•
综述
•
田宇航 刘钊 程文
DOI ：10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2019.08.015
基金项目：国家自然科学基金资助项目（81571682、81873900）作者单位：150081 哈尔滨医科大学附属肿瘤医院超声科通信作者：程文，Email ：chengwen69@yahoo
近年来，超声靶向递送（ultrasound mediated targeted delivery ，UMTD ）技术因其可提高物质递送到靶组织及器官的效率，并且可在结合超声的条件下可控地释放所运载的物质，而成为一种具有无创性、高效性以及靶向性等优势的新载体。理想的载体可增强靶区的物质聚集，且对非靶区组织及器官无毒性损害。无论是基因的转染还是药物的递送，UMTD 均已成功应用于体内外研究中［1-5］。UMTD 介导物质递送的应用领域主要包括以下几方面。 一、肿瘤
fgf
UMTD 技术是一种颇具潜力的靶向递送方法。随着研究的不断深入，UMTD 技术在肿瘤靶向领域展现出不俗的表现。传统的手段，性基因或药物进入体内，迅速被网状内皮系统清除或降解，导致浓度较低，效果不理想。而利用微泡、脂质体和纳米粒携载或包裹这些物质可延长其在体内的循环时间，并通过实体瘤的高通透性和滞留（enhanced permeability and retention ，EPR ）效应使其到达肿瘤组织，提高物质在靶组织的浓度，改善效果［6］。尽管EPR 效应可促进纳米载体聚集并渗透进入肿瘤组织，但是复杂的肿瘤微环境仍可影响其靶向效果［7-8］。Ho 等［9］ 利用脂质液态氟碳纳米滴包裹药物，在超声辐照作用下纳米滴发生声致相变，增加肿瘤血管通透性，使药物在肿瘤部位充分扩散，克服EPR 效应的不足。该团队用红荧光染料标记液态氟碳纳米滴，在荧光显微镜下观察荧光染料分布范围。结果显示，相对于单纯EPR 效应，结合超声辐照递送药物的效率更高。Wang 等［10］利用超声联合微泡介导携载抑癌基因microRNA 的纳米粒递送到肿瘤组织，以提高基因转染效率。结果显示，超声联合微泡能有效促进携基因纳米粒进入肿瘤组织，超声联合微泡组肿瘤局部microRNA 含量比对照组高7.9倍。因此，UMTD 技术在肿瘤的基因中具有很好的应用前景。
二、心血管系统
酸性成纤维细胞生长因子（acid fibroblast growth factor ，a-FGF ）和碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor ，b-FGF ）均是FGF 家族的成员之一，在人体各组织中广泛分布，具有促进血管增生、抑制内膜增生以及抗氧化损伤等作用。Zhang 等［11］利用肝素来修饰微泡获得肝素化微泡（heparin-modified microbubbles ，HMB ），因为a-FGF 对肝素有较高的亲和力，所以HMB 可以携载大量的a-FGF 。利用UMTD 技术联合HMB 把a-FGF 递送到小鼠心肌病模型损伤部位，结果显示组中a-FGF 含量明显高于其他组，组织学检查也发现组相对于其他组有更多新生血管。 Zhao 等［12］将b-FGF 结合到纳米粒表面，成功构建了一种携载b-FGF 的纳米载体（b-FGF-Nanoparticles ），通过外周静脉将其注射到糖尿病心肌病大鼠体内，在心肌局部给予超声辐照，定点破坏纳米粒产生空化效应，增大血管壁内皮细胞的间隙，b-FGF 穿过血管壁进入受损心肌组织。经4周后，大鼠心功能得到明显改善，受损心肌组织结构也得到恢复。Castle 等［13］将载脂蛋白ApoA-I 质粒与微泡Optison 一起注入大鼠体内，检测血浆高密度脂蛋白胆固醇（high-density lipoprotein cholesterol ，HDL-C ）和ApoA-I 在超声辐照前后的表达水平差异。结果表明超声辐照后血清中HDL-C 含量上升61%，这表明该方式可有效促进ApoA-I 基因转染率，为临床动脉粥样硬化疾病基因提供可能。Survivin 基因是一种细胞凋亡抑制基因，其可抑制心肌细胞凋亡，心力衰竭。Lee 等［14］利用UMTD 技术把Survivin 基因转
染到小鼠模型内，经6周后评估该组小鼠的左心室收缩功能。结果显示，小鼠心肌细胞的凋亡率明显降低，左心室收缩功能明显升高，研究表明该方法
能够抑制心肌细胞凋亡，预防心力衰竭。
三、中枢神经系统
