周 玉，代佳音，毕良佳

(哈尔滨医科大学附属第四医院口腔科，哈尔滨 150001)

癌症是全世界人类死亡的主要原因之一，癌症患者数量正在迅速增加，预计在2038年将达到2 200万例[1]。目前癌症治疗主要方法，包括手术、化疗、放疗和免疫疗法。传统方法虽不断改善，但仍存在自身局限性。手术治疗难以完全清除癌细胞以及无法治愈转移性肿瘤。化疗和放疗一定程度上可以有效杀死癌细胞，但同时会损伤正常组织。此外，在长期化疗和放疗期间癌细胞会产生耐受性。免疫疗法是一种有效癌症治疗法，但成本过高，有可能引起细胞因子风暴[2-4]。因此，找到一个有效、安全和低成本的治疗方法变得极为需要。声动力疗法(sonodynamic therapy，SDT)是从光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)衍生发展起来的新技术，PDT由于组织穿透性差在一些疾病中的应用受限,SDT的优势在于可以在软组织中紧密聚焦，穿透深度可达10 cm[5]，在体外和体内均可产生明显的抗癌作用[6]。同时SDT协同其他治疗效果显著。现对声动力疗法的研究进展进行综述。

1 SDT可能的功能机制

SDT在体外和体内的各种生物系统中的机制已得到广泛研究。SDT的最终性能取决于多种不同因素，包括声敏剂的类型、暴露频率和强度。因此，研究结果的详细机制难以确定[7]。目前，SDT机制可能包括超声空化效应、自由基和单线态氧的产生和超声诱导癌细胞凋亡。

1.1 超声空化效应 超声空化效应是一种独特的物理现象，超声产生的声能可以迅速增加机械压力，导致组织液中产生微泡[8]。声孔效应是指超声在特定的强度和频率作用下，细胞周围的微泡通过其振荡产生的机械效应,这种机械振荡使细胞膜瞬时形成微孔，半衰期为10 min，微孔直径为几纳米至150 nm不等。因此，声孔效应更容易破坏细胞膜，增加微血管通透性增强和药物转运[9]。Escoffre等[10]已成功将声孔效应用于改善核酸向肿瘤、骨骼肌和肾脏的递送效率。这些特性使声孔效应成为基因和药物传递的一种创新的方法[9]。在该声孔效应的作用下，附着于肿瘤细胞表面的声敏剂将从基态被激活成激发态，并且当激活声敏返回到基态时，被释放能量可以转移到环氧中以产生大量的活性氧，这些活性氧可在随后导致细胞毒性[11]。

1.2 自由基和单线态氧产生 除了超声空化外，SDT过程中的机械压力可以诱导细胞和组织的损伤。声化学效应也通过SDT在细胞中发挥重要作用[12]。在惯性空化过程中，崩塌的微泡导致高温和高压，从而产生高强度的剪切和冲击波，引起声化学反应(称为声化学效应)[13]。自由基和单线态氧是最关键的声化学物，两者都是高反应性试剂，均可以氧化周围底物，从而在靶细胞上引起不可修复的损伤。一旦产生足够的高反应性物质，就开始一系列生理过程，如线粒体膜电位降低、细胞骨架收缩、染色质浓缩、膜破裂及DNA断裂。这些生物反应都会导致细胞凋亡[14]。超声介导声敏剂所产生的自由基与微泡周围氧分子发生反应后产生过氧自由基和烷氧自由基。过氧化物酶体和烷氧基自由基均可引起膜脂质过氧化，从而导致细胞膜不稳定性，导致细胞对剪切和超声损伤更敏感[15]。单线态氧是惯性空化产生的另一个活性氧类，是声动力学反应过程中的主要介质。在单线态氧生成过程中，有三个基本要素，包括超声敏剂、低频超声和氧分子[14]。与PDT的过程类似，声敏剂在通过超声空化接收声能后从基态激活到激发态。然后活化的声敏剂返回基态并释放能量，直接与周围的基态三重态氧接触，产生激发态单线态氧。单线态氧可以作为一种高反应活性剂激活氧化反应并诱导周围细胞和组织中不可逆的细胞损伤[12]。单线态氧的成分最常见方法是使用组氨酸、甘露醇和超氧化物歧化酶进行自由基清除实验。在该实验中，可以观察到组氨酸的保护作用，而不能由甘露醇或超氧化物歧化酶诱导。这些结果表明单线态氧是造成SDT诱导的细胞毒性的原因[16]。

