超声破坏微泡治疗肿瘤的研究现状

【摘要】 超声微泡造影剂是一种新型的基因传输和转染载体，有望成为基因或药物靶向治疗肿瘤的高效特异载体。本文就超声触发微泡破坏增强基因或药物转染的机制及其在抗肿瘤中的作用作了综述

【关键词】 超声;微泡造影剂;通透性;肿瘤治疗

　　　　超声微泡造影剂在肿瘤的基因治疗，尤其是在基因转染中发挥了越来越重要的作用。超声破坏微泡(ultrasoundtargeted microbubble destruction，UTMD)能靶向传输有治疗作用的基因或药物，提高其在肿瘤局部的剂量，减少全身性毒副作用。近年来的研究表明：载荷基因微泡在超声波辐射的触发下，通过破坏微泡增强微血管壁和细胞膜的通透性使微泡具有更高的靶向传输效率，进而提高基因的转染率，达到肿瘤靶向治疗的效果。本文就超声触发微泡破坏介导基因或药物转染的机制及用于肿瘤治疗的研究现状作一综述。

　　1 UTMD增强基因转染的机制

　　超声辐照本身可以促进基因转染，而UTMD则通过促使外来基因克服内膜屏障和增强细胞膜的通透性使基因表达效率提高。

　　1.1 超声波的空化效应

　　超声波的空化效应是一种集聚能量的有效方法，它具有把超声场中低能量密度变换为气泡内部及其周围的高能量密度特性，能量被集聚到极小的体积内，在气泡爆裂和振动时产生猛烈的作用致机体、细胞和微生物的损伤和破坏，是液体中高强度超声应用的基础。在强声场较低时，微泡将发生对称性的膨胀和惯性压缩运动，气泡的直径保持相对恒定而不破裂，称为稳态空化(stable cavitation);在强声场较高时，微泡产生非对称性的膨胀和压缩，最终在超声作用下破裂崩溃，称为瞬态空化(inertial cavitation)。Sundaram等[1]用低频超声(20～100 kHz)辐照3T3小鼠成纤维细胞摄取荧光物质钙黄绿素时，发现在超声辐照过程中同时发生了瞬态空化和稳态空化，且几乎每一个阶段的瞬态空化都包括泡沫膨胀、崩溃和冲击波，这将导致细胞膜的通透性增加。

　　1.2 微泡通过超声波作用增强微血管壁的通透性

　　通常情况下，质粒DNA、药物载体颗粒很难穿越内皮屏障离开毛细血管。超声辐射微泡破坏产生的生物学效应可使微血管破裂、血管内皮细胞收缩、细胞间隙增宽及微血管壁通透性增大。汤庆等[2]研究表明，微泡造影剂SonoVue可增强超声辐照对肝癌组织微血管通透性作用。由于微泡破裂而引起的毛细血管破裂为药物载体颗粒在靶组织中克服内皮屏障进而发挥作用创造了条件。Xie等[3]的研究表明，当应用经颅超声探头时，在微泡破裂的作用下，可增加一些小分子药物进入中枢神经系统的量。Bekeredjian等[4]以ACI大鼠后肢皮下种植的肝肿瘤为模型，注入标记荧光素的裹DNA微泡及偶氮蓝，随后行超声照射，并对外渗的偶氮蓝进行定量化，结果发现实验组偶氮蓝量是对照组的5倍，说明超声介导的微泡破坏可增强肿瘤组织局部毛细血管的通透性。Ay等[5]将离体兔心脏灌注了微泡造影剂，用二次谐波超声照射后，观察到心肌内有出血点，光镜下发现毛细血管破裂，红细胞外渗到周围组织内，在超声辐射(MI=1.6)下，毛细血管破裂的比例为(3.6±1.4)%。微血管通透性的改变很大程度上依赖于气泡的大小、浓度、超声波的频率和发射的声压。

　　1.3 微泡通过超声波作用增强细胞膜的通透性

　　 活性氧自由基可引发脂质过氧化连锁反应使细胞膜的完整性、通透性改变，而超声能促使内皮细胞释放活性氧自由基;磷脂包被的微泡比较容易通过细胞膜磷脂双层;微泡在高能超声照射下能使局部组织的温度短暂升高，从而影响细胞膜的通透性[6]。Korosoglou等[7]报道，脂质微泡存在时，超声辐照能增加细胞膜通透性，但不损伤细胞及影响中性粒细胞活性。Taniyama等[8]研究也发现，微泡破裂可以使内皮细胞间隙增宽，使细胞膜的通透性明显加强，甚至会使细胞膜产生暂时地、可逆性的小孔。尽管超声已经被证明可以增加细胞膜的渗透性，但微泡造影剂的加入将大大增强其效应。Marmottant等[9]研究显示：在极低强度(MI&<0.05)180 kHz超声辐射下，微泡造影剂会产生稳定而柔和的振荡，引发微射流，并在气泡表面及周围产生流速极高的切变应激力，从而使细胞膜的脂质双分子层断裂，产生微孔。这表明微泡在高度集中的低强度超声作用下，对增加细胞膜的通透性产生了良好效果。

