声动力治疗的研究进展

张 政 杨丹丹 张 欣 付启航 岳 悦 濮雄鹰 李铭杰 顾 欣 徐阳阳

声动力疗法（sonodynamic therapy，SDT）最初起源于光动力疗法（photodynamic therapy，PDT），具体是指利用超声波对生物组织有较强的穿透能力，尤其是聚焦超声能无创伤地将声能聚焦于深部组织，并激活一些声敏药物（如血卟啉）产生抗肿瘤效应［1］。SDT既具有PDT的无创肿瘤治疗效果，又具有深层次穿透能力，可以对解剖部位较深的病灶进行精准治疗，为临床治疗提供了新的选择。近年来，随着对SDT的深入探索，其原理被逐渐揭开。活性氧的积聚、空化效应的产生、细胞凋亡水平的增加均为SDT的临床实验提供了细胞水平的支持［2］。与此同时，SDT联合光动力、化疗、热疗等治疗方式弥补了单一治疗方式的不足，使治疗效果得到进一步提升。本文就SDT的机制、医学研究进行综述。

一、SDT机制

SDT是一种新型的治疗方式，目前尚未大量应用于临床，其机制仍在探索中。经过近20年的研究，关于SDT的机制比较认可的主要有活性氧（reactive oxygen species，ROS）机制、超声空化效应、凋亡机制。①ROS：作为一种活性的含氧化学物质，包括过氧化物、自由基、离子和单态氧，在细胞损伤或死亡中起着关键病理作用。声敏剂可以特异性地富集于肿瘤细胞中，通过体外超声波能量的作用，诱发肿瘤细胞内产生大量ROS，破坏肿瘤细胞，继而达到治疗疾病的目的［2］。②超声空化效应：是一种物理作用，其在物理学中的解释为：存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。当细胞膜接收到超声波能量时，可以诱导空化效应的产生。随着空化效果增强，机械压力不断增强，最终对细胞膜造成物理损伤［3］。研究［4］表明，超声波可以改变细胞膜的通透性，使声敏剂更易进入病灶细胞。③凋亡机制：半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）是一种与凋亡相关的蛋白酶，其在细胞凋亡中起着重要的作用。研究［5］表明SDT可以上调FAS/FASL的表达，导致细胞内Caspase-8和Caspase-3的增加，进而激活外源性凋亡通路诱导细胞凋亡。Bcl-2为一种抑癌基因，具有显著抑制细胞凋亡的作用。有研究［6］表明，SDT可以通过下调Bcl-2基因的表达，从而改变下游Bcl-2家族蛋白的表达水平，促进细胞凋亡。Ca2+相关凋亡通路也是近些年来研究热点。SDT不仅可通过增加细胞内Ca2+水平，降低线粒体膜电位，改变线粒体通透性，促进细胞色素C和凋亡因子的释放，进而促进细胞的凋亡［7］；还可能通过破坏肿瘤血管系统，使肿瘤血管扩张和出血，尤其对新生血管的内皮细胞产生损伤，从而影响肿瘤血供，加快肿瘤凋亡［8］。

二、SDT的应用

1.肝癌：肝癌是全球范围内发病率最高的恶性肿瘤之一，也是导致肿瘤相关死亡的第三大原因。传统的放、化治疗会对机体产生极大伤害。SDT为肝癌的治疗提供了新的选择。Li等［6］通过SDT分别从体内和体外两个层面对hep-G2肝癌细胞进行治疗，结果发现SDT上调了p53和Bax的表达，下调Bcl-2的表达，导致Caspase-3的激活，最终引发细胞凋亡。对照组和SDT组荷瘤小鼠在治疗后第11天的肿瘤体积分别为（959.2±82.1）mm3、（294.4±31.4）mm3，两组小鼠的生存时间分别为（25.0±0.6）d、（35.3±1.1）d，差异均有统计学意义（均P＜0.01）。结果表明SDT体外治疗可以通过激活Caspase-3蛋白促进细胞凋亡；体内治疗可以抑制肿瘤生长，延长荷瘤小鼠的存活时间。Wang等［8］经体外研究发现，SDT可以降低H22肝细胞癌的线粒体膜电位，进而导致细胞凋亡的产生。肿瘤细胞经SDT治疗60 s后，继续胞孵育培养2 h，细胞存活率由82.6%降低至59.4%。此外，另有研究［9］报道表明SDT对肝癌荷瘤小鼠也具有治疗效果。

