超声微泡在心血管疾病治疗领域应用探究进展

1、超声微泡在心血管疾病治疗领域应用探究进展摘要随着超声微泡造影剂研制的进展和临床应用，超 声微泡不仅应用于超声显像，还可用于促进生物活性物质进 入组织，实现药物或治疗性基因的定向释放，从而增强靶器 官治疗效果，是一种髙效、安全、无创、易于操作的治疗手 段。作者简要综述超声微泡传输物质的机制及其在心血管疾 病治疗应用中的研究进展。关键词超声；微泡造影剂；心血管疾病；治疗；综 述中图分类号r459. 6 文献标识码a 文章编 号1671-7256(2011)02-0248-04doi： 10.3969/j. issn. 1671-7256. 2011. 02.044超声波是一种机械波，其频率通常高于

2、人耳听觉的上限 (20 khz) o自p. langevin在1916年研究水下超声波开始， 超声的应用渗透到众多领域。1972年灰阶超声问世,超声在 医学领域广泛应用。超声微泡是医学超声的又一进展，目前 主要应用于超声显像诊断。微泡在超声显像诊断方面，主要 是利用声波对气体反射比液体大，改变声波与组织间的吸 收、反射和折射等相互作用，使超声回声增强,得到更高的对 比分辨力。而在超声微泡能辅助基因、药物传输这一观点提 出后，超声微泡作为运送生物活性物质载体的研究，使得超 声微泡在治疗领域的研究吸引了很多的关注。我们对近年来 超声介导微泡技术在心血管疾病靶向治疗中的应用及相关 研究作一综述，重点

3、介绍超声微泡传输物质的物化机制，以 及其在心血管疾病治疗中的研究进展。1超声微泡生物活性物质的递送1.1超声微泡超声微泡造影剂是由生物相容性材料制成的外壳和核 心气体填充后组成1。外壳主要由蛋白质、脂类或者生物 聚合物组成，外壳厚度从10 nm至200 nm不等，而高分子量 和低水溶性的填充气体（氟碳或六氟化硫）构成了造影剂的 核心部分。目前多数研究选用含有全氟显气体的白蛋白或脂 质外壳的微泡。这类微泡具有易碎（中等强度声强下即破裂） 和易制作优点。自gramiak等2于1968年报道了第一例超声造影剂 注射后增加心室动脉的超声波信号后，超声造影剂开始应用 于临床。至今，超声微泡造影剂的发展分

4、成3个阶段1： 第一阶段造影剂代表类型为echovist,多为空气或者氧气， 无膜包被，尺寸大，由于其不稳定性，在血液中持续时间较短, 无法通过肺循环，因而只能对右心显影，应用受到了很大限 制。第二阶段超声造影剂代表类型为albunex和levovisto 其填充气体为空气，包被白蛋白、脂类、聚合物或活性剂作 为外壳，稳定性好，尺寸小，自此超声造影剂开始向微泡级别 发展。第三阶段造影剂代表类型为optison和sonovue,造影 剂内含氟碳类气体，有膜包被，稳定性较前显著提髙。1.2超声微泡物质递送微泡的生物学特性使其成为将基因或药物等递送到靶 细胞或组织中的理想手段。微泡承载生物活性物质主

5、要通过 以下方式：（1）药物附着在微泡表面；（2）药物镶嵌在微泡 外壳内；（3） dna非共价结合到微泡表面；（4）微泡内部装 载药物、气体等；（5）疏水性物质纳入油性材料层包绕在微 泡核心和外壳之间。将载有目的基因或者药物的超声微泡经 静脉注射后，在靶细胞或组织给予一定条件的超声照射，可 明显提高体内细胞、局部组织的基因转染率或药物浓度 3-4。超声单独作用已经证实有提高dna摄取,药物、蛋白组 织运送作用，其重要机制之一为超声空化效应5。超声空 化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象。人工注入 的超声微泡可被看作是人造的空化核，用以增加血液中空化 核的浓度，从而降低空化阈值，低剂量超声