　　2 UTMD在肿瘤治疗中的应用

　　肿瘤基因治疗是通过选用适当的载体将基因或药物转入细胞中，以补充缺失的基因或使细胞获得新的功能，从而达到治疗的目的。如何将基因或药物特异性地转入靶细胞并且稳定高效低毒表达是进行肿瘤基因治疗的关键所在。目前病毒载体受免疫原性和潜在致突变性的限制，因此不能保证其使用的安全性。而相对于其他非病毒载体，在肿瘤治疗的基因或药物传输中超声微泡造影剂是一种更安全、高效的新型载体。它通过靶向性释放携带的基因或药物，介导肿瘤的治疗，以减少对正常组织、细胞的损害。微泡与治疗性物质的结合方式有:直接黏附于微泡表面、嵌入微泡膜中、非共价结合于微泡表面、内部包含或与内层油膜结合等。Crowder等[10]将载入脂溶性药物的微泡加入到体外培养的高表达αvβ3的C32黑素瘤细胞中，结合超声照射，结果可见细胞浆内脂溶性药物浓度是对照组(未使用微泡造影剂)的2倍。Rapoport等[11]制备载药多聚物微球和纳米微泡，运用超声辐射微泡破裂技术介导多柔比星对MDAMB31乳腺癌移植瘤进行治疗，实验结果显示：静脉注射的载多柔比星微球可被微泡破裂释放出来，并选择性地渗透至肿瘤间质中，导致肿瘤退化。Aoia等[12]运用超声辐射使微泡破裂，将单纯疱疹胸腺激酶基因成功地导入肿瘤细胞中。

　　UTMD的过程中能产生一些生物学效应，可以诱导细胞凋亡或增强肿瘤细胞对化疗作用的敏感性。彭晓琼等[13]用频率为300 kHz超声波辐照不同剂量的微泡造影剂，研究其对体外培养的人乳腺癌细胞株MDAMB231的生物学效应，发现在相同超声辐照条件下，随着微泡浓度增加，超声对乳腺癌细胞的杀伤效应增强，而当微泡浓度增加到40%时，乳腺癌细胞的即刻杀伤率达到了42.3%。超声微泡介导的肿瘤基因治疗能够干扰肿瘤细胞的生长规律，纠正其恶性表型，加强肿瘤局部微环境和抗肿瘤系统的功能。Miller等[14]将微泡造影剂联合质粒DNA注入到荷瘤小鼠瘤内，然后用超声辐照肿瘤，结果显示：与对照组(未使用微泡造影剂)比较，治疗组(使用微泡造影剂)质粒DNA的表达增加了34倍并且肿瘤停止了生长，而对照组肿瘤体积增长了2.8倍。Haag等[15]将携人雄激素受体反义寡核苷酸的微泡造影剂注射到裸小鼠前列腺癌移植瘤中，经超声靶向辐照肿瘤后发现前列腺癌细胞中雄激素受体表达明显降低，肿瘤生长受到抑制。

　　肿瘤的生长和转移依赖于新生血管形成，阻断肿瘤组织中毛细血管的形成可致肿瘤缺血、缺氧，增加肿瘤细胞凋亡，继而抑制肿瘤生长，阻止其向身体其他部位转移。Hwang等[16]研究表明微泡造影剂在低频低功率超声辐照下能够破坏血管内皮层，进而导致血栓表面暴露，促使血栓形成活化，此作用限制了特定部位的血流，能够阻断恶性肿瘤组织的血供。低功率超声破坏微泡还可以引起肿瘤的血管栓塞。肿瘤靶向治疗针对肿瘤新生血管内皮表达的生长因子受体和黏附分子受体家族的多个靶点，特异性高。抗肿瘤血管生成基因治疗通过向肿瘤或靶细胞周围组织导入血管生成调节因子，改变肿瘤血管诱导因子和抑制因子之间的平衡，从而达到治疗肿瘤的目的。超声微泡造影剂可以使所携带血管生成调节因子在靶组织或细胞中定向释放，有效促进大分子物质的胞内传输。Emoto等[17]研究发现，在超声辐射下将携带血管生成抑制剂TNP470的微泡定位于肿瘤血管内皮细胞上，其抗肿瘤的效果明显增强。DuvshaniEshet等[18]运用治疗性超声长时间辐照(20 min)前列腺癌细胞，使其进行有效转染，并通过体内实验将PEX(血管发生因子的抑制物)传输到肿瘤细胞中，结果使得肿瘤细胞的增殖受到抑制并诱导其发生凋亡。

　　3 展望

　　作为一种新兴的基因传输和转染技术，UTMD介导基因转染具有高效性、低毒性、低免疫原性、微创、可重复使用等其他载体无法比拟的优点，已成为肿瘤基因治疗中具有潜力的新技术。超声微泡介导的基因传输系统受到如超声波强度、细胞类型、靶细胞表面抗原水平和环境因素等多种因素制约。目前大部分靶向微泡的构建还处于实验探索阶段，要达到临床应用的要求还需进一步研究以保证其稳定性、靶向性和安全性。

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