微泡超声造影剂在高强度聚焦超声治疗实体肿瘤中的作用

陈　醇综述，周　崑审校（.重庆医科大学生物医学工程学院，重庆40006；.重庆医科大学附属第二医院HIFU肿瘤中心，重庆40000）

微泡超声造影剂在高强度聚焦超声治疗实体肿瘤中的作用

陈醇1综述，周崑2审校（1.重庆医科大学生物医学工程学院，重庆400016；2.重庆医科大学附属第二医院HIFU肿瘤中心，重庆400010）

超声，高强聚焦造影剂诊断显像；肿瘤/治疗；综述

自20世纪60年代末［1］，超声造影剂问世后，在超声学诊断和治疗中起到极大的作用。相关研究表明，其中一类称作微泡超声波影剂，具有多种优点：（1）增强超声信号形成；（2）增强空化效应；（3）升高靶区温度；（4）增加毛细血管破坏；（5）一种良好的载体，能够包裹和携带药物、基因等；（6）具有肿瘤首选站点输送药物的能力；（7）增加治疗的稳定性［2］等。高强度聚焦超声治疗（high intensity focused ultrasound，HIFU）是将较低强度的超声波聚焦后，通过生物效应和机械效应将靶区内的病变组织热消融造成组织坏死，从而达到微无创治疗目的的手段。在过去的十多年里，HIFU治疗前列腺、子宫、甲状腺、肝脏、肾脏、胰腺、骨和脑部的良、恶性实体肿瘤的可行性和安全性都被大量的临床研究证明［3-6］。而上述微泡超声造影剂的特点使得微泡超声造影剂联合HIFU治疗实体肿瘤成为近年治疗领域的研究热点，现就此研究热点作一综述。

1　微泡超声造影剂的历史背景及技术特点。

超声造影剂是一类可增强医学超声诊断信号及治疗效果的药剂。在超声检查及治疗中，将超声造影剂注射到患者体内中，具有成像效果更好、实时性、增加治疗效果、无辐射性等优点，在超声检查及治疗应用越来越广泛［7-9］。目前市场上大多数超声造影剂是含有微米级的不同种类的气体，包括微气泡和微球体等，被称作微泡超声造影剂（gas carrier contrast agents-GCAs）［10］。1968年Gramiak与Shah发现将生理盐水与靛青绿的混合振荡液注入心脏后可在超声心动图上观察到“云雾状”回声，便是超声造影剂应用的开端。1972年Ziskin发现造影效果是由液体中的气体形成的气泡造成的，此后人们开始尝试使用不同的材质来作为微泡的膜以求达到最好的效果，比如生理盐水、胶体等［11］。但直到20世纪90年代，微泡超声造影剂才真正应用于临床。它们不仅可以在血液中维持较长时间，还能通过肺循环使左心腔及外周血管显影［12］。进入本世纪后，更多种类型、更稳定的新型微泡超声造影剂不断涌现，更是极大地改善了超声造影效果。同时HIFU联合超声微泡造影剂的研究也得到很大的发展。

2　HIFU治疗实体肿瘤的基本原理

HIFU的基本机制是热效应、机械效应和生物效应协同作用［3］。其导致细胞死亡表现为细胞融解、凝固坏死和变性坏死三种形式。组织热消融后的病理过程为坏死、液化和纤维化［13］。HIFU治疗实体肿瘤的基本方式是热效应，即通过从体外超声换能器发射出的较低强度的超声束在体内实体肿瘤中聚焦并被吸收转化为热量，使其快速升温超过60℃，造成凝固性坏死或直接产生细胞毒作用。

3　微泡超声造影剂的临床应用

3.1微泡超声造影剂增加病灶识别度HIFU可以在超声实时监控下进行，微泡超声造影剂提高病灶图像质量，从而提高HIFU治疗的精确打击病灶组织的能力，有利于增强HIFU治疗效果。

超声成像是基于脉冲回波法。诊断超声换能器发送重复的超声波脉冲到靶组织，而由换能器接收是具有相同的中心频率的回波，再转化成超声图像。由于微泡超声造影剂中的微泡是被一层防止其扩散的由蛋白质或脂质组成的外壳所包围，能显著提高反向散射基本频率的回波信号。作为气体填充封装的微泡的声阻抗与软组织有很大的不同，而微泡中的气体对超声波的反射强度是液体强1 000倍，所以微泡能够很大程度上提高超声波的信号。从而达到显影对比的作用［14-15］。一旦显影对比明显，在超声图像上便可以更加清晰地分辨处病灶组织，有利于识别病灶边界，判断HIFU治疗范围。

3.2微泡超声造影剂用于HIFU治疗效果评价在超声实时监控下的HIFU治疗实体肿瘤过程中，根据即刻可扩散的团块来判断治疗效果。还可以利用微泡超声造影剂观察肿瘤及其周边血流情况以评价肿瘤消融程度。当注射微泡超声造影剂后，超声监控区域内没有出现血供的区域称为非灌注区。消融率是指肿瘤的非灌注区体积与肿瘤总体积的百分比，是评价HIFU消融效果的重要参数。有学者观察30例HIFU治疗的子宫肌瘤患者，认为在治疗过程中通过观察血流灌注情况，对仍有血流灌注的部位行相应的补充治疗，可增高消融率［16］。Peng等［17］将68名接受HIFU治疗的子宫肌瘤患者术后资料进行分析后发现：微泡超声造影剂下的超声造影与MRI相对比，显示肌瘤的大小、非灌注区的大小或者是消融比例等多项参数都是相近的，这说明利用微泡造影剂进行超声造影判断疗效的结果与MRI类似。

