经颅超声在帕金森病治疗中的应用*

李春婵 杨佳佳 刘近贞 郑晨光 田裕涛 何 峰 明 东

（1）天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072；2）天津工业大学生命科学学院，天津 300387；3）天津工业大学控制科学与工程学院，天津 300387；4）天津大学精密仪器与光电子工程研究院，天津 300072）

超声波是指频率为20 kHz或者更高频率的声波，其特点是波长短、方向性强，主要用于工业探测、医学成像和超声治疗等领域。超声根据频率不同具有不同用途：高频超声波（1~20 MHz）用于医学诊断，中频（0.7~3 MHz）用于超声治疗，低频（20~200 kHz）用于工业和治疗［1］。超声频率大小决定了其穿透深度和空间分辨率，频率越大，波长越短，分辨率越高；相反，随着超声频率增加，超声波衰减增加，穿透深度降低。治疗性超声可大致分为“低强度”和“高强度”，“低强度”应用包括物理治疗、骨折修复、基因转染、神经调控等，而“高强度”超声波在医学中最常见的应用是高强度聚焦超声波消融术［2］。在Ahmadi等［1］的一篇综述文章中，将低强度定义为空间时间强度为0.125~3 W/cm2、高强度为5 W/cm2至几千W/cm2的能量范围。超声波兼具力学效应、热效应和波动效应。在低强度下，力学效应可能是主要的生物效应；在高强度下，热效应和声空化占主导地位［3］，波动效应主要用于医学诊断成像。

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是仅次于阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的第二种常见神经退行性疾病，它影响着全球大约1%的60岁以上人口［4］。PD是一种进行性多因素神经退行性疾病，主要症状表现为震颤、运动迟缓和僵硬，还伴有其他运动性或者非运动性症状，如情绪和睡眠障碍［4］。PD的平均发病年龄约为56岁，但也存在早发性PD患者（21~40岁）和青少年期PD患者（21岁之前）［5］，预计到2040年，PD将会影响超过1 200万人的生活质量［6］。帕金森病的两个主要病理特征是黑质致密部中多巴胺神经元的丧失和α突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）的异常聚集［7］。

PD的治疗方式主要包括药物治疗、植入脑深部刺激器（deep brain stimulation，DBS）和损伤手术［8］。药物治疗包括多巴胺前体、多巴胺激动剂、单胺氧化酶B抑制剂，药物治疗的主要目的是提高多巴胺（dopamine，DA）水平、抑制多巴胺氧化代谢，缓解PD症状［8］。在众多药物中，左旋多巴是治疗PD初期运动障碍的最有效药物，但是用药5~10年后会引起相关并发症，如左旋多巴相关的运动障碍、步态冻结、姿势不稳、抑郁和运动波动等［9］。当出现药物疗效下降时可考虑植入DBS，DBS具有可逆、可调节的优势，是一种改善PD运动障碍的有效疗法。但是DBS手术具有侵入性，存在一定手术风险。20世纪50年代到60年代以基底神经节为靶点的外科消融手术颇为盛行，后来随着立体定位技术的发展，阵列聚焦超声在磁共振成像（MRI）引导下，可以在不打开颅骨的情况下，对靶点进行消融，最近FDA已经批准磁共振引导聚 焦 超 声 （MRI-guided focused ultrasound，MRgFUS）消融手术用于治疗震颤为主的PD［8，10］。超声波因其具有无创、空间分辨率高、穿透性强的特点，受到广泛关注，现在又发展了MRgFUS开放血脑屏障给药、低强度聚焦超声神经调控和声遗传技术。本文主要综述经颅超声在PD治疗中的研究进展，涵盖MRgFUS消融技术、MRgFUS开放血脑屏障（blood brain barrier，BBB）给药技术、低强度聚焦超声调控（low-intensity focused ultrasound stimulation，LIFUS）技术和声遗传技术，以期为研究PD发病机制、探究PD治疗方案的同行提供一定的参考和帮助。

1 MRgFUS消融技术治疗PD

数十年来，消融手术成功应用于PD、特发性震颤等运动障碍疾病的治疗之中［11］。20世纪90年代随着DBS技术出现，电刺激丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）或者内侧苍白球（globus pallidus internus，GPi）可改善帕金森病和左旋多巴相关并发症，由于DBS具有可逆性，损伤疗法逐渐失去热度。然而，DBS在取得疗效的同时也展现出一些缺点，比如手术风险、并发症、手术禁忌症和高昂的手术费用，这使得许多患者拒绝接受DBS植入手术。最近新兴的MRI引导的高强度聚焦超声技术再次唤起了人们对消融功能性神经外科手术的热度。MRgFUS可以在不打开颅骨的情况下，对大脑深部组织消融，避免了传统射频消融、DBS打开颅骨和植入电极带来的风险［12］。

