陈路锋 综述 张 震 徐 克 审校

2.中国医科大学附属第一医院超声诊断科，辽宁省影像诊断与介入治疗重点实验室 辽宁沈阳 110001

血-脑屏障（blood-brain barrier，BBB）是存在于血液和脑组织间的一种生物屏障系统，BBB通过限制大分子物质甚至许多小分子物质由血液进入脑组织而对脑组织内环境的稳定起重要作用。病理情况下，由于BBB的存在，许多治疗药物或诊断试剂也难以进入脑组织发挥作用。因此，如何安全、可逆地开放BBB，促进药物向脑组织内转运，使药物在脑组织内达到更大的浓度而发挥药效，对脑内疾病的诊断和治疗有重要意义。静脉给予超声微泡造影剂时，用超声照射脑组织可以使照射区域局部脑组织的BBB可逆开放，并且具有安全、稳定、无创、靶向等优点，为开放BBB提供了一种新的手段。本文就该技术的发展及其影像学评价作一综述。

1 超声对BBB的作用

最早在研究高强度聚集超声治疗脑部疾病时发现，除消融作用外，聚焦超声（focused ultrasound，FUS）还可使BBB局部开放，而对脑组织无严重损伤[1]，为使用无创手段开放BBB提供了新的方法。但是如何能稳定地达到BBB开放的效果，而又对受照射脑组织没有明显损伤，一直未能找到合适的超声参数。Ballantine等[2]发现，使用脉冲式高强度超声波照射脑组织，可降低对周围脑组织的损伤，并提出了FUS开放BBB的可能机制涉及空化效应。然而这种方法仍然不能稳定地开放BBB。直到2001年，Hynynen等[3]发现在使用FUS照射的同时联合静脉给予超声微泡造影剂，通过超声与微泡的相互作用可稳定实现开放BBB的效果，而且使所需FUS的强度大幅下降。此后，大量研究开始使用脉冲式聚焦超声联合微泡开放BBB，并探索FUS参数及微泡剂量对其效应的影响。

FUS强度的大小可以影响FUS的照射效果，超声强度过低不能开放BBB，而过高强度的超声造成的损伤也增加。影响超声照射强度的参数主要有超声的频率、照射靶点处的负峰值声压（指在声波重复周期内，声场中或特定平面处负值瞬时声压的最大值，简称声压幅值）、超声的脉冲持续时间、照射时间、微泡的剂量与大小等。动物实验结果显示，这些参数的取值越大，BBB的开放程度越大，同时也更容易造成脑组织损伤[4-8]。研究显示，使用260kHz的FUS联合微泡在不同声压幅值（0.1～0.9MPa）条件下照射20s，在0.2MPa以上时才能观察到BBB开放，而0.4MPa可开放90%的照射区，同时0.4MPa以上时红细胞外渗也明显增加[8]。超声的频率和声压幅值是其中最重要的两个参数。McDannold等[9]总结了其他条件相似、而使用的频率和声压幅值不同的研究结果，发现使用不同频率的超声照射达到相似的效果，与其所需要的超声强度存在一定关系。他们将使50%的照射区BBB开放所需的声压幅值作为声压阈值，比较了在0.26、0.69、1.5、1.63、2.1MHz 5个频率下照射脑组织时的声压阈值，发现二者存在a＝T/f0.48（T为声压阈值，f为探头频率，a为常数）的关系，这与平时所用的超声参数机械指数（MI）＝T/f0.5接近，用MI表示二者之间的关系发现各个频率下其MI值均在0.46左右。MI值是相对容易获得的超声参数，达到相似效应所需频率和声压之间的关系符合MI，这不仅为超声参数的选择提供了相对简便的指标，而且大大方便了不同条件下超声效果的比较。当然在其他参数下，二者之间是否还符合MI的关系，是否能用MI作为超声效应的指标还有待总结。

目前研究中使用的超声探头主要为较低频率的探头（2.04MHz以下），而临床常用的诊断超声探头频率均比较高。Bing等[10]使用频率为5～8MHz的临床诊断用超声探头联合微泡造影剂对小鼠经颅照射，通过对不同参数的选择，成功开放了BBB，并可用增强MRI显示。由于诊断频率探头在临床中相对容易获得，因此，诊断频率探头的应用将使该技术的临床使用更为方便。

