2023超声靶向微泡破坏技术在脑胶质瘤治疗中的应用进展.docx

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1、2023超声靶向微泡破坏技术在脑胶质瘤治疗中的应用进展摘要脑胶质瘤(glioma)是成人中枢神经系统最常见的原发性颅内恶性肿瘤，由于脑胶质瘤浸润生长的特性，单纯手术难以完全切除。目前主流治疗方案是手术切除联合放射治疗、化学治疗或生物治疗。由于血脑屏障、血瘤屏障及酶屏障等多重因素的存在，药物很难达到或渗透肿瘤，患者5年生存率鲜有明显改善。超声靶向微泡破坏技术通过超声空化效应能够可逆地开放生物屏障，促进靶向药物、基因治疗载体以及化学治疗药物的吸收，在脑胶质瘤治疗中具有重大意义。脑胶质瘤起源于外胚层，包括星形细胞瘤、少突神经胶质瘤、间变性星形细胞瘤、间变性少突胶质细胞瘤、胶母细胞瘤等组织学分型，是成

2、年人颅内最常见的原发恶性肿瘤，占中枢神经系统原发肿瘤的25.1%,占中枢神经系统恶性肿瘤的80.8%1o美国每年新增脑胶质瘤病例约200000例2o而在我国每年脑胶质瘤发病率为(3.06.4)/10万人，占中枢神经系统肿瘤的23.3%,占全部恶性肿瘤的78.3%;其中恶性程度最高的胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM,WHoIV级)发病率最高,约为4.03/10万人3o脑胶质瘤因恶性程度、复发率及致残率高等特点，给患者生命健康带来了极大威胁，中位生存期仅14.6个月,5年生存率低于10%4o目前手术最大限度切除肿瘤后联合放射治疗(radiother叩y)和化学治疗(chemother

3、apy)是脑胶质瘤标准的临床治疗方法。但脑胶质瘤浸润生长的特性使得瘤体与正常脑组织之间边界模糊不清，且部分脑胶质瘤位置较深，单纯手术难以完全切除。部分患者在应用替莫嘤胺等药物治疗后肿瘤易产生耐药总生存时间未得到明显提高，预后未显著改善5o因此，探索脑胶质瘤治疗的新方法具有重要意义。声动力治疗(sonodynamictherapy)利用超声波较强的组织穿透性，通过会聚多束低频超声波可达到较深部位的脑肿瘤组织。超声波本身具有空化效应(cavitation),在与5-氨基乙酰丙酸、荧光素等声敏剂的相互作用还可诱导更广泛的生物效应，在颅内肿瘤的非侵入性治疗中表现出了极大的潜力6o超声靶向微泡破坏(ul

4、trasoundtargetedmicrobubbledestruction,UTMD)作为一种高效的声动力治疗方法7,8,首先利用微泡荷载化疗药物、基因治疗载体或单抗等递送至体内。随后通过低频率、彳氐功率超声的空化效应损伤肿瘤微循环血管内皮，可逆地开放血脑屏障。再通过超声波机械作用爆破微泡，从而靶向控释促进化疗药物或基因治疗载体的吸收。UTMD还可产生活性氧reactiveoxygenspecies热效应等，抑制肿瘤血管生成并诱导肿瘤细胞凋亡9oUTMD因其精准、高效、安全和可重复性强等优点为脑胶质瘤治疗提供新途径。因此,探索UTMD技术在脑胶质瘤治疗中的机制、疗效和前景具有重大意义。作者利

5、用检索词脑胶质瘤超声靶向微泡破坏血脑屏障对中国知网、大医医学搜索及Pubmed数据库近20年来的文献进行检索，就UTMD技术在脑胶质瘤治疗方面的应用进展进行综述。一、UTMD技术及其作用机制UTMD是将治疗药物或基因加载至微泡中并通过静脉注射输送至血液循环，在超声波的作用下破坏微泡并促进靶组织或靶器官处的化学治疗药物或治疗基因释放的技术10o此技术将超声波与微泡载体相结合，最大限度地发挥了二者的治疗优势：一方面，超声微泡本身可作为良好的显像对比剂，在脑胶质瘤组织中成像，清晰显示肿瘤边界，从而更加精准地引导超声波束会聚点位；另一方面超声波的机械作用可逐一击破微泡，在肿瘤组织中释放药物或基因治疗载

