使用超声空化的肿瘤

本发明涉及身体组织的生长控制，更特别地，涉及施加能量以延迟、抑制或者反转生长。

所有形式的癌症仍然是世界范围内的主要致死因素。现有的和有希望的癌症的重大缺陷已经是且继续是有毒副作用。

连续波（CW）聚焦超声的加热效应用来在子宫肌瘤中杀死细胞。不幸的是，区域的范围难于控制，因为血液循环对于组织中形成的温度场具有强烈的局部效应。

已知涉及超声空化的非加热方法造成一系列生物效应，包括溶血、微脉管系统出血、声致穿孔（sonoporation）、血脑屏障的瞬态开放、细胞凋亡和细胞死亡。生物效应的类型和严重性取决于许多因素，包括超声参数（频率、幅度、占空比等等），微泡种子的浓度、尺寸和类型（如果任何微泡种子被引入的话）以及空化事件的微环境（组织类型和血流量）。

本发明旨在克服或减轻现有技术的上述缺陷。

存在利用空化效应将药物或基因输送至目标区域的许多建议。超声介导的药物和基因输送是若干疾病的有希望的方法。

然而，这些方法仍然处于开发阶段，并且未解决的问题之一在于，由这样的方法释放的药物或基因分子可能被血流从部位冲走，使得局部化释放可能不会导致药物分子在身体中的理想分布。类似地，如上面结合加热效应提到的HIFU（高强度聚焦超声）技术沉积的热能也易于通过直接传导和血流对流而散布。

最近的研究揭示了肿瘤新生脉管系统的独特细节。典型地，肿瘤组织的缺氧诱导血管生成，这允许肿瘤迅速地生长，超出氧气扩散限制。这些新脉管糟糕地被组织，并且表现出许多正常组织中未发现的缺陷或异常。由于肿瘤细胞通常都增生，直到达到资源限制，因而大多数肿瘤都灌注在临界水平。

到现在为止，存在很少的利用肿瘤脉管系统（vasculature）的鲜明特性的方法。本领域技术人员熟悉的一种这样的方法是施用抗VEGF（抗脉管内皮生长因子）抗体或者其他抗血管生成的候选药物以抑制新生脉管系统的形成。许多血管生成抑制剂现在处于临床开发中。另一种方法基于EPR（增强通透性和滞留）效应的使用，由此通常为药物载体纳米颗粒形式的血液循环药物制剂（例如脂质体、胶束或高分子/复合体）由于肿瘤脉管系统中的内皮细胞之间不完整的接合的原因而在肿瘤区域中溢出、离开脉管系统并且通过穿孔进入组织间质空间。若干利用该方法的药物输送产品现在可用，最广为人知的是具有阿霉素蒽环类抗癌抗生素的DoxilTM（CaelyxTM）长循环脂质体。

本申请的发明人已经发现，由微泡加强的超声空化效应可以在延长的时间段内诱导肿瘤生理变化，并且从而可以造成肿瘤生长的限制甚至衰退，减小肿瘤尺寸。

依照本发明，诱导急性局部血流量中断以瘤形成。该血管痉挛效应在肿瘤脉管系统内致敏，并且因而有差别地使得区域内的正常组织免遭破坏。此外，肿瘤灌注的临界状态允许流量中断之后更大概率和严重性的缺血。

由于空化事件是短暂的，典型地在入射的超声关断之后持续几分之一秒，因而空化的直接生物效应充分地局部化到受声波作用区。

本发明人的测试结果表明，超声之后若干秒内触发的血管痉挛效应提供了实时地直接监视的能力。

如本文中所提出的，利用了微泡，这些微泡在超声场中通过随着来自声波的刺激而振荡来响应。该振荡可以被控制成稳定的（连续的）和不稳定的（迅速内爆）。这些振荡允许通过微泡表面的运动的中介效应实现超声场与组织的增强的相互作用。

在程序上，依照本发明的一个版本，延迟、抑制或者反转组织生长涉及为生长的当前部位提供气泡，并且为了造成延迟、抑制和反转所述生长中的至少一个的临时生理变化，将能量脉冲输送到当前部位中的当前焦点。如果在当前部位中存在要输送的脉冲的下一个焦点，那么像当前焦点一样向该下一个焦点执行所述输送。每次像当前焦点一样对于下一个焦点重复该过程，直到不存在要向其输送脉冲的下一个焦点。