US联合微泡可以无创开放BBB，而且对照射组织无明显损伤，其确切机制尚不清楚。组织学观察到在使用较低能量（0.55W）照射脑组织后，毛细血管内皮可见到囊泡和空泡增多，穿孔或通道形成，一些紧密连接开放，而且上述结构中发现有示踪分子。而使用较高能量（3W）照射后则出现内皮细胞破坏，标记的免疫球蛋白可经内皮缺损处漏出[11]。总之，超声照射后血管内的物质可以通过经内皮旁和经内皮途径进入脑组织，说明该过程涉及多种机制。当监测受照脑组织的温度仅升高0.025℃即可使BBB开放，说明温度效应并不是超声开放BBB的主要机制[12]。目前认为超声联合微泡使BBB通透性改变的过程涉及空化效应和声辐射力效应。引入的微泡作为空化核，在超声作用下振动，体积产生膨胀及收缩，甚至崩溃，增强了空化效应。而声辐射力使得微泡在声波传播方向上移动，使其与毛细血管内皮细胞接触，对内皮产生牵拉。在超声与微泡的相互作用过程中，微泡体积的变化，微泡周围产生的微小涡流及对内皮的牵拉，使得内皮之间的紧密连接结构受到破坏，局部微血管血流短暂下降，内皮上一些机械敏感或牵拉敏感性离子通道开放，这些改变共同造成BBB通透性增加[12-14]。空化效应分为稳态空化和瞬态空化，而微泡在超声场中发生瞬态空化时可以产生高温、高压、高速微射流等剧烈的物理反应，可产生明显的生物学效应，曾认为可能在超声开放BBB中发挥重要作用。在选用适当参数，使得不能产生瞬态空化效应时，仍然可以使BBB开放[13]。进一步研究显示，超声照射脑组织开放BBB所需的声压阈值略低于瞬态空化的声压阈值，在这两个阈值之间的声压可以不产生瞬态空化而开放BBB[15]。可见瞬态空化效应并不是BBB开放所必需的。US联合微泡开放BBB的机制可能是多种效应共同作用的结果，有待进一步研究。

2 超声开放BBB的离体评价

BBB开放或受损后可以用多种方法进行观察和检测。组织学方法可以在光镜或电镜下观察内皮、基底膜等BBB构成结构的形态学改变，有无红细胞外渗或出血及神经元损伤等。脑脊液取样法通过测定脑脊液中的蛋白质含量，可以间接反映BBB受损情况。向血管内引入荧光标记物，在荧光显微镜下观察标记物在血管内外的分布情况，可以判断BBB是否可以开放。此外，还有伊文思兰法和定量放射自显影法，其中伊文思兰法是FUS开放BBB的研究中使用最多的离体评价方法。

2.1 伊文思兰法 伊文思兰（Evans blue，EB）是一种蓝色染料，不能通过正常的BBB，入血后与白蛋白结合形成复合物（ESA），并可在血中存在数小时。超声照射脑组织后，经左心室灌注EB，直至右心房流出的液体变清亮后切取脑组织。超声照射导致BBB开放的区域可观察到脑组织蓝染。取材后浸入50%三氯醋酸溶液，取浸出液用分光光度计（λ＝620nm）测定其吸光度，计算出脑组织渗出的EB的量，从而可以定量评价BBB开放的程度[3,16]。

2.2 定量放射自显影法 超声对脑组织照射后，引入放射性核素示踪剂，对脑组织进行定影、显影后，检测出单位脑组织的放射性活性浓度，则可反映核素经过开放的BBB进入脑组织的量。在相同条件下用不同强度超声照射后，照射区脑组织的放射性活性随超声强度的增大而增加，0.78MPa时为平均值0.017% ID/ml，而2.45MPa时为0.134%ID/ml，说明放射性活性可以反映BBB的开放程度[17]。

3 在体影像学评价

离体监测BBB通透性的方法必需在处死动物后取材测定进行检测，不能在活体状态下观察，也不能进行后续的随访观察。用影像学方法在体观察BBB开放不仅有助于超声对BBB影响效应的研究，也是该技术真正得以临床应用所必需。

3.1 MRI在监测超声开放BBB中的使用 由于MRI有良好的组织对比度，不仅有利于治疗靶点的确定，也有助于观察超声处理后的组织改变，是目前超声开放BBB研究中使用最多的影像学手段。正常BBB完整时，磁共振造影剂Gd-DTPA不能通过，所以正常脑组织增强时强化不明显。而BBB受到破坏后，造影剂可以由血管内进入脑实质，从而使脑组织强化。

Hynynen等[3]首先在超声开放BBB的研究中使用增强MRI进行监测。在FUS照射靶区脑组织后，行增强MRI，发现照射区脑组织较对照区强化。之后，许多超声开放BBB的研究开始使用MRI作为在体监测方法。