6、即可产生空化效 应6。微泡在靶向区域破裂，提高了目标部位的药物浓度, 同时空化效应使细胞膜表面形成许多大小不等、数量不一的 小孔（声孔效应），细胞膜的通透性增加，使得大分子物质更 容易进入细胞或组织内。2超声微泡在心血管疾病治疗中的应用超声微泡造影剂在心血管疾病中治疗中的应用主要包 括以下几个方面：2. 1介导基因转染超声微泡的一些特性正满足基因治疗载体所需的特点, 如低毒性、低免疫原性、低创伤、可重复性、靶向性。国内 外学者研究发现，超声微泡造影剂可作为一种新型的体内基 因转染载体。首例超声微泡心脏基因治疗是将表达b-糖昔 酶的腺病毒重组体连接到白蛋白微泡，由静脉注射的同时对 心脏进行超声波

7、干预，实验证实实验组鼠心脏b-糖昔酶表 达量较对照组提高10倍。腺病毒载体存在器官特异性低，免 疫原性大等缺陷，限制了其反复应用，后来使用超声微泡传 递裸dna质粒至兔心脏以克服腺病毒载体的主要缺陷。相对 于腺病毒载体，超声微泡传递裸dna可以达到100%的器官特 异性，因为dna进入循环后可迅速被血浆中的dna酶降解，所 以不会转染到其他组织。dna即时表达曲线显示，超声微泡 作用后4 d表达最高，之后又迅速下降。短周期反复治疗可 以延长髙水平荧光酶表达7o重复治疗使基因持续表达成 为可能。其他心脏基因转染研究包括在兔子心脏中转染 tnf-a反义核昔酸减少缺血后tnf-a的产生8，也有人 在

8、狗等大型动物身上开始类似研究：9o但是，心血管领域 基因治疗技术仍然处于探索阶段，目前仍未进入临床研究。尽管体外实验证实，超声微泡介导的基因转染的确有效 增加基因转染率，但是当前的主要缺陷是转染率过低。多数 研究都是拿超声微泡介导的基因表达与单独裸dna比较。在 一些研究中，的确超声微泡介导要比单独裸dna注射高出许 多，可能可以满足临床要求。然而，器官中有多少细胞被转 染？是否会产生有益的生理效应如血管增生，心衰改善或者 缺陷基因纠正？是否可以在大型动物中达到类似效果？对 于上述问题研究正在不断探索。2.2促进小血管新生很多实验研究均提示，超声微泡能刺激血管新生，从而 可能改善缺血性心脏病预

9、后。血管生长因子包括内皮细胞生 长因子(vegf)、成纤维细胞生长因子(bfgf)和肝细胞生长因 子(hgf)等。其中vegf是上调血管形成的重要因子，也是不 可缺少的诱导因子。它能特异地直接作用于血管内皮细胞, 诱导其增殖、迁徙，诱导血管腔形成。超声微泡可通过下列 途径增加靶器官vegf表达：(1)超声破坏微泡产生的空化 效应能引起直径w7 um的微血管破裂，这对机体是一种无 菌性炎症刺激，可诱导局部产生炎症反应，炎症细胞在局部 浸润并释放血管生长因子(主要是vegf),从而促进小血管新 生。(2)将微泡表面黏附外源性vegf基因，通过超声波的 作用使vegf基因完成从微泡的表面到细胞和组织

10、的传递，促 血管新生。yoshida等10实验证明，超声破坏微泡所引起的空化 效应可促使内源性vegf分泌增加，促进大鼠缺血肢体血管新 生，改善运动功能。李雪霖等11也发现超声破坏微泡心 肌组织大量红细胞漏出，炎症细胞浸润，心肌组织中可见大 量vegf表达。同时可在微泡表面黏附外源性vegf基因，通 过超声波的作用使vegf基因完成从微泡的表面到细胞和组 织的传递,促血管新生。也有研究将vegf基因黏附于全氟显 微泡外壳后输入心肌梗死模型鼠体内，联合超声波照射，结 果也发现超声+微泡+vegf组心肌组织vegf表达高，并且可见 大量新生血管。2. 3溶栓作用研究12证实，在理想的条件下微泡与超