Fry等［13］首次提出使用聚焦超声治疗运动障碍。1959年他们首次尝试人体实验，使用4个超声探头产生聚焦声束穿过颅窗靶向苍白球/黑质治疗帕金森病［14］。颅骨相对于脑组织对超声波具有较高的吸收系数，当时受技术限制，需要开颅骨窗以精准实施超声治疗。如今，相控阵技术、MRI技术的进步允许通过完整的人体头颅进行超声消融［5］。MRI热成像技术允许对治疗位置和强度进行精准定位和实时监测，从而提供有效消融所需热剂量的准确定位和控制，高强度超声波束通过完整的颅骨聚焦于治疗靶点，而无需切口，一般术后症状可得到立刻缓解。

1.1 MRgFUS消融术治疗机制

基底神经节功能异常被认为是PD的主要病理机制，其和运动皮层之间有着广泛的纤维联系，以协调运动功能。基底神经节与运动皮层之间的环路可分为直接通路（纹状体-内侧苍白球/黑质网状部）和间接通路（纹状体-苍白球外侧-丘脑底核-内侧苍白球/黑质网状部）［4］。直接通路的激活减少基底节的输出，减少对丘脑的抑制，促进运动；间接通路的激活增加基底神经节的输出，抑制丘脑和运动。在健康人中这两条通路的活动处于平衡状态，而黑质中DA可以通过直接与间接通路促进运动。在PD患者中，多巴胺神经元的丢失导致纹状体水平上两条通路的不平衡，间接通路过度激活，STN兴奋性增加，导致GPi对丘脑的抑制作用增加，同时直接通路活动减弱，进一步抑制了丘脑和皮层的活动，表现出运动减少等症状。另外，小脑回路的改变以及小脑和基底节之间的相互作用在PD的病理机制中也很重要，尤其是在PD震颤病理中，PD震颤似乎与丘脑的小脑接收区-腹侧中间核（ventrointermedial nucleus of the thalamus，Vim）的异常振荡活动密切相关［8］。基于以上神经机制诞生消融手术，其目的是损毁脑内异常兴奋神经核团，从而控制PD运动症状。目前MRgFUS治疗PD靶点主要有Vim、GPi、苍白球丘脑束（pallidothalamic tract，PTT）和STN。电生理实验表明，Vim接收外周神经投射，Vim核团消融可持久缓解震颤［15-16］。GPi消融术可阻断GPi对于丘脑的过度抑制，用于治疗僵直、运动迟缓，对异动症和运动波动具有明显改善作用［12］。Vim和GPi核团靠近内囊和视束，患者可因毁损面积过大而影响内囊或视束功能，毁损面积过小而导致症状复发［17］。PTT消融相当于一种优化的苍白球消融术，在有限的组织消融情况下，将丘脑皮质动力从苍白球过度抑制中释放出来，降低术中视束和内囊损伤风险，同时保持丘脑的完整［17-18］，PTT消融治疗效果与GPi消融相似，可减少症状复发［12］。STN消融术机制是减小GPi的过度兴奋，减弱GPi对丘脑和皮层的抑制，STN消融用于缓解PD核心运动症状，减少药物用量［12，19］。不同靶点的治疗情况如表1所示。

1.2 丘脑腹中间核消融术

2016年MRgFUS批准Vim消融手术用于治疗特发性震颤［20］。Bond等［21］的一项双中心双盲实验表明，Vim消融手术同样适用于以震颤为主的PD患者。该研究队列招募27名患者，分为假治疗组（n= 7）和超声治疗组（n= 20）组，术后3个月随访，假治疗组中位数震颤临床评定量表（Clinical Rating Scale for Tremor，CRST）的评分下降22%，平均统一帕金森病评定量表（Unified Parkinson Disease Rating Scale，UPDRS）运动部分（UPDRS III）评分下降4%；治疗组CRST下降62%，UPDRS III评分下降34.7%。2018年，Zaaroor等［22］发表了一项关于MRgFUS单侧Vim消融手术治疗PD和特发性震颤的文章，研究纳入9名震颤为主的PD患者。术后6个月随访，UPDRS III的平均分数从24.9下降到13.4，PD患者的生活质量问卷（PD questionnaire，PDQ-39）平均得分从38.6下降至20.6。2018年，美国FDA批准MRgFUS丘脑消融手术用于治疗震颤为主的PD患者［10］。