3.1.1 在超声照射条件选择中的应用 Hynynen等[18]用MRI是否增强判断BBB是否开放，研究超声联合微泡在不同声压幅值时开放BBB的能力。结果显示，0.4MPa时有50%的照射区MRI出现强化，而1.4MPa的声压条件照射后所有照射区都发生强化。Chopra等[7]用增强MRI监测BBB开放，研究1.08MHz脉冲超声联合微泡对脑组织的影响，结果显示，在0.38MPa条件下，照射时间超过300s时会出现不可逆损伤。McDannold等[19]则在MRI监视下，研究不同声压条件下FUS对脑组织的损伤。

3.1.2 在对出血的识别与鉴别中的应用 随着对超声条件的探索，超声强度的降低及超声微泡造影剂的使用大大降低了照射时对脑组织的损伤。但是仍可能出现微出血、红细胞外渗甚至较大范围出血等反应。目前常用的增强T1加权成像虽然可以检测出超声照射后BBB通透性的改变，但对可能发生的微出血却不敏感。Liu等[20]在对大鼠实验中比较了T2WI、增强T1WI及磁敏感加权（SWI）三种成像序列，发现SWI对微出血更为敏感，且可以用于组织损伤后的恢复过程。T2WI对FUS照射所致微出血的检测与SWI的敏感性相似[21]。对超声开放BBB后，在注射SPIO前后各做一次T2WI，可分别显示出血及BBB开放区，可以对二者鉴别，而两次成像的不匹配区域则为安全开放的区域[22]。

3.1.3 MRI对BBB开放程度的评价 MRI是否强化只能定性判断BBB是否开放。但如何在体判断BBB的开放程度是真正实现影像学监测所必需的。BBB破坏后，造影剂增强的强度与离体检测的EB渗出量呈正相关。MRI增强扫描脑组织较平扫的信号增加幅度可反映BBB的开放程度[23]。近来有学者将该方法用于FUS诱导的BBB开放的研究中。Yang等[16]在用FUS照射大鼠后0min、10min、20min、40min、60min 5个时间点行SE序列T1加权成像，分析标化后的信号增强幅度与EB渗出量的相关性，结果显示各时间点二者均呈明显相关，10min时间点的相关性最高（r＝0.864），10min以后r值逐渐下降。Vlachos等[24]利用动态增强MRI定量计算超声照射后的小鼠脑的空间通透性，从血流动力学角度直接量化照射区通透性。在FUS联合微泡处理后，注射MRI造影剂行动态扫描，获得直观的通透性图，并计算表征通透性的参数Ktrans。用普通动力学模型和参考区域模型得到的Ktrans值分别为（0.02±0.0123）/min和（0.03±0.0167）/min，均比正常区域高2个数量级，且两个模型得到的Ktrans值基本一致（r＝ 0.97）。

3.2 核医学影像在监测开放BBB中的使用99Tcm-DTPA与Gd-DTPA具有相似的药代动力学特性，为非弥散性示踪剂，是核医学中测量BBB完整性的经典示踪剂。BBB受到破坏时，99Tcm-DTPA经血管进入脑实质，经核医学成像设备检查出脑组织的放射性活性，得到功能图像，通过放射性活性值定量判断BBB的完整性。目前99Tcm-DTPA已广泛用于人体脑肿瘤、中风等疾病时BBB完整性的检测。用SPECT/CT对FUS处理后的大鼠定量分析显示，99Tcm-DTPA的浓聚与放射自显影结果一致，BBB的破坏指数（disruption index，DI，即病变区计数与正常脑组织放射活性计数的比值）在超声照射后90min时达到高峰[17]。对鼠脑胶质瘤模型用FUS照射，SPECT/CT检查发现99Tcm-DTPA的摄取量明显增加，但摄取特点与正常鼠被FUS照射后不同，且DI到达峰值的时间稍长[25]。用SPECT/CT分析99Tcm-DTPA的药代动力学特点，不仅可以定量评价超声所致的BBB开放程度，而且对超声照射后给药方案的确定有很大帮助。

4 总结与展望

目前微泡介导超声开放BBB已用于动物疾病模型的药物治疗研究。阿尔茨海默病模型鼠和脑胶质瘤鼠模型动物实验显示，该方法可以开放病区脑组织的BBB，并可促进药物向病变组织转运[26,27]。近来对超声照射参数的选择及该方法的安全性和有效性方面已经做了很多研究，技术方法已较为成熟。但用在体影像学方法定量评价超声照射后BBB开放程度的研究还较少。另外，影像学定量指标在评估与预测疗效中的意义尚有待进一步研究。

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