作为以上所述的扩展，其中所述提供气泡也为生长的下一个部位提供气泡，将脉冲输送到当前部位处的焦点之后跟随以上描述的将脉冲逐点输送到下一个部位处的焦点。

在本发明的一个方面中，当前部位处的身体组织具有脉管系统，并且在附加的步骤中，检查脉管系统中的血管痉挛。

在以上所述的一种变型中，针对气泡流入（influx）检查脉管系统以便确认血管痉挛的发生。

在以上所述的一个实施例中，在气泡在紧邻的在前脉冲中被破坏的情况下执行所述检查。因此，如果流入发生在检查的时候，那么该流入是新鲜气泡的流入。

在又一种变型中，如果在检查中未发现血管痉挛并且要向当前部位中的附加焦点输送脉冲，那么对于这些附加的点重复脉冲发送过程。

在又一种变型中，临时生理变化包括血管痉挛，并且由于血管痉挛引起的血流的中断和任何阻滞是临时的，持续超过一分钟并且小于8小时。

作为以上所述的一种变型，血管痉挛发作时，所述中断和任何阻滞导致脉管系统中存在的血液成分的滞留。

在本发明的一个版本中，当前部位处的身体组织具有脉管系统，第一脉冲的输送之前是检测脉管系统中的气泡。

在本发明的另一个版本中，所述过程可以用作随着时间重复的医学。

依照一个可替换的版本，当前部位处的身体组织具有脉管系统，脉冲施加足以在脉管系统中造成空化，但是不足以永久地损伤脉管系统中的血管的压力。

在另一个版本中，将用于作为输送的结果促进当前部位处的空化的制剂施用到瘤（neoplasm）的宿主。

在另一版本中，所述脉冲为聚焦到当前焦点上的超声脉冲。

在一个方面中，所述脉冲具有至少250kHz的频率。

在一个不同的方面中，所述脉冲具有短于1000毫秒的脉宽。

在又一个不同的方面中，所述组织生长为瘤形成，当前部位为瘤。

可选地，依照本发明，所述瘤长度超过10毫米。

在另一方面中，所述脉冲对当前部位施加幅度大于0.1兆帕的压力。

在一个可替换的方面中，对身体组织中的生长施加控制需要空化发生器，该空化发生器用于通过流体中的空化的机械、非热效应诱导延迟、抑制和反转所述生长中的至少一个的临时生理变化。它进一步需要制剂施用器，该制剂施用器被配置用于将用于促进空化的制剂实时地施用到生长的宿主。

在一些实施例中，关于上面的可替换方案，进一步涉及的是对于瘤的脉管系统中发生血管痉挛的实时监视。

在其他实施例中，对于瘤施加控制涉及用于对诱导和为诱导输送气泡定序（sequencing）的控制系统以及用于监视气泡的存在性的气泡监视器。定序结合监视气泡的存在性的结果选择性地实时造成诱导的执行。

作为另一变型，定序结合监视的结果选择性地实时造成用于促进空化的制剂的施用。

在本发明的实施例中，将用于对瘤生长施加控制的设备实现为一个或多个集成电路。

该新颖的生长控制过程的细节在下文中借助于以下附图进一步加以阐述。

图1为代表依照本发明的用于对瘤施加生长控制的设备的示意图；

图2为依照本发明的概念图，其作为实例绘出宿主的器官或血管中的瘤的截面以及可利用的操作和脉冲参数限制的实例；

图3为依照本发明的流程图，其示出用于延迟、抑制或反转瘤生长的示例性过程以及用于重复该过程的示例性时间线；以及

图4A、图4B为依照本发明的实际研究中瘤尺寸随着时间的曲线图。

图1通过说明性且非限制性实例绘出了用于对瘤（例如肿瘤）施加生长控制的设备100。该设备100包括连接到通信和电源总线170的控制系统110、空化发生器120、血管痉挛监视器130、气泡监视器140、制剂施用器150和成像系统160。

