灵长类动物的研究中，采取对大脑组织直接注射脂质体增加超声波在脑组织中的扩散,因此热疗机制是

6、可行的。超声波热疗已是放射治疗脑肿瘤的一种辅助手段。继开颅手术和一些积极的治疗方案后加以超声波热疗能增加卡铂等化疗药物的治疗效果。如果BBB被肿瘤受累,超声波热疗可以提高药物的扩散率到达肿瘤。聚焦超声联合热烧蚀肿瘤可以使化疗药物到达肿瘤边缘以及杀死剩余的细胞。然而,如果诱导BBBD,它可能不适合非肿瘤的治疗，因为对正常组织不造成损害是至关重要的。 聚焦超声的空化增强现象，可以诱导BBBD，且对大脑无损害。此外,大脑的惯性空化很难控制。在大脑很难安全地诱导局部惯性空化,因为惯性空化发生易在一些特殊的区域发生,如在组织/流体界面。在波士顿,对一例患者，应用聚焦超声的空化增强消融脑部肿瘤。这个病人死

7、于治疗后几天内发生的出血,这可能和治疗有关也可能无关。 热疗增强药物的运输在脑部疾病中有一些潜在的作用,聚焦超声的空化增强可以用来中断BBB。因此,这些区域研究兴趣集中在使用预成型的微型气泡提高超声波的应用价值。三、微泡介导 2001年,Hynynen 等人演示了使用预制的微型增强气泡，可靠地诱导BBBD，且没有造成组织损伤。他们演示了使用微型气泡联合HIFU可诱导BBBD,避免组织损伤,且BBB得到恢复的时间是在使用FUS后24小时内。 对于经颅治疗，脉冲长度和治疗强度需足够低,以避免头骨加热。Hynynen 等人是首例使用磁共振来指导声处理和通过增强MRI评估通破坏程度。 在该项研究之后,

8、于微型气泡关的诱导BBBD的超声波参数广泛被关注。短脉冲，微秒或几秒就能够中断BBB。通常情况下,BBBD的水平随脉冲时间而增加,然而对于大于10毫秒与10ms破裂没有太大的差别。这可能是因为微型气泡是在第一个10 ms破裂,因此额外的破裂时间里缺乏行为泡沫。中断/补给特点在脉冲设计是一个重要的考虑因素，因为他们也影响选择脉冲重复的频率。 动物模型的试验中，在频率范围从至28 kHz至8 mhz的前提下，微型气泡可以中断BBB，该结论已被证实。 中断BBB的阈值与受机械指数影响的超声波频率有关（机械指数(MI)：压力/ 频率1/2）。 而这种关系频率要求大约是从0.25 - 2 Mhz，如果一

9、个非常低的频率(28千赫)对应于一个非常高的机械指数(大约是McDannold 等人报道10倍)的研究中，诱导BBB中断,结果显示机械指数可能不适用在这种极端的频率。在实践中,频率范围大约0.2 -1.5 mhz是脑的理想超声频率(更高的频率可减少头骨渗透能力)。更高的频率能更好的集中定位及抑制驻波。基于上述考虑,可以为特定的应用程序或模型选择一个适合的频率和压力。对于一个30s的超声处理过程，10毫秒脉冲和脉冲重复频率是1hz,中断阈值大约是MI：0.46。然而,治疗效果增加的同时治疗时间也增加了,并可能对组织产生损伤。 其他参数对于诱导BBBD。 一些研究发现增加微泡剂量会增加组织损伤程度

10、。MB的类型和大小也似乎影响破坏的结果。两种微泡,Definity和Optison,被发现有类似的破坏阈值，但后者似乎更明显的影响BBBD。 MB的大小也影响BBBD。 在同一频率(1.5兆赫)，相同的压力，但MB的大小与频率可以改变情况下，单径弥散的微泡，1 - 2毫米MBs比4 - 5或6 - 8毫米MBs产生更适度的效果，特别是当MBs的大小于共振的频率一致的时候。 作者还介绍了关于线性震荡微泡,无阻尼共振频率可以通过以下方程预测：（是多方指数、R0是初始半径, 是周围介质的密度，P0是环境压力），说明了共振频率可作为微泡半径、微泡共振径向位移的一个函数四、机制（一）细胞机制 应用电子显