2.乳腺癌：目前，使用SDT进行体内体外治疗乳腺癌的研究较多。钟晓文等［10］在体外应用SDT治疗MDA-MB-231人乳腺癌细胞，治疗后可使肿瘤细胞凋亡率达68.33%。Zhang等［11］使用负载血卟啉单甲醚的脂质体作为SDT的声敏剂对MCF-7乳腺癌细胞进行治疗，治疗20 d后发现MCF-7细胞中有大量ROS蓄积，MCF-7细胞的生长得到了很好的抑制。有学者［12］以5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作为声敏剂，从体内和体外两个层面证实了SDT对EMT6乳腺癌细胞的治疗效果，并得出了SDT治疗的靶点在线粒体上，其机制主要为线粒体膜氧化，产生ROS，进而达到治疗乳腺癌的目的。有学者［13］对乳腺癌荷瘤小鼠治疗发现，SDT可以显著抑制小鼠肿瘤的生长，其抑瘤率可高达70%。

3.脑胶质瘤：Chen等［14］研究表明，SDT不仅可以增加凋亡蛋白Caspase-3、Bcl-2、Bax的表达，还可增强替莫唑胺（TMZ）治疗脑胶质瘤的疗效。结果显示，SDT联合TMZ使用可抑制NHE1蛋白的表达，进而抑制胶质瘤细胞的迁移；电镜下可见细胞核缩小，核膜形态特征改变，核染色质浓缩，线粒体肿胀、空泡化，线粒体嵴和膜消失，大量液泡被格式化等大量病理学改变。研究［15］表明，SDT还可通过诱导自噬体的增多，达到抑制脑胶质瘤细胞增殖目的。在活体层面，因血脑屏障的存在，作为大分子水溶性的声敏剂通常需借助纳米材料，才能透过血脑屏障特异性地与肿瘤结合。Liang等［16］通过纳米材料运载声敏剂原卟啉（PpIX）透过血脑屏障，增加声敏剂在肿瘤组织内的累积。结果显示，SDT可以在不降低小鼠体质量的前提下，显著抑制C6脑胶质瘤荷瘤小鼠肿瘤生长速度，起到了良好的治疗效果。

4.骨肉瘤：是一种起源于间叶组织的恶性肿瘤，主要患病人群为儿童。晚期骨肉瘤的治疗存在着放化疗不敏感、化疗药耐药、肿瘤复发等诸多问题，是临床面临的难点问题。SDT的出现为骨肉瘤的治疗提供了新的选择。钱贵宾等［17］通过细胞体外实验证实5-ALA可特异性地富集于U2-OS人骨肉瘤细胞，并通过外部超声刺激促进了细胞内ROS的产生；MTT法检测到细胞存活率大幅下降。Xiong等［18］以华卟啉钠（DVDMS）作为声敏剂，对S180肉瘤的荷瘤鼠进行体内实验也发现了类似的结果：肿瘤体积在SDT治疗下减小、癌细胞凋亡增加，且SDT治疗效果与短时间内治疗次数呈正相关。

5.白血病：Hu等［19］使用DVDMS作为声敏剂，研究发现华卟啉钠（DVDMS）可特异性、快速富集在人白血病细胞（K562、U937）中，而对正常组织不产生富集。可见，SDT可以特异性地杀伤白血病细胞，而对正常细胞诸如小鼠外周血单核细胞、脾淋巴细胞未表现出毒性。

6.牙周炎：SDT对牙龈卟啉单胞菌生物膜具有杀伤作用，并且在此过程中，可引发脂质过氧化反应，导致丙二醛的释放，最终达到治疗牙周炎的目的。研究［20］证实，以血卟啉单甲醚为声敏剂的SDT可成功治疗牙周炎大鼠，且未发现不良反应的发生。

7.动脉粥样硬化：巨噬细胞在体内参与炎症反应和脂质代谢，对于动脉粥样硬化的发展起到关键作用。巨噬细胞吞噬游离胆固醇酯化形成的脂滴成为泡沫细胞，泡沫细胞分泌炎症因子、促进斑块进展，是动脉粥样硬化斑块的特征性标志［21］。王巍等［22］通过细胞水平研究发现，5-ALA介导的SDT可以使泡沫细胞和巨噬细胞凋亡，从而达到治疗动脉粥样硬化的目的。王立民等［23］采用姜黄素介导通过SDT治疗活体动脉粥样硬化小鼠，发现在主动脉上TIMP-1表达增加，MP-2和TMP-9表达降低。促炎性细胞因子干扰素γ和肿瘤坏死因子α表达降低，抗炎性细胞因子转化生长因子（TGF）-β和白介素10表达增加，从而达到治疗动脉粥样硬化的目的。