如何有效地开放血脑屏障（blood brain barrier，BBB）一直是中枢神经系统疾病过程中备受关注的问题。Lin等［15］合成携载阿霉素的阳离子脂质体，将阳离子脂质体和微泡一同经静脉注射到脑胶质瘤大鼠模型内，联合超声辐照开放BBB，提高药物递送率，以达到靶向脑胶质瘤的目的。结果显示，超声联合微泡能有效递送携载阿霉素的阳离子脂质体跨过BBB，增加病灶区域阿霉素浓度，诱导肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤效果明显，可显著延长患瘤大鼠生存期。研究表明，聚焦超声联合微泡可无创开放BBB，通过阳离子脂质体的被动靶向作用来提高药物的局部浓度，此外，微泡爆破产生的空化效应可增加细胞膜通透性，促进药物吸收。尽管大量研究证实聚焦超声可以单次定点开放BBB，但如果每个月都大面积开放BBB非常不方便，因此Carpentier等［16］发明了一种简易置入式超声系统——SonoCloud，这个系统可反复进行大面积BBB开放。该团队积累了一定的动物实验研究基础后进一步开展了临床试验，入组脑胶质瘤复发患者，通过静脉一同注射微泡和化疗药物卡铂，随后超声辐照2.5 min。结果显示，当超声参数为频率1.05 MHz、占空比2.38%、声压0.8 MPa时可以成功打开BBB，并且评估显示脑组织无明显损伤，其有望成为脑胶质瘤术后的增效方法。Lin等［17］在超声微泡上连接胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）基因的脂质体，利用UMTD技术把基因递送到帕金森大鼠模型的脑组织。该研究表明，低频聚焦超声联合微泡开
放BBB，可提高基因转染率，改善帕金森疾病的神经退行性变化，缓解疾病症状。Schleicher等［18］构建脑卒中小鼠模型，静脉注射溶栓药物，利用超声联合声诺维（SonoVue）微泡打开BBB，结果显示，组小鼠脑部微血管较多恢复通畅，其数量明显多于对照组，并且组小鼠血栓质量也显著低于对照组。因此，UMTD 技术在脑胶质瘤、帕金森病、脑卒中等神经系统疾病未来的策略中具有广阔的应用前景。
四、骨骼肌肉系统
Liao等［19］制备含有非甾体抗炎药物双氯芬酸的凝胶，将微泡加入凝胶中，结合40 MHz高频超声辐照涂有该凝胶的类风湿关节炎大鼠模型踝关节表面，结果表明，与其他组相比，双氯芬酸结合超声辐照组的抗炎效果最明显，其关节滑膜血管生成明显减少，关节周围组织的炎症有所改善。UMTD技术可增强抗炎药物作用，有望成为无创炎症的新方法。间充质干细胞（marrow mesenchymal stem cells，MSCs）是一种多能干细胞，具有多向分化潜能，已广泛应用于组织的修复研究中。Gao等［20］研究不同参数的低强度脉冲超声（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）对体外培养分别来自牙髓、骨髓以及牙周韧带的3种MSCs 增殖能力的影响。实验中采用频率为1 MHz、强度为250 mW/cm2或750 mW/cm2的超声参数进行辐照，对比3种MSCs的增殖能力。结果显示，来自牙髓及骨髓的MSCs在强度为250mW/cm2的超声照射下增殖最活跃。而牙周韧带来源的MSCs在750 mW/cm2的超声照射下增殖最活跃。研究表明，超声能明显提高MSCs的体外增殖能力。He等［21］在另一项
研究中，构建了大鼠股骨缺损动物模型，通过尾静脉注射大鼠胚胎来源MSCs并联合超声辐照。2周后评估显示，修复的骨组织密度与正常骨组织密度相似。研究表明，超声可促进MSCs 向成骨分化，加速骨折愈合。Nomikou等［22］制备了一种超声响应性基因活化基质（gene activated matrix，GAM）。这种GAM由包裹微泡的蛋白混合物、表达促骨折愈合骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）的质粒及小鼠成肌细胞构成。结果显示，这种基因活化材料和UMTD技术有协同作用，能够提高超声辐照的声孔效应，有效加快骨折愈合。UMTD技术联合新型的基因活化材料为骨再生工程提供了一种新的策略。
五、皮肤疾病
Liao等［23］研究了超声联合白蛋白微泡对促美白剂α-熊果苷透皮给药渗透深度、浓度和效率的影响。结果表明，超声联合微泡组的透皮给药渗透深度为84%，而单纯给药仅为47%。为期4周的周期中，小鼠皮肤变白的等级在1周后增加25%，3周后稳定至37%。该研究表明，优化超声参数联合微泡能提高皮肤渗透性，促进药物透皮吸收率，且不会损害皮肤。也有研究者［24］构建以具有抗感染作用的溶菌酶作为外壳的微泡，并进一步探讨其在超声的协同下对痤疮的效果。结果显示溶菌酶微泡组的抗菌效率明显高于单纯溶菌酶组，并且联合超声后，其抗菌效率进一步提高。体内实验结果显示，经过13 d后，超声联合溶菌酶微泡组的皮肤炎症治愈率高于单独溶菌酶微泡
组。该研究结果表明，超声联合溶菌酶微泡组可明显抑制疮短棒菌苗，缩短痤疮周期，有望成为一种炎症性皮肤病的新方法。最近，Liao等［25］构建以白蛋白为外壳的微泡，通过静电吸附作用将米诺地尔连在微泡表面，并研究联合超声是否具有促进毛发生长的作用。实验结果显示，超声联合米诺地尔微泡组的小鼠毛发生长率在第10天增加了22.6%，第14天增加了64.7%，相对于其他对照组差异具有统计学意义。进一步研究证明，该方法可加强米诺地尔疗效，促进毛囊的生长，缩短毛发的生长周期。因此，有理由相信UMTD技术未来将成为一种安全、高效且方便可控的微创给药方式。
