超声辐照联合微泡在缺血性心脏病治疗中的基础研究进展

赵婉亦，尹立雪

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院超声医学研究所，超声心脏电生理学与生物力学四川省重点实验室，四川 成都 610072)

超声辐照联合微泡在缺血性心脏病治疗中的基础研究进展

赵婉亦1，尹立雪2△

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院超声医学研究所，超声心脏电生理学与生物力学四川省重点实验室，四川 成都 610072)

缺血性心脏病可导致心肌缺血性损伤、甚至心力衰竭，后果严重。现有的药物和非药物治疗存在不同的局限性，疗效有限，限制了其在临床的广泛应用。有必要探索建立新的治疗技术来拓展和完善缺血性心脏病治疗方法。超声辐照联合微泡具有无创性、低毒性和靶向性的特点，已被广泛应用于缺血性心脏病诊断和治疗的基础研究中，已有基础研究成果为建立全新的缺血性心脏病治疗技术提供了可能。本文综述近年超声辐照联合微泡的心脏及血管系统治疗作用以及相关基础研究，以期进一步推动建立临床实用的超声缺血性心脏病治疗方法。

超声辐照；微泡；缺血性心脏病

缺血性心脏病(ischemic heart disease，IHD)是冠状动脉血流与心肌供氧需求不平衡导致的心肌缺血性损伤疾病，最终可导致心力衰竭。IHD最常见的原因是冠状动脉发生动脉粥样硬化引起血管腔狭窄或阻塞，造成心肌缺血、缺氧或坏死。近年超声治疗技术迅速发展，其在IHD治疗中的基础研究不断深入，应用也越来越广泛[1]。现有研究发现超声辐照联合微泡(ultrasound irradiation combined with microbubble technology，UTMB)可对IHD产生以下影响：扩张冠脉、增加毛细血管密度改善局部血供、预防介入术后血管再狭窄等。另外，有研究发现一定强度的超声辐照或可引起室性早搏，有可能成为一种潜在的体外起搏新方法；也可诱导心脏正性肌力作用，为缺血性心肌病心力衰竭的治疗提供了新的思路[2]。本文就超声辐照联合微泡对心脏疾病的潜在治疗基础研究现状综述如下。

1 超声辐照联合微泡治疗作用的基本原理

1.1 微泡概述 微泡直径约1～5 μm，由外壳包裹惰性气体组成。微泡外壳常由糖类、变性的白蛋白、磷脂或聚合物构成[3]，内部由全氟化合物或全氟碳化物填充。微泡在超声辐照下呈非线性的反射信号，可增强图像的分辨率和对比度，所以微泡又被称为超声造影剂(ultrasound contrast agents，UCAs)。利用超声造影剂可观察室壁运动协调性及心肌灌注、心肌存活和顿抑，有助于准确诊断冠心病急性心肌梗死，评估心肌缺血或梗死范围及预后。同时，微泡可携带基因或药物稳定地存在于血液循环中，并随之到达缺血或梗死心肌及血栓处。Fujji等[4]使用超声辐照联合微泡靶向传递干细胞生长因子到梗死心肌后，发现祖细胞数量和血管密度均有所增加。

1.2 空化效应与声孔效应 超声辐照联合微泡治疗作用的确切物理和生物学机制仍不完全清楚[5]，其最有可能的潜在机制一直被公认为是空化效应[6]。液体中存在的微小气泡称为“空化核”，超声交变声压幅值足够大时，空化核在超声作用下压缩、膨胀甚至爆裂的现象称为空化效应，提高声场声压可增加空化效应。产生空化效应所需的最低声压称空化阈值，超声微泡可被视为人造的空化核，注入血管后能增加血液中空化核的浓度，降低空化阈值。空化效应又分为稳态空化和瞬态空化。在低声压作用下，微泡直径保持相对恒定而不破裂，即稳态空化。而较高强度的超声波辐照液体时，空化核在声波负压半周期内迅速膨胀，随后在声波正压半周期内压缩后爆破淬灭，这种现象称为瞬态空化，微泡靶向基因转染和药物释放主要利用了瞬态空化效应。Chen等[7]发现辐照下微泡大幅度振荡引起血栓变形并留下凹痕，并可沿超声传播方向渗透到血栓内部破坏纤维素纤维[8]，其机制可能是稳态空化下微泡振荡、周围流场和剪切应力形成，或瞬态空化使微泡爆裂产生微射流。