空化发生器120发射能量脉冲以便例如在对象的脉管系统中造成流体中的空化。

血管痉挛监视器130监视受脉冲作用的脉管系统中的血管痉挛。

气泡监视器140监视足够用于有效的空化的气泡（例如微泡）的存在性。

制剂施用器150通过为要受脉冲作用的脉管系统提供气泡而促进空化。特别地，这可以通过将作为微泡悬浮物的微泡制剂注射到对象（即瘤的宿主）中而完成。施用例如经由手臂或前臂中的IV（静脉内的）医疗设备进行。

成像系统160与空化发生器120相互作用以便提供基于引导的成像，除了其他的成像模式以外，该成像可以是超声、MRI（磁共振成像）或CT（计算断层扫描）。成像系统160也可以由气泡监视器140在监视气泡的存在性中使用。它也可以包括用于检测和绘制之前和之后的血流的特征。

控制系统110的功能是实时地协调其他模块120‑160，使得制剂和脉冲能量以适当的水平同步地输送。控制系统110可以包括驱动系统，该驱动系统能够将空化发生器的换能器（transducer）激励至适当的压力。控制系统110可以被配置用于确定用于注射微泡的最佳速率、超声脉冲的定时以及区中的微泡的最佳数量。

在一个版本中，控制系统110包括马达系统，该马达系统使空化发生器120物理地运动以便将脉冲定向到不同的部位。

在另一个版本中，控制系统110包括驱动系统，该驱动系统能够将脉冲电子地定向到不同的部位。

可替换地，设备100可以例如与成像系统分开地实现，并且因而可以实现为用于以其他方式预先存在的超声系统的一个或多个集成电路。

而且，设备100的基本版本可以例如仅仅利用空化发生器120和气泡监视器140实现，这些部件包含适当的控制逻辑。

图2示出了作为实例的宿主204的器官、静脉或动脉202中的瘤200的截面以及可利用的操作和脉冲参数限制的实例。也示出了另一个或下一个瘤205。

宿主204为医疗对象，例如人类医疗患者或者动物，例如温血哺乳动物，但是本发明并不限于任何特定生命形式。对象也可以是体外（in  vitro）或前体内（ex vivo）的医疗样本。

超声脉冲206被控制成创建随声波而振荡的气泡，即稳定的（或非惯性的）空化，或者产生其中振荡由气泡的迅速内爆或破灭表征的不稳定的（惯性的）空化。

作为要对其施加控制的当前生长部位的瘤200具有由可以将微泡212引入其中的血管210组成的脉管系统208。将微泡制剂注射到血流中连同血液的流运动，足以创建微泡212。

直接将脉冲206输送到焦点213造成图2的展开图中所示的微泡振荡214。

大多数时候，到瘤200中的各焦点213的一系列一个或多个适当配置的脉冲206将触发减小或中断血流的血管痉挛，即血管210的突然的收缩。可以偶发地（sporadically）进行的若干可能需要用来实现目标程度的对于瘤形成的抑制或反转。

由本文提出的技术造成的作为由于受声波作用（insonation）而引起的生理变化的血管痉挛以及由于血管痉挛而引起的血流的中断和任何阻滞是临时的，持续例如1分钟与8小时之间，并且典型地持续数分钟，但是足够长以有效地瘤形成。血管的收缩部分216在展开图中示为稍后从血管痉挛恢复的恢复部分218。血管痉挛发作时，所述中断和任何阻滞导致脉管系统中存在的血液成分的滞留。如果医学上瘤200中使用的药物在那时处于血液中，那么有益的是它们局部地滞留以提供。

下文中进一步更详细地讨论的活动物实验表现出三种相关的效应：瘤中灌注的急剧减少，瘤生长的延迟或者甚至反转，以及测试动物的生存期延长。结果在大的肿瘤（即具有超过10mm（毫米）的长度）上是特别显著的，在大的肿瘤上，各种各样的已知通常都失败。

所述系列的一个或多个脉冲206典型地依照计划输送到瘤200，并且然后检查血管痉挛。由于脉冲206破坏显示为x的微泡220，因而微泡221的流入是新鲜微泡的流入222。流入222的微泡221可以被检测，因为它们散射超声以产生非镜面反射（或者“散斑”），并且在多普勒超声中，它们增大来自血管的流量信号。