3.3微泡超声造影剂改善HIFU治疗声环境在HIFU治疗时通过改变组织声学环境，以增强靶区组织能量沉积的物质称之为HIFU增效剂［18］。HIFU增效剂能够通过不同的方式改变生物组织的声学性质以求增加组织声能量沉积，至少有以下几种方式：（1）利用高声阻抗的物质与周围物质形成较大的声阻抗界面，阻挡超声波向深部组织传播，增强生物组织内部声阻抗的不匹配，从而提高超声能量的聚集，增强治疗效果。Kaneko等［19］通过实验测量治疗区组织温度的变化，发现微泡造影剂联合HIFU治疗可使组织局部升温更迅速，由于微泡造影剂中的气泡与病灶组织及周围组织声阻抗差别大，超声波在不同介质的层面传播时，发生更多的散射和反射，宏观层面上即表现为超声能量沉积更多。Wen等［20］利用HIFU对活体兔的肝脏实验也证明：微泡超声造影剂除了有根据其声学特性增强超声的诊断学方面的作用外，还可通过增加反向散射增大HIFU治疗效果。（2）通过增加空化效应增加超声能量沉积。空化效应与组织密度紧密相关，微泡超声造影剂本身含有大量微小的气泡，一方面直接改变组织的密度，并增加单位体积的靶组织内空化核的数量，从而增强空化起始效应，实现对靶组织的破坏作用。另一方面，组织可被视为由膜包围的黏性流体。当声波传播通过它时，就会发生组织层的相对位移和液体的定向运动或者微流。由微流产生的高剪切力能导致细胞膜瞬时损坏。而不同组织层及液体层的黏性摩擦力还可导致升温，从而达到辅助热效应的目的。如果以上过程中组织液体中含有微小的气泡（直径不超过8 μm），气体空腔对交替压缩的声压的动力学反应，即气泡的空化效应也随之增强［21］。另外，有研究表明微泡超声造影剂中的微泡还能成为用于低能量沉积的机体内的空化核，降低其空化效应所需要的阈值，而达到上述目的［20-21］。还有学者通过观察微泡超声造影剂联合HIFU切除羊肝脏组织7 d后的病理切片，发现与单纯HIFU治疗组相比，微泡超声造影剂联合治疗组造成凝固性坏死带外周出现迟发性坏死带，表明空化效应增强致自由基的产生增多是出现迟发型坏死带的主要原因［23］。Goldberg等［24］的研究也证明HIFU联合微泡超声造影剂可增强局部组织热量和脂质间的相互作用，使局部组织自由基增加，达到改变组织的功能状态的目的，有利于扩大治疗范围。（3）改变组织的血液供应或功能状态。实体肿瘤生长分为两个阶段：未血管化阶段和血管化阶段。血管化阶段的实体肿瘤能够形成自己的血液供应系统，为局部浸润和远处转移打下基础。而Goertz［25］提出的观点认为：一个治疗性超声环境中，在安全及避免脱靶的情况下，治疗性超声对血管的作用可增强微血管通透性，甚至导致出血或血管闭塞。上述结果是高度依赖于超声的频率、强度或辐照曝光时间，它的原理则是由最初的热效应，机械效应或化学损伤引起的。另一方面，空化效应可以在血管产生足够高的峰值压力，同时由此产生的气体和蒸汽腔可以形成振荡剧烈，导致损害实质组织和血管。而通过引入微气泡造影剂进入体循环，能使血管生物效应的压力阈值降低，从而改变血液的供应和功能状态。利用这一特性定向打击血管化的实体肿瘤，则可以提高其成功率。

4　微泡造影剂增加了HIFU消融的效果

微泡造影剂能显著增加HIFU消融的效果。有实验性研究证明微气泡直径为2.5 μm的声诺维超声造影剂可减少组织消融时间［17，20，26］，另外Song等［27］将随机提取的129例单纯HIFU治疗子宫肌瘤的患者与162例HIFU联合微泡超声造影剂治疗子宫肌瘤的患者对比后发现，HIFU联合微泡超声造影剂组的患者出现灰度变化，所用的时间更短；术后观察到的非灌注区更大，消融率更高，同时并未观察到重大的并发症出现。Jiang等［28］将80例单发子宫肌瘤患者随机分为对照组即单纯HIFU治疗组和使用微泡超声造影剂联合HIFU治疗组，得出使用微泡造影剂组的患者出现灰度变化时间更短，消融率更高的结论。蒋红等将50例子宫肌瘤伴盆腔手术史患者行HIFU联合微泡超声造影剂治疗情况，与同期50例无盆腔手术史子宫肌瘤患者进行比较，发现患者治疗中肌瘤非灌注区体积、体积消融率、消融强度、消融剂量无明显差别，但在手术时间、治疗时间及治疗后即刻不良反应与远期并发症等方面明显占优势［29］，以上研究均充分表明HIFU联合微泡超声造影剂不仅在微观原理上具有更明显的效果，而宏观的临床数据也具有充足的证据。

5　展　望

微泡超声造影剂用于HIFU治疗的评价和增效尚有诸多问题需要解决，例如由于微泡超声造影剂能够从各方面增强HIFU治疗的效果，而其内含有的微泡能瞬间大量破裂可以增强靶组织损伤程度及范围，同时可造成靶区外组织损伤，形成副损伤［30］。HIFU联合微泡超声造影剂的安全性和适用范围还有待进一步研究。随着HIFU联合超声造影剂研究，其使用价值也将会达到一个新高度，从而完善超声检查及实体肿瘤临床治疗的方式。

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