超声微泡在心脏疾病诊治中的应用进展

谭妍迪，赵云△，周军

随着经济的快速发展和生活方式的改变，全球心脏疾病的发病率和死亡率呈逐年增加趋势［1］。心脏的常规二维超声等技术虽能提供重要的信息，但远远不能满足临床诊断的需要，超声造影技术被称为超声医学的第三次革命，而微泡是常见的造影剂。目前，超声微泡已从经典的血池灌注成像进展到靶向分子成像［2］、从诊断学范畴进入治疗领域。微泡本身具有微创性、高安全性、实时性和靶向性的特点，可携带药物和基因，这将成为拓展心脏病治疗方法的新技术［3］。因此，本文综述超声微泡的优缺点和造影条件及其在心脏疾病的造影、溶栓、基因治疗方面的研究进展。

1 超声微泡的诊疗特点

1.1 超声微泡的优势 超声微泡是一种由外壳包裹气体形成的球状物质，根据外壳材料的不同可分为软壳微泡和硬壳微泡。硬壳微泡外壳由高分子材料聚合物构成，而软壳微泡外壳由磷脂或稳定表面活性剂组成。硬壳微泡虽较软壳微泡顺应性差，但具有较强机械硬度，主要应用于高频率超声［4］。软壳微泡的软壳增加了微泡内部气体的压缩系数，振荡性和顺应性更好，软壳微泡在低频率超声下会发生膨胀和收缩，从而产生空化作用［5］。

超声微泡的优势如下：（1）超声微泡具有空化作用、声孔效应和辐射力作用［6］。空化作用是当超声波能量达到空化阈值时，微泡破裂产生高速微射流、高能冲击波和巨大切应力，从而产生声孔效应：其产生的能量使微血管破裂，内皮细胞的细胞膜形成可逆或不可逆的小孔，从而增强通透性，可使更多的药物进入细胞。辐射力是超声产生的将微泡推向靶组织的推力，可增加靶器官附近药物浓度，提高疗效［7］。（2）微泡的靶向性可使药物和基因靶向递送，提高疗效。（3）超声微泡能保护药物和基因不被核酸酶和网状内皮系统降解清除，从而使药物和基因在血液循环中更加稳定、在靶器官中聚集的浓度更高，提高治疗效果。（4）能够降低健康组织在药物中的暴露程度和减少药物使用剂量，从而减轻药物对机体的不良反应［8］。

1.2 超声微泡的靶向性 微泡的靶向性是改善造影图像质量、提高治疗疗效的关键。超声微泡靶向性的主要机制有：（1）超声的局部辐照可触发微泡的定点破裂，使药物在靶器官周围定点释放，从而达到物理靶向的效果。（2）通过对超声微泡外壳的特殊处理，可使其表面载有抗体、糖类、多肽类等配体，使微泡特异性识别并结合靶组织表达的受体，从而达到主动寻靶的目的。

超声微泡的靶向性以及提高治疗效果的作用已得到充分验证。Sun等［9］在大鼠的缺血性心肌病基因治疗实验中证实，携带蛋白激酶B（AKT）基因的超声靶向阳离子微泡转染能力较普通微泡提高了近70%，心肌梗死范围明显缩小，治疗效果明显增加。另外，Du等［10］在使用Ang-1基因治疗心肌梗死的动物实验中也证实，细胞黏附分子-1抗体与靶向阳离子微泡的结合能靶向黏附于白细胞介素-1β刺激的DECV304细胞，即靶向至心肌梗死组织缺血区的血管内皮；该研究的体内实验和体外实验均证实靶向性微泡组梗死区域Ang-1基因的表达明显提高。

1.3 超声微泡造影设备的工作条件 超声微泡用于造影时，其造影效果常用非线性回波信号强度表示。非线性回波信号的强弱除与微泡本身特性有关外，还主要取决于声场中声强或峰值声压强度机械指数（MI）［11］。当MI＞0.1时，大多数的造影剂微泡在标准心脏探头下均可产生较强的非线性回声信号，较高MI（MI＞0.5）成像常用于心室结构、室壁运动及室壁血流灌注的造影，但其缺点是左心室及心内膜显影时间较短暂［12］。低MI（MI＜0.3）成像可实时观察室壁运动，超低MI（MI＜0.2）成像能同时增强微泡左心室及心肌血流的显影，但较低MI成像检测微泡的敏感度相对降低。定性及定量分析心肌微血管血流灌注常采用高MI破坏微泡后，再使用低MI成像，这样可实时观察心肌中造影剂回声强度动态变化过程［13］。