通过在受声波作用之后立即检查受声波作用的部位，可以确定是否发生了血管痉挛。特别地，在之后的数秒内，可以通过对微泡制剂增强的血流成像而确认血管痉挛。

微泡220在紧邻在前的脉冲206中被破坏。因此，新鲜气泡221的流入222指示缺乏血管痉挛216。该流入222可以容易地观察到。

另一方面，如果发生血管痉挛216，那么可以借助于血流成像测量它的严重性和持续时间。在这种情况下，流入222不会被看见，直到典型地最后的脉冲之后数分钟。

具有减小瘤200的尺寸（例如长度）的效应的血管痉挛由减小的双箭头223系列示出。

脉冲206的压力在图2中在概念上由弯曲双箭头226指示的可旋转的指针224表示。指针224在概念上可以旋转以指示无空化区228、永久损伤区230或者与本发明的各方面一致的居间空化区232。压力不应当如此低以至于不能造成空化。同样地，压力应当不足以永久地损伤脉管系统，因为这样的水平潜在地可能引起与这种技术关联的附带的组织损伤。施加的入射到瘤上的典型压力可以是5兆帕，或者例如至少0.1兆帕。

脉冲206具有2μs（微秒）的峰‑峰时间234，或者等效地，1/(2μs) = 500kHz（千赫兹）的频率。依照本发明，支持脉冲206的最小频率可以是例如250kHz。尽管为了说明简单起见被示出具有仅仅5个峰的脉冲206短于典型的实际脉冲，但是脉宽236可以保持短于例如1000ms（毫秒）。

图3示出了用于延迟、抑制或反转瘤生长的示例性过程300以及用于重复该过程的示例性时间线。

将输送针或导管放置到对象204的静脉或动脉202中（步骤S305）。将换能器置于区上方（步骤S310）。可选地，借助于成像系统160的引导允许更精确的放置。微泡制剂的流动在用户驱动开关时开始。制剂在整个宿主的血流中循环，从而为生长部位200提供微泡221（步骤S315）。当气泡监视器140检测到脉管系统208的血管210中的适当数量的微泡212（步骤S320，S325）时，通知控制系统110。然后，控制系统110使得空化发生器120发射聚焦到瘤200中的当前焦点213上的超声脉冲206（步骤S330）。如果像在计划中一样，存在下一个要受脉冲作用的焦点（步骤S335，S340），那么处理返回到步骤S330。每次从当前焦点到下一个焦点的运动可以是机械的或者电子地操纵的。否则，如果不存在要受脉冲作用的下一个焦点（步骤S335，S340），那么血管痉挛监视器130开始检查脉管系统208中的血管痉挛216。如果未发现血管痉挛216，并且附加的焦点要受脉冲作用以便实现血管痉挛（步骤S345），那么处理分支回到步骤S330。否则，如果检测到血管痉挛或者没有附加的焦点要受脉冲作用（步骤S345），那么过程完成（S350）。

应当指出的是，从步骤S340回到步骤S330的两个支路中的每一个可以用于针对一系列一个或多个对应的焦点处理下一个部位，例如下一个瘤205。这在步骤S320中检测到全面或局部化的例如处于适当的量的用于下一个部位的微泡212的情况下适用。可替换地，该向后的分支可以向相同的部位200输送更长或更短持续时间的、更大或更小功率的、更高或更低频率等等的脉冲206。

假设的调度或记录时间线360示出了过程300的若干重复360a‑360e。时间线360可以表示若干小时、日、月等的跨度。在时间上，可以是预定的或者偶发地发生。

瘤生长控制设备100对于非侵入式而言可以在体外，或者对于最小侵入式而言可以安装到导管或针的末端上。制剂施用器150的或者由其操作的微泡输送系统也可以是基于针或导管的。

用于测试的一个示例性系统具有超声换能器，该换能器具有8个直径为8cm（厘米）的环形圈，其焦距为8cm（f数=8/8=1），中心频率为1.2MHz（兆赫）。该换能器由能够提供脉冲波输送的驱动系统激励。据发现，通过适当地选择激励（即高强度超声脉冲串），可以临时地停止的区域内的血流。系统结合了提供实时监视和后续评估能力的超声成像系统。随着微泡制剂的注射，系统对于甚至非常低的灌注水平具有非常高的灵敏度。