超声辐照微泡产生的空化效应可使细胞膜产生可逆性的小孔，可逆性的增加组织通透性，称为声孔效应(sonoporation)。Shang等[9]认为超声辐照联合微泡使血管通透性增加，且其效果可以持续到辐照后9小时。声孔效应有利于物质跨膜转运及扩散[10]，是微泡介导基因转染或载药的原理之一[11]。而当辐照强度过大、时间延长或造影剂浓度增加时，产生的声孔不可逆，最终导致细胞凋亡转换为致死效应[12]。Zhang等[13]认为该效应可介导血管平滑肌凋亡，可以解决介入术后血管再狭窄问题。

2 辐照及联合微泡对心肌功能的作用

2.1 起搏心律调制作用 超声辐照可诱导健康动物的心脏发生室性早搏，与辐照强度及时间有关联。Dalecki等[14]使用脉冲超声(5 ms，10 MPa)使在体蛙心产生室性期前收缩。Macrobbie等[15]发现在体大鼠舒张期给予脉冲超声(5 ms，2 MPa)辐照可以诱导产生室性期前收缩，当声压为5～10 MPa时室性期前收缩发生率为35%～45%，随着脉冲超声持续时间减少，期前收缩的发生率也相应减少。Hersch等[1]结合正压(50 ms，5.1 MPa)与负压(1 ms，3.06 MPa)脉冲超声，应用正压后立即施行负压脉冲超声辐照大鼠心脏，心电图记录室性早搏发生率达70%。Hersch等[1]认为可将热效应排除在外，Rota等[16]认为这一现象的机制可能与空化效应直接相关。至于超声辐照诱导改变心脏节律的最佳时机，Dalecki等[14]认为是在舒张期，Hersch、Rota等[1,16]则认为是在T波的终点处。

如果使用超声辐照可以产生新的起搏点而不造成明显心肌损伤，这将是心脏电生理领域的一种颠覆性技术，因为应用超声设备进行起搏将不需要手术或任何血管内介入导管为基础的治疗方式，避免了所有的并发症和植入装置相关的较高成本[17]，该方法有潜能成为一种新的体外起搏和除颤的方法。

2.2 正性肌力作用 已有研究发现一定条件的超声辐照或可以对心肌产生正性肌力作用。苏莉等[18]使用经胸超声(1.7/3.4 MHz)辐照犬心肌5分钟后，发现多数节段周向应变及应变率、径向应变及应变率较基础状态有增大趋势。李文华等[2]发现单纯诊断剂量以及治疗剂量超声辐照在输出声能1 W状态均可诱导犬在体左心室心肌周向应变增大，心肌收缩力增强，产生正性肌力作用。Petrishchev等[19]认为低强度、低频超声可刺激离体心脏产生正性肌力作用，增加收缩压和心室内的压力，实验发现在体开胸大鼠短暂实施0.15 W/cm2强度的超声辐照时，左室收缩功能增强最明显。Forester等[20]研究了不同强度的连续波超声辐照对大鼠离体乳头肌收缩性能的影响，发现当超声强度为0.25～2.0 W/cm2时，左心室收缩功能增强。而Zakharov等[21]认为超声辐照强度达到3.0 W/cm2时也可增强心肌收缩功能，且心肌正性肌力作用可以持续到超声检查结束后。Hanawa等[22]第一次将低强度超声辐照法作为一种潜在的无创性治疗方法应用在缺血性心肌病中，在猪左心室射血分数降低的慢性心肌缺血模型上使用低强度脉冲超声(193 mW/cm2)辐照治疗，8周后治疗组缺血区室壁增厚率及左心室射血分数较对照组明显提高(P< 0.05)。

心肌缺血时收缩力降低，如果能确定有效的超声辐照诱导的正性肌力效应，并将其应用于改善心肌缺血时的负性肌力效应，对缺血性心肌病心力衰竭的治疗将是一个重要的突破[2]。

2.3 超声微泡促进基因靶向治疗 现有研究发现非侵入性诱导干细胞至受损心肌的细胞诱导法可以促进局部灌注、改善功能并促进梗死心肌组织再生[4]。Chang等[23]使用超声微泡介导骨髓干细胞移植于狗心肌梗死区域冠脉后，心肌声学造影测量结果表明，治疗组灌注缺损面积百分比较对照组减少59.2%。Ishikawa等[24]使用微泡靶向传递干细胞生长因子到猪梗死心肌，三维超声心动图发现左心室每搏指数及前负荷做功(preload-recruitable stroke work，PRSW)均增加。Deng等[25]利用微泡介导转染促血管生成素-1至兔梗死心肌，超声造影发现心肌灌注增加，超声心动图测量左心室射血分数增加、梗死处心肌增厚。Fujji等[4]用超声微泡转染SCF及重组人基质细胞衍生因子(stromal cell-derived factor，SDF)-1a至SD大鼠梗死心肌，超声心动图在舒张末期左心室乳头肌水平的短轴切面测量梗死心室肌的长度和厚度，发现随着治疗次数增多(n=0，1，3，6)，梗死部位心肌逐渐增厚，左心室射血分数也逐渐增加(P< 0.01)。

