微纳米材料在超声诊疗学中的应用进展

尹豪豪，张 坤，徐辉雄

同济大学附属第十人民医院超声医学科，同济大学医学院超声医学研究所，上海 200072

分子成像是一种利用探针进行非侵入性探测体内生理变化的技术，能够在解剖结构发生变化之前检测出疾病，有利于研究疾病的病因、发生、发展及转归，从而实现疾病的精准治疗［1］。超声波检查是一种无创并且可以实时动态观察的成像模式，具有安全性高、成本低及易于操作等优点。因此，超声分子影像一直以来都是分子影像中研究的重点之一。近年来超声分子影像的研究热点多基于空化效应，空化效应是一种物理现象，液体中的微气核（空化核）在声波的作用下产生振荡，当声压超过一定值时会发生膨胀、收缩至内爆等一系列变化。气泡内爆的瞬间，泡内聚集的能量迅即释放出来，微小空间内呈现出高温、高压、冲击波和微射流等极端的物理条件，这一过程称为声空化效应［2］。利用声空化效应，含气微泡不仅可以作为超声造影剂，还可以作为药物和基因的载体。这些负载药物/基因的微泡平均粒径小于红细胞，并且在超声的激发下可以穿透毛细血管释放药物和基因，诸多研究着眼于如何利用超声及微泡进行药物/基因的靶向运输。

除微泡外，在过去几年中，纳米材料的迅速发展也带动超声分子影像取得了飞速的发展。与传统的诊断和治疗方法相比，纳米材料具有以下4个优点：① 与小分子造影剂、药物不同，纳米材料可以更容易地整合多种药物（成像剂/治疗剂），成为具有诊断和治疗的多功能纳米平台。② 由于纳米材料有较大空间（如大的比表面积或内部空间），大量的成像剂或药物可以通过简单的方法载入纳米材料。③ 纳米材料具有特定的靶向部分，大小和表面性质容易进行理化修饰，因此可以对疾病部位进行靶向药物传递和成像；与单分子相比，由于纳米材料的多价效应，多个靶向分子可以极大地增强靶向结合的能力和特异性。④ 合适大小的纳米材料和进行相应表面修饰可以增加血液循环时间，减少网状内皮系统（reticuloendothelial system，RES）对纳米材料的摄取和清除。

近年来，利用纳米材料的不同特性，已制备出多种功能各异的材料用于疾病的诊断和治疗。它们可以通过结合超声介导血脑屏障（blood brain barrier，BBB）的开放，实现多模态成像、诊疗一体化、肿瘤微环境标志物监控和信号放大。因此纳米材料在超声分子影像中也逐渐有了举足轻重的地位。

1 微纳米材料结合超声介导BBB的开放

BBB通常可以保护大脑免受毒素侵害，并有助于维持神经元微环境的稳态。然而BBB也阻断了98%的小分子药物和约100%的大分子神经治疗药物进入脑实质［3］。BBB的开放对中枢神经系统疾病的诊治显得尤为重要。研究表明，微泡在增强聚焦超声（focused ultrasound，FUS）的激发下，可以非侵入性、局部可逆性地打开BBB［4］。由于通常使用的微米级微泡稳定性较差，且FUS触发的空化效应会引起内皮和薄壁组织暴力损伤（如大量的红细胞外渗）［5］，因此如何保证有效开放，同时又不损伤正常组织，一直是研究的热点。BBB的开放程度受到许多因素的影响，包括微泡壳材料的种类、直径、浓度和气核的体积等。第一，微泡壳层材料的组分直接影响微泡壳层的刚性，研究发现用同样强度的FUS开放BBB，脂质微泡比人血清白蛋白微泡更容易打开BBB。第二，BBB开放的程度及分布还取决于微泡的浓度，进入脉管系统的浓度越高，BBB开放程度越大。第三，随着微泡的直径增加，可以增加对邻近细胞的机械力并且加强对血管壁的刺激。第四，微泡中气体体积也会影响BBB的开放程度，优化微泡中气体体积可以优化BBB开启的效率。

Huang等［5］为了让药物能够有效地穿透血管进行靶向成像，优化BBB开启的效率，同时达到组织损伤最小的目的，设计了一种磁引导的微纳米泡（micro-nano bubble，MNB），在MNB表面的二氧化硅壳上负载超顺磁性氧化铁（superparamagnetic iron oxide，SPIO）纳米粒子，在磁场的引导下可以明显地增加局部组织的MNB浓度。这样既可以安全地打开BBB进行有效的药物传递，又可以达到磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）/超声双模态成像，起到实时监测的效果。这种多功能MNB的成功制备，意味着出现了一种独特的新型诊疗工具，不仅可以打开BBB，明显改善药物治疗效果，还具有多模态成像的功效。

2 微纳米材料介导的多模态成像

临床上成像模式通常包括光学成像、MRI、计算机断层成像（computed tomography，CT）、超声和正电子发射体层成像（positronemission tomography，PET）或单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography，SPECT）。每种仪器都有其特有的优点，如PET具有高灵敏度的特点以提供疾病的功能信息；CT和MRI具有高分比率的特点以提供疾病的解剖信息；超声具有实时监测、无辐射等优点。每种成像模式有其固有局限性，如灵敏度不足或空间分辨率差等，这使得其难以在疾病部位获得准确可靠的信息［6］。为了弥补这些缺陷，不同成像模式可以进行组合，如PET/CT、PET/MRI及MRI/超声，以改进成像性能。因此，这些不同成像模态的组合可同时实现高灵敏度、高分辨率和动态观察，提供疾病更详细的解剖学和生物学信息。

