王 瑞, 罗玥媛, 单海燕, 廖承德

(云南省肿瘤医院/昆明医科大学第三附属医院 放射科, 云南 昆明, 650118)

血脑屏障(BBB)是阻止有害分子进入大脑的重要保护屏障，但其同时也阻止了大分子药物的输送，使得大多数药物在神经退行性疾病的治疗中应用受限，这是目前神经退行性疾病治疗方面的主要难题。在神经退行性变过程中, BBB的分子运输机制可能会发生改变，进而影响治疗药物在大脑中的分布，降低其治疗效率[1]。因此，开发创新性的给药方法是促进神经退行性疾病治疗成功的迫切需求。磁共振成像(MRI)引导的聚焦超声(FUS)已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于治疗运动障碍患者的病变脑区，较低强度的脉冲超声与微泡相结合能可逆性地开放BBB，从而改善药物在大脑中的生物利用度。本文对FUS在神经退行性疾病中的应用现状和研究进展进行综述，旨在进一步提高FUS的安全性与有效性。

1 BBB是神经退行性疾病治疗药物传递的主要障碍

BBB是脑毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障，主要由脑微血管内皮细胞(BMECs)、周细胞、星形胶质细胞和基底膜(BM)组成，控制着血液与脑实质之间的分子交换[2]。与其他血管内皮细胞相比, BMECs具有独特的形态、结构和功能特征: ① BMECs紧密连接蛋白可连接相邻内皮细胞之间的细胞旁通路，从而防止极性(水溶性)分子在血液和大脑之间的不受调节的通过; ② BMECs缺乏主动转运机制，可调节必需分子(包括营养素和必需氨基酸)的通过，同时阻断潜在的内源性物质和异种物质的通过[3]; ③ BMECs中存在药物代谢酶例如CYP450酶，可导致代谢屏障的形成[4-5]。尽管BBB对维持大脑正常功能至关重要，但其亦限制了治疗剂渗透到中枢神经系统的能力[6]。因此，调控BBB开放对于促进神经退行性疾病治疗的发展至关重要。

2 FUS

与其他药物传递方法相比, FUS具有重要的优势，例如非侵入性、高时空精确度和可逆性，且有希望获得额外的治疗效果[7], 故FUS具有成为治疗神经退行性疾病的创新多模式工具的潜力。FUS是利用换能器阵列产生多个超声波束通过声透镜聚焦在目标上，使波束相交之处产生热效应和空化效应达到治疗效果，而单个波束穿过组织之处则不产生治疗作用[3-4]。高强度的FUS与磁共振实时成像结合使用后可监视目标部位的温度变化，最大限度地避免对周围组织的损伤。目前，该技术已被应用于子宫肌瘤、前列腺癌、肾结石等疾病的治疗中。另外, FUS与气态的微泡相结合可有效而短暂地增强BBB通透性，改善药物在大脑中的生物利用度。相关研究[8]发现，BBB的开放效应是通过超声场中微泡和血管系统复杂的相互作用实现的，开放程度取决于超声参数(频率、声压、脉冲重复频率、脉冲长度、超声时间)和微泡性质。

3 微泡在FUS中的应用

微泡由白蛋白、脂质和稳定的聚合物外壳组合而成，常与FUS一起使用，其直径约为10 μm甚至更小，一旦进入循环系统，就会迅速分散到血液中。当微泡通过会聚光束的焦点时, FUS会激活微泡，导致气体核心的膨胀和收缩，对BMECs产生机械效应，使作用部位的BBB的内皮细胞之间的紧密连接打开，导致血管通透性增加，从而允许构成外壳或由外壳携带的物质得以释放[9]。相关研究[10]证明，在动物模型中，28 kHz至8 MHz的超声频率结合微泡能成功打开BBB, 实现中枢神经系统的靶向药物递送。

4 FUS治疗神经退行性疾病

尽管人们对神经退行性疾病的病理机制有所了解，且发现了具有潜力的临床前候选药物，但阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)痴呆和肌萎缩侧索硬化症等严重神经退行性疾病目前仍无治愈方法，其主要障碍是BBB的存在限制了98%～100%药物的运输，以致大脑中的低浓度药物无法起到治疗效果。FUS提供了一种非侵入性、局部、暂时和可逆地打开BBB的方法，可在不损害正常组织的情况下增加大脑中治疗剂的局部浓度[7], 这可能为神经退行性疾病的治疗提供新的途径。

AD的病理机制主要为淀粉样前体蛋白和淀粉样β肽的异常周转、代谢、沉积以及tau蛋白异常磷酸化，导致了这些蛋白的大量聚集和β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块的形成。Aβ斑块被认为是AD发生与进展的危险因素和潜在原因，因此，消除或减少Aβ斑块可能会延缓该疾病的神经变性。Aβ抗体可以减少淀粉样斑块的形成，但由于BBB的阻挡，其在脑内分布水平非常低(仅为给药剂量的0.1%～2.0%), 难以在大脑中获得有效数量的抗体而达到治疗效果[11]。FUS诱导BBB开放有助于全身给药的Aβ抗体渗透到AD的TgCRND8和APP23小鼠模型中的靶向脑区域，从而减少斑块沉积。此外，对AD小鼠模型使用FUS联合微泡向大脑输送Aβ抗体，能在4 d内降低病理性的Aβ水平[12]。