超声辐照联合微泡技术或许是一种更好的促进广泛梗死后的心脏再生的方法，可非侵入性地完成靶向药物或基因的转运及释放，增加靶器官基因或药物的浓度并最大限度地减少对身体其余部分的影响，并可重复治疗直到心肌灌注和心室功能恢复[4]。

3 超声辐照对血管平滑肌的作用

3.1 扩张冠脉 上世纪90年代初期已有研究发现[26～28]低频(20 kHz)高强度侵入性超声导管可以使动物和人的外周动脉及冠状动脉扩张。Miyamoto等[29]使用低频高强度经胸脉冲超声(27 kHz，1.4 W/cm2)辐照犬冠状动脉，5分钟后经血管内超声及定量冠状动脉造影发现冠状动脉管腔内径分别扩大21%及19.3%，且超声辐照冠脉扩张效果与冠脉内注射硝酸甘油相当。超声辐照结束1小时后，冠状动脉不再扩张，表明辐照扩张冠脉效应是可逆的。超声辐照5分钟时冠状动脉扩张最为显著，随着辐照时间增加冠状动脉扩张程度逐渐减小，超声辐照90分钟后管腔恢复到原来的大小。超声辐照90分钟仍没有发现组织发热的证据，因此Miyamoto等[29]认为低频超声辐照可无创性地诱导冠状动脉扩张且与热效应无关。对于急性冠脉综合征的患者，超声辐照是一种潜在的治疗方法，可无创性的诱导血管扩张并减少心肌缺血[29，30]。

3.2 预防血管再狭窄、增加血管密度 经皮腔内血管成形术(percutaneous transluminal coronary artery angioplasty，PTCA)是一种常见的解除冠状动脉狭窄的介入性治疗方法[31]，但介入后再狭窄的复发率高达30%～50%，平滑肌细胞过度增殖和迁移是导致再狭窄的主要原因[32]。Wei等[33]发现超声(21 kHz，46 mW/cm2)辐照可诱导血管平滑肌细胞凋亡。Zhang等[13]应用超声(45 kHz，0.3 W/cm2)辐照诱导平滑肌细胞凋亡率为3%，Zhang等[34]使用超声 (45 kHz，0.4 W/cm2) 辐照联合微泡作用24小时后平滑肌细胞凋亡率达 20%。

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管内皮细胞特异性的肝素结合生长因子，可在体内诱导血管新生。Hanawa等[22]在猪慢性心肌缺血模型上使用脉冲超声(193 mW/cm2)辐照治疗，2周后VEGF表达较治疗1周时高，5周后VEGF表达较前显著升高，8周后左旋支缺血区域冠脉侧支数量及心肌局部血流量治疗组较对照组明显增加，且VIII因子阳性血管数目仅在治疗组增加。

综上所述，超声辐照及联合微泡的方法可降低平滑肌细胞增殖率，无创且有效地预防及改善介入术后血管再狭窄[13]。此外，超声辐照联合微泡共同作用还可以诱导血管新生，增加毛细血管密度和血管内皮生长因子数量，促进局部血液循环，加快梗死部位的血供恢复，改善患者的预后[22]。

4 存在问题

尽管从动物研究中取得了一些非常积极的结果，甚至初步的临床评价，但微泡与细胞的相互作用机制，治疗方案及潜在的有害生物效应仍然不明确[35]，最常见的不良反应如血管渗漏、出血、破裂、细胞凋亡等。超声微泡介导基因转染及载药，如何提高微泡的稳定性及基因转移率与载药量，并更准确地定位治疗基因的准确分布及寻找更安全的有效载体等问题也亟待解决。此外，超声辐照可诱导室性期前收缩发生，有可能成为一种新的无创、无痛、可靠的体外起搏的方法，但其作用和效果需进一步确定，以便更好地控制室性期前收缩产生的部位和时机。而超声辐照正性肌力效应也还需在更多大型动物实验中进一步研究，为辅助临床治疗缺血性心肌病拓展新的思路和技术方法。因此，迫切需要进行更详尽的研究，以了解和量化辐照及联合微泡技术对细胞的潜在影响，并最终制定更加有效的治疗方案，最大限度地提高未来在临床上的疗效及应用。

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The progress of fundamental study on the treatment of ischemic heart disease by ultrasound irradiation combined with microbubbles

ZHAO Wan-yi，YIN Li-xue

四川省科研院所科技成果转化资金(编号：11010122)

R541.4；R445.1

B

1672-6170(2017)02-0129-04

2016-09-20；

2016-11-29)

△通讯作者