1.3 SDT诱导癌细胞的凋亡 细胞凋亡又称程序性细胞死亡，是一种受基因控制的主动性细胞自杀过程，为生理性细胞死亡的一种形式。研究表明，细胞凋亡可以由低强度和低频超声诱导，并且可以通过声动力学敏感性，化学治疗剂药性进一步增强。已经在HL-60、K562和U937白血病细胞中证实超声诱导的细胞凋亡[17-18]。目前，超声诱导细胞凋亡的详细机制尚不完全清楚。有报道指出SDT可通过体内细胞凋亡影响血管生成[19]。SDT声动力效用可能破坏肿瘤部位内的血管和血管内皮，导致血管中的血栓形成，进而影响血液营养供应。由于葡萄糖和氧气不能充分传递到肿瘤血管，血液血管系统会形成缺氧区域，从而通过氧化应激诱导癌细胞凋亡[20-21]。超声诱导的细胞凋亡的另一个机制是通过调节相关的基因表达[22]。当人类髓单核细胞淋巴瘤细胞系U937细胞在频率为1.0 MHz超声作用下，通过下调193个基因和上调201个基因诱导细胞凋亡,下调基因与细胞生长、增殖和发育有关，而上调的基因与细胞运动和细胞死亡有关[23]。除了上述两种机制外，许多研究人员还发现，SDT对参与癌细胞凋亡的信号通路有直接影响[24]。在超声作用下线粒体-半胱氨酸蛋白酶信号通路在细胞凋亡中被打开，从而加速促凋亡蛋白的表达[25-26]。许多研究证实，SDT诱导的细胞凋亡影响了Ca2+依赖途径。通常，微泡活动会改变癌细胞内的Ca2+水平，这可能与细胞膜损伤和恢复膜功能所需的时间有关[27]。在一些情况下，在超声作用后可以观察到细胞内Ca2+水平升高。Ca2+水平的上调表明超声处理细胞的膜破裂并完全失去其完整性，这与SDT诱导的细胞凋亡有关，因为Ca2+可以促进这一过程[28]。

2 声敏剂

声敏剂的使用对SDT至关重要。每个声敏剂都需要对超声具有足够的敏感性，并且对靶区域具有相对高的特异性。理想的声敏剂对健康组织具有低毒性。目前，根据它们的生物学功能和化学结构声敏剂可以分为卟啉化合物、酮类化合物、抗肿瘤药物、非甾体抗炎药及其他声敏剂五类[29]。大多数敏化剂可以优先聚集在肿瘤组织中，但部分敏化剂在其他正常组织中也有分布，正常组织内敏化剂一旦被超声激活会产生能量，从而会损伤正常组织。为了避免正常组织在SDT过程中受到最小损伤，超声可以将敏化剂聚集到与肿瘤位置匹配的组织深度。即超声源和靶向组织之间正常组织内最好不存在敏化剂，一旦超声作用后，声敏剂在肿瘤区域被激发，产生活性氧类，对癌细胞产生杀伤作用[11]。

3 SDT联合其他癌症治疗方法协同作用

SDT的抗肿瘤作用通常局限于抑制肿瘤生长而不是缩小肿瘤[30]。多种辅助治疗的联合治疗已成为癌症治疗的热点。SDT与其他癌症治疗方法的结合作为一种新的肿瘤治疗策略，显示出巨大的潜力。因此，SDT很有可能成为临床治疗癌症的辅助方法。目前，研究表明，SDT联合化疗、免疫、PDT、高温等疗法可获得显著的协同作用。

3.1 SDT联合化疗 在癌症的综合治疗过程中，先用化疗药物治疗，使肿瘤缩小后再手术。而化疗药物耐药性极大地限制了临床广泛应用。为了提高癌症对化疗药物的敏感性，首先，超声波可以选择性地改善癌细胞中化疗药物的摄取，从而减少对正常细胞和组织的毒性作用[4]。SDT可激活线粒体-胱天蛋白酶信号通路[25]，下调ATP结合盒转运蛋白[31]的表达水平，有利于提高癌细胞对化疗药物的敏感性，从而提高细胞凋亡率。纳米声敏剂如TiO2纳米颗粒可用于加载和靶向递送化疗药物，以提高化疗对癌症的治疗效果[32]。Wang等[33]评估了阿霉素与原卟啉介导的低强度超声联合应用对白血病耐药K562/DOX细胞的疗效。在一定条件下，细胞的死亡比例显著增加。McEwan等[34]制备了一个载氧微泡平台，用于携带声敏剂玫瑰红或抗代谢物5-氟尿嘧啶结合SDT和抗代谢物靶向治疗胰腺癌。结果表明，SDT与抗代谢物联合治疗显著抑制三种不同胰腺癌细胞系(BxPc-3、MIA PaCa-2和PANC-1)的增殖。此外，载氧微泡平台可以将O2有效输送到肿瘤微环境，从而提高依赖于O2治疗的效果。总之，化学疗法结合外部超声，提供了一种更具针对性的方法，相比单独应用抗代谢药物的全身给药疗效更好。