六、眼科疾病
视网膜中存在一种类似于血脑屏障的结构——血视网膜屏障（blood retina barrier，BRB），其存在阻碍了经系统给药的药物进入视网膜，降低了药物效果。Park等［26］研究发现，静脉注射微泡联合超声辐照能够提高视网膜血管的通透性，促进药物的吸收，且经组织学评估证实，其未引起明显的视网膜损伤，经过3 h后，BRB恢复常态。Wan 等［27］通过共孵育增强绿荧光蛋白质粒（enhanced green fluorescent protein plasmid，pEGFP）和聚乙烯亚胺合成了一种阳离子络合物，并联合UMTD 技术进行体内外转染实验。体外实验结果显示，适宜的超声参数条件下实验组基因转染率明显高于对照组。体内实验结果证实，这种转染方式能提高视网膜组织的基因转染率，且没有明显的组织损伤，因此可将其应用于视网膜疾病基因。Gao等［28］也对联合UMTD技术进行体内基因转染的问题进行了研究，研究者构建视网膜母细胞瘤裸鼠模型，对照组不做处理，实验组注入含有
基因的微泡，联合低频超声辐照裸鼠眼球，经一定周期后，取出肿瘤组织进行分析。实验结果显示，超声辐照联合基因组中肿瘤组织微血管密度明显低于其他组，且诱导凋亡效应更明显，比单基因转染更高效，为视网膜母细胞瘤的拓展了新思路。
七、糖尿病肾病
骨髓基质细胞移植是糖尿病肾病的方法之一，它能够促进肾小管增殖，改善肾脏的损伤情况，加快肾功能的恢复。基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）有助于骨髓基质细胞的转移及归巢，利用这个机制联合UMTD技术递送SDF-1可能促进糖尿病肾病过程中骨髓基质细胞的归巢能力，从而改善疗效。为了验证这个设想，Wu等［29］制备了携载SDF-1的微泡，联合超声靶向递送SDF-1到小鼠的肾组织，并将荧光标记的骨髓基质细胞通过静脉注入糖尿病肾病小鼠体内，经24 h后评估骨髓基质细胞归巢能力。研究结果显示，小鼠的骨髓基质细胞归巢能力明显提高。由此可见，UMTD技术介导的SDF-1递送可促进骨髓基质细胞归巢到糖尿病肾病的肾组织中，有望成为糖尿病肾病的一种新方法。另外，有研究者认为骨髓基质细胞移植的效率与肾组织微环境的炎性反应有关。Wang等［30］用荧光标记骨髓基质细胞，随后和微泡一起通过静脉注入小鼠体内，并对经超声辐照的糖尿病肾病小鼠的肾组织进行评估。在透射电镜下观察前后的肾脏表现，发现超声辐照后局部肾毛细血管内皮超微结构发生改变，产生炎症反应。结果显示，后超声联合微泡组肾组织中骨髓基质细胞的含量明显高于对照组。因此，微泡联合超声辐照可以通过改变病变部位微环境来
促进骨髓基质细胞归巢，提高其效率。
超声造影剂最初仅用于临床诊断，目前已逐渐扩展到领域。研究者利用传统或新型超声造影剂作为载体，结合UMTD技术实现高效、定点以及可控的基因转染、药物递送和细胞归巢等功能，并同时具备成像功能。这些优点使UMTD技术在临床诊疗应用方面具有很大的潜力，虽然在目前的临床前研究中，该技术已经取得了一定的成果，但临床应用目前鲜有报道。UMTD技术的应用转化作为新兴事物，其发展道路必然是曲折的。相信不久的将来，随着多学科交叉融合的发展，UMTD技术将进一步焕发光彩，彰显其优势，逐步走向临床。
参 考 文 献
1 Devulapally R, Lee T, Barghava-Shah A, et al. Ultrasound-guided
delivery of thymidine kinase-nitroreductase dual therapeutic genes by PEGylated-PLGA/PIE nanoparticles for enhanced triple negative breast cancer therapy [J]. Nanomedicine (Lond), 2018, 13(9): 1051-1066.
2 Tian Y, Liu Z, Zhang L, et al. Apatinib-loaded lipid nanobubbles
combined with ultrasound-targeted nanobubble destruction for synergistic treatment of HepG2 cells i
n vitro [J]. Onco Targets Ther, 2018, 11: 4785-4795.
3 Huang S, Ren Y, Wang X, et al. Application of Ultrasound-Targeted