1.3 苍白球消融术

自从1992年Laitinen团队确立了损毁苍白球腹后部的有益效果以来，苍白球消融手术已经被应用于治疗PD和左旋多巴诱发运动障碍的主要运动症状的有效方法［23-24］。Jung等［23］报道了第一项MRgFUS 单侧GPi消融手术的研究，8名PD患者成功接受治疗。术后随访6个月和12个月时，药物关期MDS-UPDRS III评分分别改善32.2%和39.1%，统一运动障碍评定量表（Unified Dyskinesia Rating Scale，UDysRS）分 别 改 善52.7%和42.7%。2021年发表的一项MRgFUS 单侧GPi消融手术，纳入20名患者，随后3个月随访，UDysRS改善了59%，药物关期运动障碍学会版联合帕金森病评定量表（Movement Disorder Society version of the United Parkinson’s Disease Rating Scale，MDS-UPDRS）第三部分（MDS-UPDRS III）改善了44.5%，除1名患者外，术后1年随访，患者运动症状和生活质量展现出了持续的改善［25］。

1.4 苍白球丘脑束消融术

Magara等［26］报道了第一项MRgFUS消融PTT的前瞻性研究，纳入13名慢性和难治性PD患者。其中4名患者接受1次超声脉冲治疗，术后3个月随访，UPDRS得分下降7.6%，平均整体症状缓解自评（patient estimation of global symptom relief，GSR）下降 22.5%，MRI T2w未显示热损伤迹象。其他9名患者进行了重复4~5次的超声治疗，3个月时，患者的平均UPDRS降低了60.9%，GSR降低了56.7%，T2w图像上可见病灶。随后该课题组对手术方案进行优化，于2017~2018年间进行了一项前瞻性单中心研究［18］，招募51例PD患者，术后中位数随访时间为12个月。治疗后平均总UPDRS 评分在3个月时降低38%，1年后与术前药物开期相比降低46%，与术前药物关期相比降低51%，震颤、强直、远端运动迟缓分别平均减少84%、70%、73%，认知功能无明显变化，平均左旋多巴摄入量减少了55%，轴向项目（语音、躯干和步态）没有显着改善，认知功能无明显变化，疼痛、肌张力障碍、快速眼动、睡眠障碍等减少。在绝大多数晚期和难治性病例中，PD是一种双侧疾病。Gallay等［27］开展了一项双侧MRgFUS PTT治疗的研究，纳入10例PD患者。术后1年随访显示，术后药物关期与术前药物开期相比UPDRS总分平均降低52%，震颤、远端僵直、远端运动迟缓分别降低91%、67%、54%，多巴胺用药量减少，步态和平衡功能无明显改变，客观评分言语困难恶化了58%，运动障碍抑制以及疼痛、肌张力障碍、快速眼动睡眠障碍的减少。长期以来人们存在对双边消融手术的警示态度［28］，在这项研究展中患者治疗后双侧症状得到缓解，因为研究的样本量小，目前还无法判断双边消融手术否适合广泛开展，不过本研究也为后面的临床研究提供重要参考。

1.5 丘脑底核消融术

STN是DBS治疗PD主要运动特征的首选靶点，STN是否可以作为MRgFUS消融的靶点？Martínez-Fernández 等［11］进行了MRgFUS单侧STN消融手术的前瞻性研究，课题组于2016年间招募10名药物治疗不明显的不对称PD患者，术后6个月随访，治疗侧MDS-UPDRS III平均评分药物关期改善了53%，药物开期改善了47%。除1名患者外，左旋多巴胺用量减少了。术后12个月评估中，所有患者的PD运动特征都表现出持续的改善。最近有一项MRgFUS单侧STN消融手术的随机对照研究，入队40名PD患者［29］。术后4个月随访，治疗组和假治疗组MDS-UPDRS III评分分别从基线时的19.9下降到9.9和18.7下降至17.1，展现出明显的差异，由此可见STN可以作为MRgFUS消融治疗PD的备选靶点。