图4A示出了进行的研究中瘤尺寸的初步结果，具体地为组402和对照组404的初步结果。纵坐标代表以平方毫米为单位的瘤尺寸。横坐标代表以天为单位的瘤年龄。从曲线图中可见随着时间对于瘤尺寸的影响。

图4B为第二研究。像在第一研究中一样，组410以统计上显著的方式表现出肿瘤生长的延迟。身体重量测量表明组410与对照组420之间没有统计上显著的差异。

在这两个研究的每一个中，最终对照肿瘤超过采用的人道伦理标准确立的尺寸限制。因此，当超过规定的尺寸时，对对照组420的成员施行安乐死。

实例

在通过超声破坏微泡之后肿瘤脉管系统中的血流量降低。

在鼠模型中的高幅度聚焦超声之后，通过实时超声对比度成像估计肿瘤血流量。

微泡由全氟丁烷气体制备并且利用卵磷脂/PEG硬脂酸盐壳稳定化。MC38鼠结肠腺癌细胞（J.Schlom，NIH）皮下施用到C57BL/6鼠的后腿中。在肿瘤达到>5‑6mm尺寸时，将麻醉的鼠置于聚焦的超声换能器下。执行0.05‑0.1ml微泡的静脉内施用，紧接着是作为十个1Hz  PRF 100K周期脉冲（TIPSTM系统，飞利浦）输送到肿瘤的1.2MHz 5MPa的受声波作用。受声波作用重复地执行，即在基本上每日的基础上执行，以便实现肿瘤尺寸的减小。受声波作用期间和之后的超声对比度成像利用CL15换能器（HDI5000）执行。成像换能器固定到换能器以便实现实时引导能力。组织灌注作为超声对比度微泡通过肿瘤脉管系统的运动而被监视。

在所描述的条件下的肿瘤超声导致微小的组织温度升高。通过超声对比度成像观察肿瘤脉管系统中TIPSTM受声波作用期间微泡的破坏。肿瘤脉管系统中微泡的TIPSTM受声波作用导致如通过超声对比度成像所观察的肿瘤中血流量的立即降低。该“脉管顿抑（vascular  stunning）”效果是瞬时的；肿瘤内的血流量将在数分钟内恢复。在微泡不存在的情况下，受声波作用不改变肿瘤血流量。诊断超声成像的微泡破坏不造成顿抑。

肿瘤脉管系统内高幅度超声对微泡的破坏导致血流量的瞬时降低。该效应可能对于超声辅助肿瘤药物输送的成功是关键的：在受声波作用开始之后血流量降低的情况下，药物载体系统将不能够到达肿瘤。另一方面，可以利用该效应以增强释放的药物在肿瘤中的滞留。

超声造成的肿瘤脉管系统中的微泡破坏的生理学效应可能对于血流量和肿瘤灌注具有显著的影响。

身体组织中的生长被减缓、抑制或反转。在一个方面中，这通过提供气泡并且将一系列一个或多个能量脉冲输送到生长部位处的对应焦点以造成延迟、抑制和反转所述生长中的至少一个的临时生理变化来实现。在另一个方面中，临时生理变化，例如瘤的脉管系统中的瞬时血管痉挛，由脉冲造成的流体空化的机械、非热效应诱导。在一些实施例中，用于促进空化的气泡通过将微泡制剂施用到宿主而提供。

本发明的实施例对于诸如超声可访问的肝、乳腺、前列腺、脑、胰腺或其他器官之类的局部化和有脉管的肿瘤是特别有用的。处于本发明的预期范围内的是，它可以应用于许多各种不同的癌症。

依照本发明，输送医学是可靠的、空间上精确的且具有短的持续时间。不利的生物效应被避免或者局部地限制到瘤。的成功可以立即检验，并且甚至大的瘤也可。作为一种超声解决方案，它是低成本的。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下应当能够设计出许多可替换的实施例。例如，图3中的步骤S320至S350可以人工地执行或者在无需用户干预的情况下自动地执行。或者，一些步骤可以是人工的并且其余步骤是自动的。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未陈述的元件或步骤。元件之前的冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于经过适当编程的具有计算机可读介质的计算机来实现。在相互不同的从属权利要求中陈述了特定的技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。