6、体等。UTMD促进药物与基因治疗载体吸收的生物学机制尚未完全明确，目前认为主要与空化效应及其二级效应、声孔效应(Sonoporation)、活性氧、细胞内吞作用(endocytosis)与声辐射力(acousticradiationforce)等相关11(图11其中，空化效应可能是UTMD发挥生物学效应最主要的机制12o根据微气泡所受超声波压力强度与其经历膨胀和收缩交替的过程，空化效应分为稳态和瞬态2种模式。超声发射的谐波诱导微泡发生振幅相对较小的反复振荡产生稳态空化效应；而微泡在较大声压超声辐照下发生剧烈震荡以致爆破释放大量能量,产生瞬态空化等更剧烈的生物学效应130空化效应对周围细胞膜与血

7、管壁施加剪切力，导致其通透性增大并形成孔隙，这个过程就是声孔效应8z14,药物与基因在孔隙封闭前进入细胞质或血管外组织间隙，声孔效应可增强细胞膜的通透性，增加基因及药物的递送。稳态空化和瞬态空化均可产生声孔效应15当微泡浓度或超声强度较低时，细胞膜的损伤程度较小，细胞膜孔30m2时，它可以在1min内重新封闭修复，细胞能够继续存活；而当微泡浓度或超声强度加大，孔隙持续存在，当细胞膜孔100m2或细胞外钙离子缺乏时，则孔径永久不会再关闭，可能产生不可修复性声穿孔效应甚至导致细胞凋亡16o有研究者认为稳态空化相关的可修复声孔效应是UTMD介导物质递送的主要机制17o而更多研究则认为稳态空化不足以引

8、发声孔开放，瞬态空化才是引起声孔开放的主要机制18,19,20,且超声透入理论证实超声在空化核存时可诱导细胞膜膨胀，这种变形可能导致细胞膜形成细孔，微泡可直接进入细胞，并在进入细胞后快速溶解，触发基因及药物的递送21oROS是UTMD促进药物递送最重要的间接机制。UTMD产生高浓度活性氧，既能通过氧化应激、DNA损伤和细胞凋亡等机制直接杀死肿瘤细胞,又能提高细胞膜的温度，改变膜磷脂的流动性，使膜的通透性达到最大化,从而促进对药物或基因的摄取6,11JOUTMD产生的过氧化氢可刺激细胞内吞作用11,促进钙离子内流并激活钙离子依赖性的钾离子通道，进而使细胞膜产生局部超极化，增强细胞膜转运功能，增加

9、细胞对大分子物质的摄取，Ma等22并进一步提出UTMD对内吞作用的初始刺激可能是由网格蛋白介导的机制。声辐射力对载药微泡的推动作用，提高了靶向微泡黏附率，使大量微泡聚集于治疗靶区，不仅提高靶向造影效果，还可显著提高靶区局部微泡浓度。声辐射力还会将微泡推向血管壁，有助于增强UTMD的递送效果。UTMD还可安全、高效地将中枢神经屏障的内皮细胞间缝隙变宽，可逆性地开放血脑屏障、血肿瘤屏障、血脊髓屏障、酶屏障等各类脑部屏障，使药物能够顺利透过17,23,24,为脑胶质瘤等中枢神经系统肿瘤的精准靶向治疗带来新的机遇。二、UTMD技术在基因治疗脑胶质瘤方面的应用基因治疗是将目的基因导入靶组织细胞中进行表达

10、，纠正或补偿异常缺陷表达的基因，以治疗因基因异常表达引发疾病的技术25目前，基因治疗已应用于包括肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病在内的多种疾病的临床实践26o而提高目的基因在靶细胞中的转染效率及表达量是肿瘤基因治疗成功的关键因素。UTMD技术可将目的基因安全高效地导入靶组织细胞内，并促进其表达的特性，引起了学界的广泛关注，已有部分研究开始尝试在胶质瘤基因治疗领域应用UTMD。Cai罩27I等小干扰RNA(SmallinterferingRNA,siRNA)装载至生物素-链亲和素修饰的纳米微粒，装载基因的纳米微粒内径300-700nm,能成功穿越大鼠胶质瘤血管内皮间隙，实现肿瘤靶向成像。既解决了微

11、泡尺寸大无法通过肿瘤血管的局限性，又充分利用了UTMD声孔效应增加局部肿瘤组织对siRNA基因的摄取，减轻了对临近正常组织的影响及全身不良反应。此研究证实携带siRNA的纳米微粒联合UTMD可以提高siRNA转染效率，为纳米微粒基因治疗载体联合UTMD治疗脑胶质瘤提供了动物实验支持。Yang等28证实载有规律成簇的间隔短回文重复及相关蛋白9脂质-06-甲基鸟瞟岭-DNA甲基转移酶-环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽聚合物杂化修饰的纳米微粒联合超声微泡(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeat-associatedprotein9-O6