Microbubble Destruction-Mediated Exogenous Gene Transfer in Treating Various Renal Diseases [J]. Hum Gene Ther, 2019, 30(2): 127-138.
4 Upadhyay A, Yagnik B, Desai P, et al. Microbubble-Mediated
Enhanced Delivery of Curcumin to Cervical Cancer Cells [J]. ACS Omega, 2018, 3(10): 12824-12831.
5 Ho YJ, Wu CC, Hsieh ZH, et al. Thermal-sensitive acoustic droplets
for dual-mode ultrasound imaging and drug delivery [J]. J Control Release, 2018, 291: 26-36.
6 Drude N, Tienken L, Mottaghy FM. Theranostic and nanotheranostic
probes in nuclear medicine [J]. Methods, 2017, 130: 14-22.
7 Corbet C, Feron O. Tumour acidosis: from the passenger to the driver′s
seat [J]. Nat Rev Cancer, 2017, 17(10): 577-593.
8 Nishida N, Kudo M. Oncogenic Signal and Tumor Microenvironment
in Hepatocellular Carcinoma [J]. Oncology, 2017, 93 Suppl 1: 160-164.
9 Ho YJ, Chang YC, Yeh CK. Improving Nanoparticle Penetration in
Tumors by Vascular Disruption with Acoustic Droplet Vaporization [J].
报告与请示Theranostics, 2016, 6(3): 392-403.
10 Wang TY, Choe JW, Pu K, et al. Ultrasound-guided delivery of
microRNA loaded nanoparticles into cancer [J]. J Control Release, 2015, 203: 99-108.
11 Zhang M, Yu WZ, Shen XT, et al. Advanced Interfere Treatment of
Diabetic Cardiomyopathy Rats by aFGF-Loaded Heparin-Modified Microbubbles and UTMD Technique [J]. Cardiovasc Drugs Ther, 2016, 30(3): 247-261.桂河大桥百度影音
12 Zhao YZ, Tian XQ, Zhang M, et al. Functional and pathological
怎样学好化学improvements of the hearts in diabetes model by the combined therapy of bFGF-loaded nanoparticles with ultrasound-targeted microbubble destruction [J]. J Control Release, 2014, 186: 22-31.
13 Castle JW, Kent KP, Fan Y, et al. Therapeutic ultrasound: Increased
HDL-Cholesterol following infusions of acoustic microspheres and apolipoprotein A-I plasmids [J]. Atherosclerosis, 2015, 241(1): 92-99.
14 Lee PJ, Rudenko D, Kuliszewski MA, et al. Survivin gene therapy
attenuates left ventricular systolic dysfunction in doxorubicin cardiomyopathy by reducing apoptosis and fibrosis [J]. Cardiovasc Res, 2014, 101(3): 423-433.