目前PET/CT、PET/MRI及MRI/CT等多模式探针已经较为成熟，超声多模态成像研究以及相应探针虽然还处在发展阶段，但也引起了广泛的兴趣。Huynh等［7］设计了一种微泡，其壳结构由细菌叶绿素-脂质构成，内填充全氟丙烷气体，填充的气体具有超声造影的效果，同时壳中的卟啉具有光学及荧光特性。在低频超声的激发下，微气泡破裂为更小的纳米颗粒，同时仍然保持着相应的光学特性。体内外实验验证了这种微泡具有光声成像效果，同时这种微泡到达肿瘤区域还可以提高药物的增强渗透性和保留（enhanced permeability and retention，EPR）效应。这种普通高分子卟啉微泡（porphyrin micro bubble，pMB）可以成为超声、光声及荧光三重造影剂，此外还响应低频超声，从而形成纳米颗粒，增强EPR效应，pMB的出现对临床多模态成像的开发和应用具有重要意义。尽管不同的成像技术可以相互补偿，但如何优化设计纳米材料使其能够充分发挥不同成像模式的优点，仍存在一些困难。例如，PET或近红外荧光（near-infrared fluorescence，NIRF）成像造影剂能以极低浓度使用，而MRI和CT造影剂需要相对高的浓度，超声造影剂需要含气微泡。因此，需要聚焦于造影剂负载纳米材料中的量，从而发挥不同成像模式的优点，得到更精准的图像，进行疾病的有效诊断。

3 微纳米材料用于超声介导疾病的治疗

高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）是一种非侵入性、无放射性的治疗方式，是一种理想的癌症治疗方式。但是HIFU在治疗过程中面临着不可控性、安全性差及精准度低等问题［8］。由于这些问题仍然未得到解决，HIFU的大规模临床应用仍处于初期阶段。最近开发的纳米生物技术提供了另一种有效的方法来克服HIFU中的这些缺憾，用于癌症治疗。HIFU可以通过FUS的高温激活纳米药物递送系统（drug delivery system，DDS），并且仅在超声作用部位触发药物释放。然而，超声能量在某些深部肿瘤组织中的集聚通常不足，因为超声能量会随着组织穿透深度的增加而呈指数衰减。提高HIFU消融效率的典型策略是增加HIFU照射剂量，但HIFU照射剂量的增加可能导致声传播通道中正常组织的损伤。因此，通过在肿瘤组织中引入有机/无机纳米颗粒来改变癌组织的声学环境，可以部分地解决这一矛盾。纳米材料可以在血管中运输，并通过EPR效应在肿瘤内部集聚，通过FUS的热/机械/空化效应触发特殊的相变以形成微泡，协同增强HIFU消融效率。另外，化疗药物也可以通过这些纳米材料同时进行递送，并在HIFU触发时释放，以实现HIFU/化学协同疗法［9］。

为了进一步提高HIFU治疗的功效及安全性，Zhang等［10］设计了一种以温控为特点的“固-液-气”（solid-liquid-gas，SLG）三相的多功能诊疗剂，以代替传统的“液-气”（liquidgas，LG）双相诊疗剂，体外、体内实验证实SLG可明显提高HIFU治疗的功效和安全性。另外，SLG可以负载多种疏水性和亲水性的药物，还可以延长药物在血液内的半衰期以及增加在肿瘤内的富集量，使得HIFU协同化疗等多种其他治疗方法成为可能，为临床疾病的诊治提供了一种新的策略。

4 微纳米材料介导的诊疗一体化

纳米技术的进步显著影响疾病的诊断和治疗方式。在过去的十几年中，已经进行了纳米颗粒用于药物递送和成像的探索。纳米颗粒在成像和治疗中有很高价值，具有在细胞水平上成像和治疗疾病的潜力。该领域的前沿研究即设计诊疗一体化的平台，重点是将诊断检测试剂与治疗药物进行结合、组合。靶向治疗和诊断的纳米载体为疾病治疗带来了希望，因为它们具有靶向治疗特定疾病部位的能力，同时还允许非侵入性的监测定位功能［11］。Min等［12］设计了一种可以响应肿瘤酸性微环境的纳米粒子，CaCO3-MNP在肿瘤酸性微环境的刺激下激发CO2的释放和化疗药物的释放，可以迅速地达到超声造影成像及肿瘤治疗的效果。Liu等［13］也设计了一种超声-HIFU多功能的纳米颗粒用于肿瘤的精准消融，过氧化氢酶在肿瘤微环境H2O2存在下促进O2的产生，在HIFU消融治疗的过程中可以做到实时监测。这些诊疗一体化纳米材料的出现，为临床如今面临的一些问题，如消融后残余灶存在、过度治疗和无法监控等，提供了新的解决方案。

5 展望

超声分子影像学发展迅速，为传统的诊治手段提供了新的理念，但是目前诸多研究仍停留在基础研究层面，生物安全性需要进一步验证。如何将这些基础研究进一步临床转化，缓解患者的痛苦，改善疾病的预后，必须考虑以下几个问题：① 合适的血液半衰期；② 较小的脱靶效应，良好的生物相容性；③ 可以进行有效的体内代谢；④ 纳米材料可以有效地从体内排出；⑤纳米材料对人体无潜在毒性。