带有微泡的FUS允许内源性Aβ IgG和IgM抗体通过开放的BBB进入大脑，与皮质中的斑块结合达到治疗效果[13]。研究[14]显示，白蛋白可以激活小胶质细胞，并与Aβ结合。对AD小鼠模型使用FUS联合微泡的研究结果显示，BBB开放后允许白蛋白和免疫球蛋白进入，显然白蛋白能结合Aβ并有助于清除斑块。这种非免疫方法可以显著减少淀粉样斑块，并激活参与斑块清除的小胶质细胞。然而，在不使用药物的情况下，单纯使用FUS能否诱导斑块减少和临床结局改善尚不确定。为了解决这一问题，D′HAESE P F等[15]进行后续研究发现，早期AD患者使用FUS联合微泡后Aβ斑块减少，表明FUS联合微泡在没有额外药物的情况下也能取得良好的治疗效果。KARAKATSANI M E等[16]通过单侧FUS诱导BBB打开，有效减少了AD rTg4510小鼠模型的tau磷酸化，提示超声可通过减少tau病理变化而抑制AD进展。POON C T等[17]使用体内双光子荧光显微镜跟踪经FUS治疗AD的TgCRND8小鼠模型中Aβ斑块的变化，发现经FUS治疗后, Aβ斑块数量减少27%, 斑块表面积减小40%, 表明重复FUS治疗是减少AD中晚期Aβ病理变化的有效方法。

PD的病理标志是存在富含纤维形式的α-突触核蛋白(α-syn), 通常称为路易病理学(LP)。PD患者脑脊液和血浆中存在α-syn, 因此，减少细胞外α-syn并防止其聚集成大的纤维簇，是PD各种免疫疗法的明确治疗策略[18]。迄今为止，针对异常α-syn积累的FUS促进治疗的效果仍然未知，有少数研究对此进行探讨并取得了积极的结果。KARMACHARYA M B等[19]探讨了低频FUS刺激对1-甲基-4-苯基吡啶离子(MPTP)处理后的PC12细胞中活性氧依赖性α-syn的影响，发现FUS刺激通过抑制活性氧的产生而抑制PC12细胞中α-syn的聚集，初步表明这种方法在清除退化大脑中积累的蛋白质方面具有可行性。XHIMA K等[20]使用磁共振引导下的FUS向高表达α-syn的转基因小鼠无创递送α-syn基因沉默载体病毒，治疗1个月后，靶向脑区域的α-syn免疫反应性降低，而其他神经元标志物如突触素或酪氨酸羟化酶无变化，细胞死亡和神经胶质激活保持在基线水平。由此表明, FUS可以有效地将靶向α-syn合成的病毒载体传递至多个大脑区域，可能有助于改变PD患者(特别是早期诊断患者)的LP进展，从而改善疾病的演变。

针对神经变性动物模型的研究[21]表明，许多不同的神经营养因子均可以保护和修复受损的神经元，其中含多巴胺的神经元对转化生长因子-β(TGF-β)家族的神经营养因子尤其具有很强的反应性和依赖性。TGF-β家族包括胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)、神经肽和生长分化因子，这些成员的效果均已在临床试验中被评估，值得注意的是，其他神经营养因子也已被发现在黑质纹状体通路中显示出有益的效果[21-22]。但神经营养因子分子量大，无法穿过BBB, 并且会在外周迅速代谢。FUS技术可靶向性地短暂打开BBB, 促进相关神经保护剂的吸收。已有研究[23]证明, FUS有能力将足够水平的神经肽输送至小鼠大脑的黑质纹状体区域，故FUS可提供比直接注射更多的因子，并使神经营养因子生物活性达到预期效果。连接腹侧中脑区域和纹状体的黑质纹状体通路是PD中受累最严重的多巴胺能通路。KARAKATSANI M E等[24]在PD小鼠模型中利用FUS向左纹状体和中脑递送腺相关病毒(AAV)-胶质细胞源性神经营养因子(GDNF), 结果显示多巴胺能神经元细胞体在使用通过FUS诱导的BBB开口扩散的AAV-GDNF后表现出58.4%的上调，改善了PD小鼠的多巴胺相关行为改变，证实了FUS促进的病毒递送有助于减缓或修复神经退行性疾病中的神经元损伤。LIN C Y等[25]将携带基因的脂质体与FUS联合，以提高PD小鼠模型中的GDNF基因递送效率，发现FUS开放BBB后可以实现基因-脂质体复合物的局灶递送成功并改善神经元功能，延缓运动相关行为异常的进展。由此表明，基因-脂质体复合物协同FUS技术可以作为PD动物治疗的有效基因治疗策略，并且可能具有进一步应用于神经退行性疾病基因治疗的潜力。

5 总结和展望

目前, FUS单独应用或与微泡联合应用介导BBB开放，是一种快速、有效和非侵入性将治疗药物输送至大脑的方式，有望改变神经退行性疾病的治疗现状。尽管FUS在基础研究和临床研究中都显示出良好的应用前景，但仍存在着许多未知领域，例如人脑中局部的BBB开放如何影响药物在神经退行性脑环境中的药代动力学、FUS的长期安全性等。未来，医学研究人员还应精心设计基础研究、临床试验和生物医学工程在内的跨学科研究，努力提高FUS的安全性、有效性，从而为FUS技术在神经退行性疾病中的成功应用铺平道路。