15 Lin Q, Mao KL, Tian FR, et al. Brain tumor-targeted delivery and
therapy by focused ultrasound introduced doxorubicin-loaded cationic liposomes [J]. Cancer Chemother Pharmacol, 2016, 77(2): 269-280. 16 Carpentier A, Canney M, Vignot A, et al. Clinical trial of blood-brain
barrier disruption by pulsed ultrasound [J]. Sci Transl Med, 2016, 8(343): 343re2.
17 Lin CY, Hsieh HY, Chen CM, et al. Non-invasive, neuron-specific
gene therapy by focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening in Parkinson′s disease mouse model [J]. J Control Release, 2016, 235: 72-81.
18 Schleicher N, Tomkins AJ, Kampschulte M, et al. Sonothrombolysis
with BR38 Microbubbles Improves Microvascular Patency in a Rat Model of Stroke [J]. PLoS One, 2016, 11(4): e0152898.19 Liao AH, Chung HC, Chung HY. Efficacy of ultrasound mediated
microbubbles in diclofenac gel to enhance transdermal permeation in rheumatoid arthritis induced rat [J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2015, 2015: 3521-3524
20 Gao Q, Walmsley AD, Cooper PR, et al. Ultrasound Stimulation of
Different Dental Stem Cell Populations: Role of Mitogen-activated Protein Kinase Signaling [J]. J Endod, 2016, 42(3): 425-431.
21 He R, Zhou W, Zhang Y, et al. Combination of low-intensity pulsed
ultrasound and C3H10T1/2 cells promotes bone-defect healing [J]. Int Orthop, 2015, 39(11): 2181-2189.
22 Nomikou N, Feichtinger GA, Saha S, et al. Ultrasound-responsive
gene-activated matrices for osteogenic gene therapy using matrix-assisted sonoporation [J]. J Tissue Eng Regen Med, 2018, 12(1): e250-e260.
23 Liao AH, Ma WC, Wang CH, et al. Penetration depth, concentration
and efficiency of transdermal alpha-arbutin delivery after ultrasound treatment with albumin-shelled microbubbles in mice [J]. Drug Deliv, 2016, 23(7): 2173-2182.
24 Liao AH, Hung CR, Lin CF, et al. Treatment effects of lysozyme-
shelled microbubbles and ultrasound in inflammatory skin disease [J].
Sci Rep, 2017, 7: 41325.
25 Liao AH, Lu YJ, Lin YC, et al. Effectiveness of a Layer-by-Layer
Microbubbles-Based Delivery System for Applying Minoxidil to Enhance Hair Growth. Theranostics [J]. 2016, 6(6): 817-827.
26 Park J, Zhang Y, Vykhodtseva N, et al. Targeted and reversible blood-
retinal barrier disruption via focused ultrasound and microbubbles [J].
PLoS One, 2012, 7(8): e42754.
27 Wan C, Qian J, Li F, et al. Ultrasound-targeted microbubble destruction
enhances polyethylenimine-mediated gene transfection in vitro in human retinal pigment epithelial cells and in vivo in rat retina [J]. Mol Med Rep, 2015, 12(2) :2835-2841.
28 Gao R, Zhou X, Yang Y, et al. Transfection of wtp53 and Rb94 genes
into retinoblastomas of nude mice by ultrasound-targeted microbubble destruction [J]. Ultrasound Med Biol, 2014, 40(11): 2662-2670.
针刀
29 Wu S, Li L, Wang G, et al. Ultrasound-targeted stromal cell-derived
factor-1-loaded microbubble destruction promotes mesenchymal stem cell homing to kidneys in diabetic nephropathy rats [J]. Int J Nanomedicine, 2014, 9: 5639-5651.
30 Wang G, Zhuo Z, Yang B, et al. Enhanced Homing Ability and
Retention of Bone Marrow Stromal Cells to Diabetic Nephropathy by Microbubble-Mediated Diagnostic Ultrasound Irradiation [J].
Ultrasound Med Biol, 2015, 41(11): 2977-2989.
（收稿日期：2019-01-25）
铁钢砂（本文编辑：汪荣）
田宇航, 刘钊, 程文. 超声靶向递送技术的应用进展[J/CD]. 中华医学超声杂志( 电子版), 2019, 16(8): 631-634.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议