2 超声微泡对心脏疾病的诊治

2.1 超声微泡造影 靶向微泡具有与红细胞流变性相似的特点，能稳定地通过肺循环和冠状动脉循环至心腔和心肌，增强超声波能量的反射，使心腔的心内膜边界显示更清楚，从而提高图像质量，可用于全方面评估心脏解剖结构和功能［7］。根据部位不同，心脏造影可分为右心声学造影、左心声学造影、心肌声学造影。其中，左心声学造影较为常用，可评估左室容量、射血分数、局部室壁运动和左心腔微结构，常用于诊断冠状动脉疾病、急性冠状动脉综合征，快速鉴别急性胸痛和动脉瘤类型，评价术后并发症等。心肌声学造影主要用于探查心肌梗死区及心肌缺血区，评价心肌存活性、冠状动脉血流储备、侧支循环及内皮功能，预测稳定性冠状动脉心脏病事件，进行急诊胸痛患者的危险分层等［14］。

微泡在心脏疾病显像中的靶向性可分为炎症靶向显像和血栓靶向显像。血管内皮细胞的炎症反应与疾病的发生、发展以及预后密切相关，普遍存在于冠心病、心力衰竭、感染性心内膜炎等心脏疾病中。例如在感染性心内膜炎中，微泡可对心脏瓣膜上的细菌赘生物进行靶向成像，达到早期诊断和治疗的目的［15］。并且Dong等［16］在表皮葡萄球菌导致感染性心内膜炎的模型中证实，微泡在达到靶向成像的同时还可以明显提高病菌菌膜的通透性，从而提高药物的治疗效果。另外，血栓的形成是很多缺血性心脏疾病发生、发展的主要原因，而常规超声诊断血栓存在一定的困难，尤其当血栓与周围组织的回声相似时，血栓靶向微泡显像可有效解决该问题。例如在老鼠动脉粥样硬化模型研究中，载有P-选择素和血管细胞黏附分子-1的靶向微泡可进行靶向分子成像，直接靶向至动脉粥样硬化区域，该靶向微泡有助于判断病变区域［17-18］。

2.2 微泡溶栓 血栓引起的缺血性心脏病是重要的致死、致残疾病，微泡溶栓在临床及动物实验中均有广泛的运用。超声微泡可明显提高溶栓效果，降低血栓再发，原因如下：（1）临床上溶栓药物因易失活而往往使用剂量较高，微泡的使用可减少溶栓药物剂量，降低出血、心肌破裂、低血压等风险［19］。（2）内源性破裂的微泡可破坏纤维蛋白网，提高溶栓效果［20］。（3）超声可实时观察溶栓过程，对超声条件和药物剂量进行实时调整。

在临床中，介导链激酶、尿激酶、组织型纤溶酶原激活剂（tPA）、重组组织型纤溶酶原激活剂（rtPA）等溶栓药物的超声微泡已被广泛应用于治疗急性冠脉综合征等急性缺血性疾病［21］。关于超声设备的工作条件，George等［22］研究表明，低温条件下（33℃）的超声波（120 kHz、3.5 W/cm2）可显著增强tPA近期与远期的溶栓效果。

此外，对于微血管的栓塞，例如外周血管闭塞后的溶栓、冠状动脉栓塞的介入治疗中导致的微血管栓塞（MVO），当前传统经皮介入溶栓技术还无法治疗，而微泡治疗MVO是研究热点。Roos等［23］使用超声再灌注疗法（sonoreperfusion therapy，SRP）在体外自建的微血管栓塞模型的研究中进行治疗，SRP是利用超声微泡引起的微流、射流和局部温度增加等导致的生物效应，与内源性和外源性tPA共同作用再灌注微血管血流。

2.3 微泡的基因治疗 随着对心脏疾病分子层面的进一步了解，基因治疗被认为是心脏疾病治疗中一种很有前途的手段。Nabel等［24］早在1989年最先在心血管系统疾病治疗中开展基因研究。近年来大量研究已证实，在微泡协同作用下，基因转染效率能提高几个数量级［25-26］，而且微泡相较病毒等其他载体还具有低毒性、低免疫原性、低侵入性和可重复性的特点，且在超声波辐照区域以外可达到最低限度转染甚至无转染。除此之外，微泡还可以与病毒协同共载基因，转染效率较单独病毒作为载体也大为提高［27］。因此，超声微泡已被认为是基因治疗的新利器。

