史忠阳　于德平

（吉林省通化市中心医院，吉林 通化 134000）

超声微泡和超声空化效应在生物医学中的应用探讨

史忠阳于德平

（吉林省通化市中心医院，吉林 通化 134000）

随着新型超声技术和超声对比剂的研究和在医学领域中的广泛应用，超声对比剂和空化效应联合运用，作为一种新型治疗手段，具有安全、高效、操作简单的优势，在药物输送、基因治疗以及肿瘤和炎症的靶向治疗中显示了巨大的应用价值。本文参考近几年文献，综述了超声微泡和超声空化效应的治疗机制及其应用。

超声微泡；空化效应；靶向治疗

超声微泡（microbubbles）又称超声对比剂（ultrasound contrast agents，UCA），最初是被设计用于显像诊断，其原理是根据声波对气体的反射比液体大约1000倍，通过声速的改变、声衰减、增强后散射等不同方式改变声波和组织之间的相互作用，增强超声回声而达到很高的分辨率，提高显影清晰度，达到显像诊断的目的［1］。

1　超声微泡的分类和发展

超声微泡又称超声对比剂、升学增强剂，主要由大分子材料包裹无毒的惰性气体形成微小气泡，可经静脉注射。其发展经历了三个阶段。第一阶段是自由气体，无成膜材料，不能静脉注射，只能通过导管插入心腔内或主动脉。这种检查方式具创伤性。且由于微泡存在时间很短暂、成泡太大、无法经过肺循环，使得左心无法显影，极大地限制了临床应用。第二阶段出现了膜材料，主要是脂类、白蛋白和多糖，气体是空气。这个价段的膜材料比较稳定，微泡直径较小，持续时间延长，可经静脉注射，左右心室都可显影，实现了向非创伤性的进一步发展。第三阶段使用的气体主要是氟碳气体和氟化气体，分子大、溶解度低，具有生物惰性。膜材料使用了脂质体、磷脂、生物可降解的高分子多聚物及非离子表面活性剂等，稳定性和抗压性提高［2］。

理想的超声微泡应该具有以下特点：衰减性低，散射性强，体内稳定性良好，微泡与红细胞的分布、大小、流速应一致，静脉注射后能自由通过肺循环，安全性好，对血流动力学特性不会造成影响。

2　超声空化的发展

超声空化效应指的是液体中的微气泡在超声作用下产生收缩、膨胀、震荡以及内爆等一系列动力学过程，伴有瞬态高压、高温、放电、冲击波和微射流等多种能量释放行为。这种效应作用在组织界面，使得细胞壁、质膜击破，细胞膜通透性增加，产生可逆性或非可逆性小孔，这也就是超声空化产生的声孔效应。

1849年，英国海军发现螺旋桨的转动会产生大量气泡，这些气泡在水的压力下收缩内爆，造成了螺旋桨的剧烈震动。这是历史上第一次描述了空化现象的物理本质［3］。

3　超声微泡的治疗机制

超声微泡现已被用于溶栓治栓、药物输送、基因治疗、肿瘤治疗等医学领域，主要利用微泡的增强作用和超声的空话效应。最近，对超声微泡的研究开始转向对其进行表面修饰，达到功能基化，在靶向递药和靶向治疗方面有很大的潜力。

3.1空化效应：声波通过液体时会使声压在液体不同部位发生周期性变化，同时液体中的微泡核会发生周期性的震荡［4］。声强较低时，声压直接影响气泡径向震荡，微气泡在平衡半径方向震荡数次，每一个微气泡周围会产生微束流，可以在气泡表面产生很高的应激力，导致气泡变形及破碎，同时会影响到周围的细胞和生物大分子，产生相应的生物学效应。当声强较大时，气泡的震荡变为由其周围介质惯性控制。超声场负压相半周期内，空化核急速膨胀，正压相半周期内，空化核急速收缩直至内爆，此时称为惯性空化或瞬间空化。瞬间空化在最后阶段可产生局部高压高温，同时伴有自由基和强大的冲击波产生，这些力量可杀死肿瘤细胞，但对正常细胞也会有很大的杀伤力。

加入超声微泡，可以增加空化核，增强空化效应。此外，空化效应受到很多其他因素的影响，如超声的频率、强度，液体的性质等［5］。

3.2靶向作用：超声微泡的靶向作用分为主动靶向和被动靶向。主动靶向是指微泡表面经过不用方式的处理，如特异性抗原和特异性受体、配体的表面修饰，或是通过亲和素-生物素将微泡与靶标结合，从而可以靶向显影，达到靶向诊断、靶向治疗的目的。被动靶向是指微泡不经表面修饰，利用其本身的电荷及化学特性滞留于病变组织，实现一定程度上的靶向作用。

4　超声微泡和超声空化效应的应用范围

4.1炎症靶向诊断和治疗：当组织发生炎症时，血管内皮细胞会产生特定的标志物，如E-选择素、P-选择素等，它们可增加内皮细胞核白细胞之间的黏附作用，促使白细胞聚集，然后穿过血管内皮细胞，趋化聚集在炎症处。于是利用这些黏附分子的配体或抗体，可使微泡靶向到达炎症病灶，从而实现血管内皮炎症的靶向显影及药物靶向递送。Villanueva等［6］将ICAM-1抗体与全氟丁烷微泡共价结合，可靶向到达产生黏附分子的活化内皮细胞。