3.2 SDT联合免疫治疗 与传统疗法相比，免疫疗法因毒性最小且安全性极佳已成为一种治疗癌症的新策略。Gc蛋白衍生的巨噬细胞活化因子天然存在于人体内，具有多种功能，如活化巨噬细胞和抗肿瘤活性。基于Gc蛋白衍生的巨噬细胞活化因子的免疫疗法可以与许多其他疗法组合使用。目前的案例研究表明，Gc蛋白衍生的巨噬细胞活化因子和SDT可以与转移性癌症患者的常规疗法联合使用，特别是在治疗方案因毒性因素而受到限制的情况下。临床学者向1例55岁女性乳腺癌患者肌内注射第二代高剂量Gc蛋白衍生的巨噬细胞活化因子0.5 mL，每周2次，共21次。在接下来3个月内进行了19次SDT治疗。胸部CT水平面显示SDT治疗后患者右肺部胸腔积液和结节阴影完全消失[35]。另外一些学者发现SDT介导血卟啉衍生物杀伤肿瘤细胞，促进细胞表面钙网蛋白表达并引起免疫应答。实验结果显示在SDT作用下H22荷瘤小鼠体内出现功能性抗肿瘤免疫效应。同时，该方法还具有免疫记忆功能，可防止初次肿瘤消除后肿瘤再一次复发[36]。这些结果表明SDT对免疫应答有重要作用。

3.3 SDT结合PDT(sonophotodynamic therapy,SPDT) SPDT是一种安全、无毒、无创的新型方法，该治疗使用特定波长的光和特定频率的超声来激活特异聚集于肿瘤细胞内敏化剂，从而在肿瘤区域产生机械、声化学和光化学活性PDT[37]，已逐渐应用于治疗各种癌症。然而，激光的低穿透能力限制了PDT的广泛应用[5]。与PDT相比，在SDT中可以容易地穿透深层组织层的超声波，从而弥补了PDT的主要局限性。Liu等[38]研究中卟啉钠介导的SPDT与单独的SDT或PDT相比细胞毒性更强，并且在4T1异种移植小鼠模型中极大地抑制了肿瘤生长。此外，卟啉钠介导的SPDT对荷瘤小鼠的体重和主要器官没有明显影响。结果表明，通过SDT和PDT的组合，卟啉钠可以增强肿瘤治疗效果并降低对正常组织的毒性。Miyoshi等[39]分别使用TiO2纳米粒子和5-乙酰丙氨酸作为声敏剂和光敏剂，用于SDT和PDT联合治疗癌症。将几种组合形式应用于动物肿瘤模型和分别口服0.2%-TiO2纳米颗粒和1 mmol/L 5-乙酰丙氨酸，然后进行超声和激光照射，并获得最强的抗肿瘤效果。

3.4 SDT结合高温疗法 高温疗法是一种将肿瘤温度升高到超生理水平(40～44 ℃)的方式，加热肿瘤区域使癌细胞失活的现象，是一种很有前途的癌症疗法，然而高温疗法对抗肿瘤有轻微作用。SDT作为癌症治疗方法显示出巨大的潜力，高温疗法是否可以提高SDT的功效，Ju等[40]对潜在的机制进行初步探索得出：与单独的SDT相比，5-乙酰丙氨酸介导的SDT联合高温疗法在体外和体内均显著抑制人神经胶质瘤的生长。高温疗法显著增强5-乙酰丙氨酸介导的SDT对细胞凋亡和活性氧类细胞内产生的诱导作用[40]。结果表明，SDT与高温疗法相结合可作为癌症治疗的有效策略。

3.5 SDT结合冲击波疗法 冲击波是一种声压缩波，具有高振幅和快速的压力变化，一个高压相随后一个低压相。研究已证实，SW可以激活声敏剂，以最大限度减少超声产生的热效应[41]。仅用冲击波抑制肿瘤生长时无明显的效果[42]，而冲击波和声敏剂的结合可抑制肿瘤生长，从而产生声动力学效应。Foglietta等[43]在Mat B-Ⅲ同系大鼠乳腺癌模型中研究了冲击波介导SDT的抗癌作用。在用5-乙酰丙氨酸和冲击波处理后，SDT处理组观察到肿瘤大小显著减小。结果表明，冲击波显著提高了SDT的抗癌作用，从而表明冲击波介导的SDT可以作为一种创新和有效的癌症治疗方法。

4 小 结

与传统治疗方式相比，SDT具有非侵入性，深部肿瘤穿透力强，装置操作简单，精确度高，对正常组织毒性作用小等特点。尽管有许多优点，但未来SDT仍有一些值得考虑的问题：SDT用于癌症治疗的具体机制尚不清楚，有些仍存在争议。只有依据充足，才能控制空化类型，在不同情况下为肿瘤治疗产生不同的生物学效应。超声对特定肿瘤的参数如频率、强度和照射时间仍然需要进一步研究。此外，SDT与其他治疗方法的组合显示出较高的优势。