11、微镜，已经证明超声波和微型气泡对于中断BBB和增加血瘤屏障(BTB)的细胞转运通道有重要意义。 通过电子显微镜观察， 发现经FUS诱导后细胞运送的特点是囊泡的增加,和细胞质膜微囊蛋白-1和细胞质膜微囊蛋白-2的增量调节。 动物大脑的微脉管系统多光子成像在BBBD过程中，示踪剂通过中断的BBB，显示了不同的泄漏特点。 在动脉和毛细血管的膜泡运输比小静脉是更普遍。此外,在双频研究(0.26和0.69 MHz) 中,膜泡运输的频率更低。在组织学上,增加频率后红细胞(RBC)单位面积增加。这可能是由于高频率转运通道主导BBBD,允许更多的红细胞,通过通道渗透到组织，反之亦然。 然而,在较低的频率下改进

12、膜泡运输和降低红细胞的渗透也可能是不相关的,需要做进一步的调查。机械指数和泡沫共振及膜泡运输有关联。使用光子显微镜,曹等人发现,在固定的频率下，较低的压力可减慢或改善微脉管系统持续泄漏。这虽然只是在单一频率条件下调查BBBD阈值对机械指数的依赖，表明诱导不同模式的通道需要依赖不同的机械指数。泡沫振荡需在共振的条件下是一个重要的因素，否则微气泡的共振在脉管系统可能会有不同的效果。例如,通过超声微泡对血管壁产生切应力可能是细胞运送的一个引发剂。气泡行为的物理机制,下一节将会详细讨论。于对频率的依赖一样,机械指数和气泡共振在引起主动转运方面的价值同样需要进一步调查。 细胞对于通过FUS诱导BBBD的

13、回应和紧密连接蛋白、主动转运蛋白的回应均已经过研究分析。然而,最近的一些研究，正在尝试研究一些在中断BBB后的细胞变化过程。蛋白激酶的磷酸化,以及间隙联接蛋白36和间隙联接蛋白43的重组与神经元和星形胶质细胞相关，而且被证实发生在BBBD之后。蛋白激酶信号通道和间隙连接蛋白可以影响紧密连接蛋白及其调节。 （二）中断BBB的物理机制 尽管有好几种机制及建议已被提出，但确切的BBB中断物理机制仍未明确。在脉管系统超声辐照的压力作用于微泡沫可以促进MBs作用于血管壁。短脉冲可中断BBB,辐照压力不单单是机械作用，它可能可以解释为什么随着脉冲长度的增加可以增加临时中断BBB的效果。 在微脉管系统振荡的

14、MBs可以诱导周围的切应力,它可能会导致BBBD。微泡的扩张和收缩在离体的的血管内导致血管壁位移和诱导圆周切应力，这种血管壁伸展可能导致紧密连接临时中断。由于MB振荡在血管壁应力可以产生声学超微束,引起的细胞反应可能导致暂时的BBBD。如果MB振荡足够强大发生惯性空化,暴破的泡沫破碎过程中的可能导致血管壁的损伤，主要是由于喷射或在这过程中释放高热量。 在双光子显微镜研究血管收缩时观察到，在诱导BBBD后会发生局部缺血,这是由于BBBD会起血管收缩及MBs存在于的收缩的血管中的原因。 最后,低温机制在BBBD过程中可能扮演着重要角色。虽然它已经被MRI测温法证实,低功率声处理用于BBBD不导致明

15、显的温升、模拟显示出微型气泡周围局部温度高于组织。 这些机制可以单独或者联合实施。不同的机制作用方式不同。FUS联合应用感光剂Rose Bengal，发现可以增加微型气泡的数量,但紧密连接无变化,说明这些转运途径有不同的诱导机制。五、治疗的安全性及监测 临床对于观察应用FUS诱导BBBD时，治疗的安全性是主要的关注点。几项研究已经追踪了BBBD的短期和长期效应。很多研究研讨了对于BBB中断后的修复时间，大多数的研究报告介绍,为避免组织损坏，BBB一般在24小时关闭,通常在6 - 12 h。 一项研究报告了在中断BBB的治疗后需要持续5天。由于和先前的研究结果比较困难一些,因为他们使用自定义分散

16、微型气泡而不是其他研究所用的商业MBs。他们最小的微型气泡直径(1 - 2毫米)和适中的压力条件下,暂时开放的BBB24小时内恢复关闭状态。然而,对于直径4 - 5和6 - 8毫米的微泡,BBB的关闭用了5天时间,这种情况下细胞会大部分的丧失。基于这些研究可以得出,在适当的声学参数和合理微气泡选择情况下，FUS引导下进行的诱导BBB短暂开放会在合理的时间内恢复。 FUS诱导BBB短暂的开放似乎是安全的。白蛋白可以通过开放BBB的，但它对神经元有负作用,但它会被被星形胶质细胞,胶质细胞和内皮细胞替代,防止它损伤神经元。再者,小鼠大脑整体中断24h后，对其进行行为测试，对于实验组和对照组没有差别。