12、-Methylguanine-DNAmethyltransferase-cyclicarginine-glycine-asparagine,即超声+MBs-LPHNspCas9MGMT-CRGD复合物)能够有效、安全、局部地开放血脑屏障。物理靶向(超声-微泡)和生物靶向(配体-受体介导)相结合的级联基因复合物作用于肿瘤组织，增强了替莫嘤胺对胶质瘤细胞的敏感度及杀伤作用，抑制了肿瘤生长，延长了小鼠生存时间，降低了脑组织和神经功能损伤的风险。三、UTMD技术在药物递送治疗脑胶质瘤方面的应用微泡联合UTMD不仅可提高脑胶质瘤局部生物大分子如基因载体的递送效率。UTMD也被证实可提高脑胶质瘤动物模型中

13、肿瘤局部的小分子化疗药物的浓度。Pi等29研究显示UTMD联合微泡组诱导血脑屏障开放后华口卜琳钠(Sinoporphyrinsodium)的聚集量与单纯静脉注射药物组对比增加了3.43倍。华口卜琳钠递送后再进行低强度(2.94Wcm2)短时间(1min)的声动力治疗，能进一步有效地抑制颅内脑胶质瘤的生长,延长U87MG-Red-Fluc荷瘤大鼠的生存时间。证实UTMD能通过诱导可逆性血脑屏障开放和提高实体瘤本身通透性及滞留效应，使华吓琳钠在肿瘤靶区的积累量显著增加。虽然在动物试验中UTMD可以提高药物在脑胶质瘤局部靶区的积累量，然而，传统微泡的直径数量级在微米水平，不具备跨细胞间隙进入组织间质

14、的能力，更难以透过血管壁到达肿瘤内部,且半衰期时间短，一定程度上限制了UTMD在联合微泡递送药物上的应用30O近年来，部分研究结果表明，纳米颗粒具有低毒性、低免疫原性、生物可降解性及可重复应用等优点，同时纳米微粒的稳定性和负载量较微泡均显著提高，在血液循环中的半衰期较长31,32o纳米微粒可通过血管间隙直接进入靶区组织内进行显像，弥补了微米级别的微泡不能穿过血管内皮屏障的劣势；纳米微粒还能够降低空化阈值，减少空化脱靶效应的发生，增强细胞膜的通透性，同时刺激药物实时释放25,33,提高了UTMD联合载体靶向治疗的效率34o不仅纳米微粒可对UTMD的疗效进行优化，UTMD本身的参数调整也可提高疗效

15、。如前所述，部分研究者认为瞬态空化才是引起声孔开放的主要机制18,19,20oWang等30采用高强度超声聚焦照射诱导携带黄藤酸的聚乳酸-羟基乙酸阳离子纳米微粒(GA/PLGA-CMBs)在小鼠胶质瘤模型中肿瘤靶区内的聚集，进一步提高了渗透肿瘤细胞的黄藤酸浓度，增强了对肿瘤生长的抑制作用。其机制在于UTMD高强度超声能安全有效地打开血脑屏障,使血液循环中的GA/PLGA纳米微粒更多地分布于肿瘤组织区域，以及高声压强度引起的纳米微粒瞬间空化，能破坏肿瘤组织并在靶区精准释放GAPLGA35o上述研究结果证实了新型载药纳米微粒联合UTMD增加药物的摄取量以及提高脑胶质瘤治疗效果的可行性。四、UTMD

16、技术在免疫治疗脑胶质瘤方面的应用肿瘤免疫治疗是利用肿瘤细胞表面特异性表达的分子对免疫细胞进行改造，利用改造后的免疫细胞对肿瘤细胞抑制或杀灭。免疫治疗是新型的胶质瘤治疗模式，具有高靶向性及无不良反应等优点36o然而胶质瘤细胞自身不仅可以表达肿瘤免疫抑制因子，还可以通过高表达免疫检查点配体共同高度抑制免疫反应，增加肿瘤微环境缺氧、肿瘤畸形血管增生和免疫逃逸，使免疫治疗较难穿透瘤体组织，加上免疫细胞积累不足和功能障碍等，又进一步限制了肿瘤免疫治疗的效果。因此，单纯应用免疫疗法治愈脑胶质瘤较为困难37oUTMD与肿瘤免疫治疗联合,可通过纳米微粒增加药物活性并延长其半衰期，提高免疫治疗的生物利用度、特异性和特异性持续时间，同时降低全身毒性。已有研究证实纳米颗粒靶向联合输送氧气(02)和一氧化氮(NO)可以激活抗肿瘤免疫反应，并