4.2溶栓治疗：目前常用的针对血栓的治疗方法有血管内超声消融、体表超声助融、静脉注射溶栓剂等。血管内超声操作复杂、无法治疗细小的血栓、易发生血管壁破损，属于有创性治疗，存在诸多缺点。静脉注射溶栓剂也会引起出血等各种并发症，应用收到很大局限。有研究证实［7］，微泡可与溶栓药物结合，然后经过表面修饰特定抗原，即可达到靶向治疗效果。同时结合体表超声作用，空话效应使微泡破裂，可加快血栓的软化和溶解。该方法安全、无创伤，疗效更快、更好，切能够减少药量。Nishioka等［8］研究显示，DDFP超声微泡可增强超声空话效应，有很好的溶栓效果，切不会损伤周围组织细胞。有研究表明，微泡可以通过肺循环，迅速到达血栓部位，增强血栓部位与周围组织的对比，而且不会改变血流动力学。

超声微泡溶栓作用主要是利用空化效应产生机械损伤，同时增强溶栓药物的靶向作用，达到快速溶栓的目的。此外，靶向显影可以增加诊断的灵敏度，改善影像质量。

4.3基因治疗：基因治疗带给人来治疗遗传病、心血管疾病、肿瘤等重大疾病的希望。但是基因载体的缺乏以及基因转移方法的难题限制看基因治疗的发展和应用。近年来有研究显示，超声微泡介导基因传送，能够明显提高外源基因的转染率和表达率，是一种很有潜力的治疗手段。有报道指出［9］，超声可使质粒脂质体转染率增加3倍，使DNA对血光内皮转染绿增加10倍。如果超声微泡与空话效应结合使用，可使质粒转染率增加300倍。如果用脂质体微泡与空化效应结合使用，质粒基因的转染率则会增加3000倍。目前，超声微泡及空化效应增加基因转染率的具体机制尚不明确。有学者认为，超声空化效应增加局部细胞膜的通透性，甚至会形成可逆性小孔，是增加转染率的一个原因［10］。另外，微泡破碎会产生一定的冲击力，加速基因的转染。还有学者认为超声可增加与细胞损伤修复的基因的表达，从而上调了外源基因的表达水平［11］。

4.4药物递送：利用超声微泡的靶向作用，实现药物的靶向递送，提高病灶部位药物浓度，提高药效，减少全身药量，降低对全身器官的不良反应。在各种微泡中，脂类微泡本身具有被动靶向性，且安全性、稳定性高，在药物靶向递送方面研究较多。目前，超声微泡作为一种新型药物递送系统尚处于基础研究阶段，很多问题需要更深入地研究。安全性问题是个首要要解决的问题，超声微泡对健康细胞的破坏作用一直是有关研究的难点。另有报道［12］指出，超声微泡可能产生心腔内溶血的不良反应。

5　展 望

总之，超声微泡和空化效应作为一种高效、简单、无创伤、有靶向作用的新型治疗手段已收到越来越多的关注和研究，很多为题亟待研究和解决。相信随着分子生物学、超声生物物理学以及超声工程学的不断进步，超声微泡和空化作用在生物医学领域会有长足的进步。

［1］冉海涛，任红，王志刚，等.超声波空化效应对体外培养细胞细胞膜作用的实验研究［J］.中华超声影像学杂志，2003，12（8）:499-501.

［2］金玉.超声微泡在治疗中的应用［J］.国外医学（心血管疾病分册），2003，30（4）:231-233.

［3］Liu Y，Miyoshi H，Nakamura M.Encapsulated ultrasound microbubbles:therapeutic application in drug/gene delivery［J］.J Control Release，2006，114（1）:89-99.

［4］Folkman J，Watson K，Ingber D.Induction of angiogenesis during the transition from hyperplasia to neoplasia［J］.Nature，1989，339（6219）:58- 61.

［5］李蓉，周琦，王志刚，等.超声联合载药微泡对卵巢癌移植瘤的抑瘤作用及对 P53，VEGF表达的影响［J］.中国超声医学杂志，2010，26（6） :500-503.

［6］Villanueva FS，Jankowski RJ，Klibanov S，et al.Microbubbles targeted to intercellular adhesion molecule- 1 bind to activated coronary artery endothelial cells［J］.Circulation，1998，98（1）:1- 5.

［7］朱栋晓.高强度聚焦超声治疗肿瘤的研究进展［J］.实用临床医药杂志，2005，9（1）:39- 41.

［8］Nisioka T，Luo H，Fishbein MC，et al.Dissolution of thrombotic arterialocclusion by high intensity，low frequency ultrasound and dodecafluoropentane emulsion: an in vitro and in vivo study［J］.J Am Cell Cardiol， 1997，30（6）:561- 568.

［9］肖群根，张涛，毛峰，等.LRIG 1过表达对顺铂诱导的胶质瘤细胞凋亡的影响及其机制［J］.华中科技大学学报:医学版，2012，41（6）:656-659.

［10］Kedar U，Phutane P，Shidhaye S，et al.Advances in polymeric micelles for drug delivery and tumor targeting［J］.Nanomedicine，2010，6（6）:714-729.

［11］康娟，吴小翎，张勇，等.载多西紫杉醇脂质超声微泡对比剂对兔VX 2肝癌增殖和凋亡的作用［J］.中国超声医学杂志 ，2009，25（7） : 642-645.

［12］曾令成，万锋，叶飞，等.生理氧环境下 CD133分子在脑胶质瘤干细胞的表达［J］.华中科技大学学报:医学版，2012，41，（4） 423-426.

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