三、SDT的联合应用

尽管SDT表现出良好的治疗效果，但是由于肿瘤的生长机制复杂，单一的治疗方式难以达到最佳的治疗效果。多种方式联合治疗在肿瘤治疗中展现出极大地潜力。

1.声光动力治疗（sono-photodynamic therapy，SPDT）：玫瑰红是一种光声敏剂，同时也是一种免疫增强剂，可以刺激免疫物质产生以达到抗肿瘤的目的［24］。Liu等［25］通过两亲性的多肽为载体包裹玫瑰红，制成新的纳米材料，并将其命名为PARN。研究发现，相比单纯的光动力治疗或SDT，以PARN介导的SPDT可以显著抑制荷瘤小鼠肿块的生长，促进肿瘤细胞凋亡和ROS的产生，增强了肿瘤坏死因子和白介素6的分泌。且发现这种联合治疗并不会对心、肺、肝、肾等重要脏器产生损伤。Kenyon等［26］通过SPDT对晚期乳腺癌患者进行治疗，发现该疗法延长乳腺癌患者生存时间的同时，并未产生明显的副作用。

2.SDT联合化学疗法：化疗是肿瘤治疗的主要方法之一，但长期使用化疗药物会使肿瘤产生耐药型，从而影响治疗效果、增加肿瘤远处转移的风险。Chen等［27］研究发现，相比单纯使用化疗药物，化疗药物TMZ联合SDT可以降低C6脑胶质瘤细胞中基质金属蛋白酶-2的表达，从而降低了肿瘤细胞转移的能力。不仅如此，该研究还表明SDT可以增强肿瘤对于化疗药物TMZ的敏感性，提升化疗药物的治疗效果。Wu等［28］研发了一种可以装载化疗药物的纳米载体HPCID，其装载阿霉素和SDT联合治疗可以加速ROS的产生，从而显著抑制4T1乳腺癌细胞的生长；经体内实验证实，联合治疗可以显著降低荷瘤小鼠肺转移风险，同时并未观察到明显的毒性作用。

3.SDT联合热疗：热疗是肿瘤治疗的一种辅助疗法，其通过将肿瘤局部温度提升到40～43℃，但未提高周边正常组织的温度。研究［29］表明其可以改变肿瘤细胞的血供和氧合、抑制DNA修复、阻止细胞周期进程和促进细胞凋亡的作用。此外，热疗联合SDT也可以增强SDT效果。Chen等［30］使用二氧化硅作为纳米载体，联合导热材料石墨烯和声敏剂玫瑰红制作出了新的纳米材料nrGO@MSN-ION-PEG-RB，在超声的作用下，其可以使肿瘤局部温度升高，提高肿瘤组织ROS的产量，降低空化阈值。肿瘤组织深部通常呈低氧状态，联合治疗尤其可以增强肿瘤深部组织ROS的产生，增强了SDT的治疗效果。Ju等［31］研究发现，热疗联合SDT可以在提高肿瘤区域ROS产生的同时，降低线粒体膜电位，扰乱肿瘤组织的能量代谢，从而达到抑制肿瘤生长的目的。

四、总结及展望

总之，SDT作为一种有效、安全、无侵入的治疗方式，已经得到了众多学者的认可，其治疗机制也随着研究的深入逐渐被人们认识。SDT不仅可以对肿瘤产生较好的抑制效果，对炎症、动脉粥样硬化等良性疾病也展现出了治疗效果。联合方式治疗使SDT的潜在治疗价值进一步被发掘，为疾病的治疗提供了新选择。但是由于声波的衍射、散射等特性，病变区域外的正常组织难免会受到超声的照射和细胞毒性的影响，这将会对治疗产生负面影响。如何最大可能的降低副反应的产生，是SDT以后研究的重点和难点，也是该疗法大规模应用于临床的阻碍。目前声敏剂多为光敏剂发展而来，其在治疗过程中难免会产生光毒性和受到其他物理因素的干扰，这将为治疗带来诸多变量及不确定性。设计出一种仅对超声敏感的声敏剂，也是以后研究的方向。此外，各实验机构在进行声动力测试时，超声强度、超声频率、单次治疗时长、治疗周期、声敏剂的选择、长期治疗的安全性等方面尚未形成统一的标准，这也是下一步需要研究和完善的地方。