超声靶向微泡破坏技术在心肌梗死中的应用研究进展

陆相翔， 刘 燕， 黄照河

1. 右江民族医学院研究生学院， 广西 百色 533000; 2. 右江民族医学院附属医院， 广西 百色 533000

随着我国社会经济的进步和发展，人口老龄化和城镇化进程的加快，各种心血管疾病危险因素的流行趋势明显，导致各种心血管疾病的患病人数不断增加。目前，我国急性心肌梗死的患者平均死亡率总体呈现快速上升的趋势[1]。急性心肌梗死主要治疗为早期冠状动脉再灌注恢复血运，缺血心肌恢复血液可改善心肌功能，但再灌注本身亦会加重心肌损伤和心肌细胞死亡，该损伤称为心肌缺血再灌注损伤(MIRI)[2]。近年来，MIRI的治疗和预防是心血管领域新兴的研究课题之一。相关研究[3-5]表明，心肌缺血再灌注前进行药物预处理，这些药物包括基因、药物、气体等，能使心肌对缺血产生耐受，从而保护心肌细胞[6]。超声靶向微泡破坏(UTMD)技术是一种相对安全、高效的物理性靶向基因递送系统，该技术能将多种靶向基因递送到特定的解剖和病理部位，从而发挥更佳的保护作用[7]。目前，大量学者报道了UTMD技术在心肌梗死中的应用，本文就UTMD技术在心肌梗死中的研究进展进行综述。

1 微泡的结构和功能

微泡(microbubles，MBs)是一种由壳膜材料包裹气核形成的微米或纳米级气泡，通常用作医学成像中的造影剂和靶向药物运输的载体[8]，直径常在0.5～10 μm，微泡内可携带靶向药物、分子、抗体和气体，壳膜可为表面活性剂、脂质聚合物、脂质、蛋白质或这些材料的组合物[9]。微泡最初作为超声造影剂引入临床，现在已经发展成为一种诊断和治疗药物，既可以通过无创成像追踪，也可以在超声靶向部位选择性地输送治疗药物[8]。用于分子成像的靶向微泡是通过将靶分子、特异性抗体或配体结合到微泡表面，通过附着到靶组织获得特异性成像而实现的(图1)。同时，通过UTMD技术介导基因或药物到达特定靶点，也可以实现靶向基因治疗或药物递送[10]。

图1 靶向微泡结构示意图

2 微泡的发展

微泡于1968年首次应用于超声心动图的显像中，然而，由于其内含气体为空气、无外壳结构、半衰期短等特征，限制了临床应用[11,12]。此后，相关学者在此基础上对壳膜包装膜白蛋白或半乳糖等聚合体，即初代微泡造影剂。然而，由于包膜厚、弹性差、内含空气、易溶于水等也限制了其临床应用[13]。第二代微泡改进了内核气体，主要为高密度惰性气体(如氟碳、氟硫)，外壳成分不变，增强了稳定性[14]。第三代微泡在核心气体不变的前提下将外膜改变为薄而柔软的磷脂或白蛋白，具有稳定时间长、声学特性可控等优势，为靶向诊断与靶向治疗提供新依据[15]。目前由于纳米技术领域的快速发展，纳米微泡被开发出来，聚合物纳米微泡较脂质微泡的压力幅度高，不容易导致聚合物纳米泡造影剂破裂[16]。并且纳米微泡的形状和大小以及物理和治疗特性各不相同，核心可为气体、固体或脂质，外壳包膜由脂质或聚合物构成[17,18]。

3 超声微泡技术原理

在超声检查中，微泡充当超声增强器，将换能器(或探头)直接放置在目标组织或器官的顶部，换能器通过产生(通常为3.5 MHz)并接收7 MHz的超声信号来具体显示微泡。该技术将减少周围组织的信号，产生更高的信噪比并改善成像[19]。微泡的高振幅振荡增加了毛细血管和细胞膜的通透性，在超声的作用下，细胞膜附近振荡的微泡会在周围的液体中流动，从而对附近的细胞之间产生小而临时的开口，此开口促进了释放的基因或药物分子进入组织和细胞(声孔效应)，可以显著提高基因治疗的效率[20]。微泡还可以用作局部药物输送和基因治疗的载体。在制造过程中，微泡可以装载一系列不同类型的治疗材料，在超声成像指导下追踪其是否到达目标位置，然后通过增加超声强度来破坏微泡并局部释放包裹的材料(图2)，该技术称为超声靶向微泡破坏(UTMD)技术。UTMD技术可以明显降低与全身给药相关的不良反应发生风险，例如化疗药物毒性[21]。

图2 载药靶向微泡作用机制图

4 UTMD技术在心肌梗死中的应用及机制

4.1 促进血管生成

超声微泡介导粒细胞集落刺激因子(G-CSF)联合间充质干细胞(MSCs)移植对心肌梗死大鼠具有良好的治疗作用，可促进心肌微血管密度和血管内皮生长因子(VEGF)蛋白的表达，促进心肌血管新生，改善心功能[22]。超声联合微泡能够增高内皮细胞中VEGF的表达量，但不影响内皮细胞的活性[23]。通过UTMD技术将含有VEGF和干细胞因子(SCF)基因的质粒静脉注射心肌梗死小鼠体内，可有效增加血管密度，改善了心肌灌注和心室功能[24]。对急性心肌梗死家兔静脉内注射UTMD介导的血管生成素-1(Ang-1)促进了血管生成[25]。