2.3.1 缺血性心脏病 超声微泡主要是通过增加血管密度和诱导干细胞心肌的归巢来治疗缺血性心脏病。Deng等［28］在心肌梗死的家兔模型上，利用超声微泡将Ang-1基因递送至梗死的心肌，结果表明梗死区的微血管密度升高，左心室功能明显改善，同时超声微泡的协同作用提高了疗效。Su等［29］在猪冠状动脉微栓塞（CME）模型中利用微泡介导microRNA-21靶向调控靶基因PDCD4，抑制PDCD4/NF-κB/TNF-α信号通路，从而明显降低PDCD4表达和NF-κB活性，进而改善CME诱发的心功能不全。Kwekkeboom等［30］利用微泡成功将miRNA抑制剂antagomir传递至鼠心肌梗死部位，发现antagomir能有效抑制心肌细胞纤维化和凋亡，促进血管生成，从而改善心脏功能，治疗心肌梗死。Kokhuis等［31］研究表明，微泡可促使干细胞心肌细胞的归巢，增加缺血后存活心肌数目，促进心肌梗死后损伤血管的修复及再生。

2.3.2 心肌缺血再灌注（I/R） I/R的治疗基因主要有GDF11、TRAF3IP、miR-21等。Du等［10］通过超声微泡将GDF11基因靶向输送到心脏，GDF11的成功表达使内源性干细胞活力恢复，生成了新的内皮、血管，减轻了I/R损伤、减少了梗死面积，从而改善了心功能。Erikson等［32］利用靶向微泡传递TRAF3IP2的磷硫酰反义寡核苷酸至左心室，从而明显抑制了TRAF3IP2表达，降低了炎症细胞因子、趋化因子和黏附分子表达，减轻了I/R诱导的氧化应激，防止了I/R和I/R修复期导致的心肌肥大和心肌收缩功能障碍。Liu等［33］研究表明，miR-21具有保护心肌的作用，可改善心室重构、减少I/R损伤所致的心肌细胞凋亡，从而减少心肌梗死面积。

2.3.3 糖尿病心肌病（DCM） Zhao等［34-35］研究显示，超声微泡可成功介导碱性成纤维细胞生长因子脂质体（bFGF-lip）和酸性成纤维细胞生长因子纳米粒（aFGF-NP），从而防治DCM。实验表明，bFGF-lip可激活PI3K/Akt信号通路，从而抑制心肌细胞凋亡、增加微血管密度；而aFGF-NP是多种细胞重要的促生存和抗凋亡因子，可诱导内皮细胞平滑肌细胞增殖和血管生成，调节DCM应激反应而抑制损伤，降低心肌细胞凋亡指数、增加心肌微血管密度，可不同程度改善心脏舒张功能、心肌纤维化和代谢紊乱；实验还证明基因与微泡的联合运用不仅可以提高aFGF在存储和血液循环中的稳定性，还减少了其对机体的不良反应［34-35］。

2.3.4 心肌肥厚和心衰 在逆转心肌肥厚和心衰方面，Gill等［36］通过微泡输送模拟miR-133至心脏，有效减少了肥大细胞的表达，这可能成为今后临床上逆转负性肥厚性重塑的理想方式。Dong等［8］在体内外研究中均表明，微泡介导的miR-21使抗凋亡基因bcl-2上调，从而改善心肌肥厚和心肌纤维化，对治疗心力衰竭有较大帮助。

3 问题与展望

超声微泡为心脏疾病的诊治提供了新的发展方向，在未来可补充甚至取代现有的诊疗手段，但超声微泡的治疗应用大多数还停留在实验研究阶段，并且许多方面的问题亟待解决：（1）微泡所载的心脏疾病相关药物及基因用法用量需进一步规范，新型的微泡材料、药物、基因有待证实和开发，超声设备需进一步改进，最佳参数组合需进一步拟定。（2）超声微泡的技术学习难度大、对专业技术人员的要求较高、对操作者的依赖性强，需要专业培训学习。（3）超声微泡为载体的基因转染效率较低，所以需要寻找保证超声微泡载体质量的同时具有高转染效率的方式方法。

随着分子影像学的发展，超声造影剂在未来会逐步实现多功能成像和多模态显像。多功能超声造影剂是由多种显像分子、靶向基因及药物与超声造影剂连接制备而成，多模态显像在进行超声分子成像的同时可实现其他影像技术的增强显像，经过后期处理将各种分子影像学的优点结合。目前超声造影剂材料一直在被研发更新，例如微泡已逐步从微米级转换为纳米级，纳米粒微泡管径更小、穿透力更强，可穿过肿瘤血管间隙进入组织而用于造影，未来一定会有更多更有利于诊断治疗的造影剂材料被研发使用。