11、声合用可以 完美地溶解血栓，并且不会引起出血等并发症。一方面超声 波可以直接作用于血栓，在纵向和横向两个方面相对于血栓 产生强烈的振动作用，使血栓发生松解和表面损坏。超声波 产生的空化现象可使血栓在极短的时间内碎解成细小的颗 粒，有试验证明，在体内超声波能使d-二聚体增加，从而增强 纤维蛋白溶解作用。另一方面注入超声微泡后增强了超声波 的空化效应。微泡在超声波作用下发生周期性膨胀和萎陷, 在膨胀达到极限时崩溃，产生强大的剪切应力和由微泡碎片 及液体组成的射流，两者共同作用于血栓，使血栓表面撕裂, 内部裂隙增多。这些撕裂和裂隙的存在为更多微泡进入血栓 内部提供了通道，使更多微泡渗入血栓，在超声作

12、用下再一 次发生空化效应，从而发挥更大的溶栓作用。超声波的声空 化作用对于纤维斑块有很高的选择性破坏作用，从而可以避 免损伤血管管壁，并可用于消融陈旧性的血栓斑块，这种超 声空化的生物选择性是超声波治疗安全性的保证13-14。目前国外已有许多学者进行超声联合微泡的溶栓研究。 poter等15利用超声微泡作用于体内外血栓体外实验中, 血栓均能溶解，但是体内实验中使用1 mhz超声联合微泡后 血管再通率仅为28. 57%o cintas等16利用2 mhz超声 联合微泡进行的溶栓实验也取得了良好的效果。国内徐亚丽 等17超声微泡治疗股动脉血栓实验结果显示，超声微泡 血管再通率达到87. 5%o这些

13、结果令人鼓舞。但是，超声微 泡的这些应用都需要比诊断用超声和传送物质超声能量高 的多。这些应用所致组织破坏尚需评价。2.4促进心肌内干细胞靶向归巢干细胞移植治疗急性心肌梗死是近年国内外研究的热 点，但干细胞靶向归巢率低成为干细胞移植治疗心梗的难题 之一。近年大量的研究发现，超声微泡可显著促进心肌内干 细胞靶向归巢。国外研究18发现，在输入微泡并超声辐 照后有利于内皮祖细胞的增殖，从而促进心功能的恢复。徐 琢等19-20研究证明，超声联合微泡可增效骨髓间充质 干细胞(bmscs)移植治疗猪急性心肌梗死，能更有效地改善 心肌梗死后的心功能，促进血管新生。超声微泡增效干细胞 移植效率的具体分子生物学

14、机制尚不完全明确，有些文献指 出超声微泡的这种作用可能与空化效应致血管壁通透性增 加、局部血管内皮黏附因子等表达上调有关。3存在问题和展望近十几年来，超声微泡应用于心血管疾病治疗的研究取 得了一定进展，但随着研究的逐渐深入，仍有一些问题有待 解决。首先，超声微泡空化作用在促进物质进入组织和细胞 的同时，也存在导致细胞和组织的破坏的危险。最常见的副 作用是毛细血管破裂、出血、染色物外溢。同时这些体外研 究弹丸注射微泡剂量比临床使用量高出许多。说明这项技术 与局部微泡浓度、超声作用时间、声压密切相关。因此，需 优化诸因素以使副作用减到最小同时发挥最大治疗效应。其 次，超声波是否会造成治疗所需的药物

15、、基因、细胞等生物 活性变化，同时还需要在大型动物上进行进一步研究。超声微泡在心血管疾病治疗领域仍有很大潜力，随着分 子生物学和超声技术在医学领域的发展以及微泡造影剂的 研制进展，构建更能有效促进基因转染或干细胞移植的微泡 应用于临床治疗终将成为可能。参考文献1 quaia e. microbubble ultrasound contrast agents： an updatej. eur radiol, 2007,17(8):1995-2008.2 gramiak r, shah p m. echocardiography of the aortic root j invest radiol

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