4.2 促进移植细胞归巢

UTMD已被证明有望改善MSCs向缺血性心肌的归巢，UTMD可以增加缺血心肌中基质细胞衍生因子1(SDF1)的表达，并上调MSCs表面SDF1受体CXCR4的表达[26]。通过UTMD移植脯氨酰羟化酶结构域蛋白2(PHD2)shRNA修饰的骨髓间充质干细胞(BMSCs)促进了移植细胞归巢和活性，并增加了梗死心脏的心肌血管生成，从而改善了心脏功能[27]。使用UTMD介导的半乳糖凝集素-7(Galectin-7)siRNA治疗的急性心肌梗死大鼠BMSCs归巢能力增强，心脏功能和血流动力学相关指标得到改善，心肌纤维损伤和凋亡细胞减少，心肌微环境得到改善[28]。

4.3 促进梗死心肌再生

趋化因子(C-X-C基序)配体12(CXCL12)是重要的干细胞归巢因子，骨形态发生蛋白2(BMP2)是分化促进因子。有文献报道，UTMD介导的CXCL12和BMP2共转染显著促进了急性心肌梗死大鼠梗死心肌的修复和再生[29]。

4.4 减少心肌细胞凋亡和抑制氧化应激

硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)是一种内源性气体递质，虽然带有毒性，但其与一氧化氮和一氧化碳一起参与许多病理生理功能的调节，在心血管系统中起着维持体内平衡、诱导血管舒张和保护心脏的生物学作用。在MIRI防护中H2S可能通过抗炎作用、活性氧生产、蛋白质修饰、线粒体保存、离子通道的调节、抗凋亡和血管生成来保护心肌[30]。有研究证明UTMD介导的H2S可增加MIRI大鼠的心肌H2S浓度，通过传递H2S信号电解质分子改善机体心功能，这种保护作用与减少心肌细胞凋亡和抑制氧化应激有关[31]。

4.5 改善心肌微环境

心肌微环境对MSCs的存活、迁移和分化起决定性作用。一项研究报道UTMD诱导的心肌微环境变化及其对MSCs移植的影响，结果表明，UTMD介导的MSCs移植可诱导心肌微环境改变，促进心肌梗死犬心肌灌注，改善心脏功能和室壁运动评分指数[32]。

5 UTMD在其他领域中的应用

除治疗心肌梗死外，UTMD技术在其他血管疾病治疗中也表现出了良好的治疗效果。例如，使用纳米粒子介导的靶向改构型酸性成纤维细胞生长因子(maFGF)结合UTMD可预防阿霉素诱导的心肌病[33]，携带白细胞介素-8(IL-8)单克隆抗体的UTMD可减轻动脉粥样硬化斑块的炎症反应[34,35]。目前，UTMD也越来越广泛地应用于肿瘤的治疗研究中[36,37]。例如，UTMD介导的CD133下调抑制肝癌干细胞上皮-间质转化、干细胞和迁移能力[36]。UTMD介导的EZH2下调抑制肝癌干细胞的干细胞和上皮-间质转化[37]。外泌体可作为一种药物载体[38]，但某些组织对外泌体具有内在的抗性。据报道，UTMD可显著增加抗性组织中外泌体的浸润和内吞作用[39]。

6 总结与展望

微泡的开发和应用为超声介导的诊断与治疗提供了多种策略。UTMD技术作为一种最新的物理性质靶向基因递送系统，具有无创性、低免疫原性和毒性、可重复性和时空靶向特异性等优点，已被用于心肌梗死等多种疾病的诊断和治疗中[40]。UTMD技术通过递送药物、基因、分子来诊断及治疗心肌梗死，其机制与促进血管生成、促进移植细胞归巢、促进梗死心肌再生、减少心肌细胞凋亡和抑制氧化应激、改善心肌微环境等机制有关，具有准确、精细、高效的特点。因此，UTMD技术是治疗心肌梗死的医学研究热点之一[10]。虽然微泡的制备技术已经成熟，但微泡对所载药物、基因、分子的有效递送率和稳定性仍是目前需要重点关注的问题，这一问题直接影响治疗效果。此外，还需要优化UTMD技术中的超声强度。因为，过强的超声会引起微血管的破坏，甚至细胞破裂、心肌损伤等不良反应；过低的超声又无法爆破微泡并释放药物，导致失效。总之，UTMD技术在包括心肌梗死在内的心血管疾病治疗中疗效显著，应用前景良好，但仍需要对UTMD技术做进一步扩展，从而为其他疾病的治疗提供候选方案。此外，还需要进一步优化UTMD技术，从而提高疾病的治疗效率。