17、重复上次的干预措施，BBB开放后对灵长类动物进行识别测试，从超声上没有显示明显的副作用。最后,对于(4 - 5周)后的实验组模型检测，发现经FUS诱导BBBD不会引起可观测的组织学脑损伤。 然而,治疗的安全性完全取决于是否选择了适当的治疗参数。颅骨参数选择的复杂化使原位压力很难估计，而且没有长久的模型。声学驻波使压力预测进一步复杂化，它不仅可以增加焦点的压力,还会导二次焦点外治疗量的增加。传感器和锐聚焦使半球形阵列波效应最小化。当传感器光圈被限制时，这些光波可以发挥更大的角色,特别是当使用低频率时。 实时监控技术基本保证了治疗的安全性。因为组织内显著的升温不发生在联合应用MDS和FUS开放BB

18、BD过程中,核磁共振测温法用于实时监控治疗不是一个有效的工具。作为一种替代方法,监测微气泡声学排放已被提议。McDannold等人证明，BBBD发生时，MBs排放的谐波增加 ,因此,谐波的排放可能以用来表示治疗进展。另一个团队已经表明：高次谐波,如第四次和第五次谐波,可能是BBB开放的指示器。最近,它已被证明治疗压力可以通过调制实时诱导,利用高次谐波排放信息,控制曝光来保证安全的BBBD。一个由MRI引导的高聚焦超声系统(ExAblate 4000, Insightec, Haifa, Israel)临床原型，实施的频率是220 kHz或650千赫。 应用频率为650 kHz的经颅高聚焦超声消

19、融模型治疗脑胶质母细胞瘤、慢性疼痛、特发性震颤在世界上的三个研究中心已被使用。低频和高频模型均可探测声学排放，因此治疗期间监测声学排放，对于观察跟踪治疗进展和是否具有安全性是非常容易实现的。作者认为将来,在治疗期间复杂的实时监测可以通过应用多个接收器和被动波束形成映射空化得以实现。六、药物转运和治疗效果 到目前为止,在动物疾病模型中，应用FUS诱导BBBD已经用于提供一系列的治疗药物穿过血脑屏障和BTB。虽然最近有一些关于聚焦超声增强药物用于非癌情况的报道，但这些药物的主要应用范围还是癌症。抗癌制剂通过聚焦超声穿过BBB或BTB，如赫赛汀,d4受体抗体,阿霉素,甲氨蝶呤，一些研究已经调查了药物

20、的治疗效果对于肿瘤生长和动物生存的结果，1,3-二（2-氯乙基）-1-亚硝基脲(BCNU)作用于肿瘤可以对其生存和生长起到抑制作用。盐酸表柔比星和BCNU被固定在磁性纳米颗粒上用于应用FUS在BBBD后精确的定位，改善肿瘤对药物的应答。七、药物在非癌疾病上的应用 到目前为止很少有研究介绍在超声波在非癌疾病上的应用，抗淀粉样蛋白-抗体被送到患有双转基因阿尔茨海默氏症模型小鼠,FUS联合MBS可减少斑块数量和体积。 两组使用了FUS转运神经干细胞细胞到大脑。这些干细胞能驱动神经再生,这对于中枢神经系统疾病和损伤的治疗将有巨大的影响。尽管没有证据证实会造成严重的组织损伤，但有报道报到了7 - 10毫

21、米的干细胞与红细胞，以及一些外渗的红细胞大小相似。 最后,在最近的一次会上显示，结合FUS，神经保护作用对于促红细胞生成素(EPO)的保护作用，在对抗缺血/再灌注的损伤方面具有上升的应用价值。缺血后的BBB已经被中断。然而,经FUS更进一步增加了对促红细胞生成素（EPO）的治疗作用,这可能已经应用在治疗缺血性中风。八、经颅超声在灵长类动物试验中的研究经颅超声 不像啮齿累动物模型有相对薄的颅骨,超声波到达人类和灵长类动物的大脑是一个重大挑战。头骨有不同的厚度和密度,在整个过程中不同的声速可以通过不同的密度。尽管在较低的频率条件下可以传输，但超声波不容易通过头骨，因为在传递过程中会产生高反射和声波吸收以及相位阵可以通过获得焦点矫正头骨诱导的相位移。 在治疗中使用微型气泡提高超声的聚焦效果，还可以减少热量需求,避免热烧蚀使头骨加热。InSightec系统临床测试时的热烧蚀实施频率为650千赫。虽然该系统提供了相对有限的电子束流导向,它可以用于临床对于BBB的测试。Insightec(ExAblate 4000)的低频(220 kHz)半球形临床原型系统很适合在人类应用高聚焦超声传运药物。低频率可以降低相位畸变对头骨影响,使相位修正最小