如上所述，MRgFUS消融手术治疗PD已经成为临床上的重要选择之一，其优势是可以根据患者头骨厚度、形状和颅骨密度比，个性化进行相位校正，实现精准治疗［20］。术中也可对目标区域进行1 mm以内微调，这在射频消融或者DBS治疗中难以实现［20］。但也存在不良反应，包括步态共济失调［11，21-22，29］、感觉异常［18］、运动无力［22-23，29］、运动 障 碍［11，23，29］、言 语 障 碍［18，25，27，29］、面 部 异常［11，21，25，29］、视野缺损［25］、精神问题［11，25］、头痛［11，23，25，29］、头晕［22，29］、恶心［22，25］等，大部分不良反应症状较轻，在3个月之内逐渐消失，也有少数一些不良反应持续存在［23，25，27］，还有少数病例运动症状没有改善或者复发［21-22］。这些临床疗效和不良反应也与医生经验和定位精确度直接相关。另外MRgFUS消融手术主要用于单侧核团损伤，双侧手术风险较大，未来还需要大量样本的深入研究去优化手术方案，探究新的手术策略，寻找精准的治疗靶点，提高治疗效果，减少副作用的发生。总体而言，MRgFUS作为一种新型的非侵入性治疗手段治疗效果理想，技术相对成熟，手术损伤小，见效快，在PD的治疗中展现出较好的应用前景，同时，也为晚期DBS禁忌型患者带来了希望。

Table 1 Summary of MRI guided focused ultrasound ablation in treatment of PD表1 MRgFUS消融手术治疗PD情况

2 MRgFUS开放BBB辅助给药治疗PD

MRgFUS的另一种有前景的应用是结合超声造影剂-微泡（microbubbles，MBs），实现BBB的短暂开放，靶向递送药物、基因、干细胞、抗体等达到治疗疾病的目的。BBB由内皮细胞通过各种紧密连接蛋白、星形胶质细胞和基底膜组成［30-31］。BBB保护脑组织免受外来毒素的侵害，同时也阻断许多治疗或诊断性药物大分子的输送［32］。当MBs通过血液循环到达超声靶点时，在超声波的作用下膨胀和收缩，从而导致内皮细胞紧密连接的短暂分离（1~24 h），允许药物/基因穿过BBB，进入脑实质［30，33-34］。MRgFUS联合MBs开放BBB所需的超声强度远低于热消融所需的强度，因此这种方法不会对颅骨产生明显的加热，也不会对脑组织造成显著损伤，目前这种疗法在神经退行性疾病、胶质母细胞瘤、肌萎缩性侧索硬化等脑部疾病治疗中均有应用［35］。

2.1 动物模型研究

超声开放BBB在PD动物模型中的应用主要是基因治疗，其中一种治疗策略是靶向α-syn的聚集。PD的主要病理特征之一是α-syn错误折叠形成路易病理学，路易病理学的传播与α-syn以类似于朊病毒的方式自我模板化有关，下调α-syn表达可能是延迟或阻断 PD扩散病理的可行方法［36］。Xhima等［36］结合MRgFUS技术和MBs，将携带靶向ɑ-syn基因的shRNA序列AAV9载体静脉注射到表达人ɑ-syn转基因小鼠中，用于阻止该蛋白质的表达。聚焦超声靶向治疗4个脑区（海马、黑质、嗅球和背侧运动核）。1个月后，靶区α-syn免疫反应降低，未检测到神经元毒性，也未检测到细胞死亡或者炎症诱导的胶质细胞活化。结果表明，MRgFUS介导的针对α-syn的shRNA递送可能是预防路易体形成的潜在治疗方案。

另一种基因治疗策略是靶向DA系统递送神经营养因子。神经营养因子，如胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）及其家族成员neurturin（NTN）和脑源性营 养 因 子 （brain-derived neurotrophic factor，BDNF），被认为具有神经保护和修复功能，对多巴胺神经元的发育和维持非常重要［37-38］。前期动物模型和临床研究已经表明［39-40］，神经营养因子疗法是有效的，但是由于BBB的存在，全身给药治疗效果不佳。Wang等［41］和Samiotaki等［42］等使用MRgFUS结合MBs治疗增强了静脉注射GDNF和NTN后向靶区的递送。Fan等［43］开发了一种新型阳离子微泡系统用作GDNF基因质粒载体，超声治疗后，增加了靶区GDNF表达。这是首次将BBB开放和药物释放应用于PD治疗的研究报告，成功修复了6-OHDA诱导PD大鼠黑质纹状体多巴胺通路的损伤，改善了大鼠的运动障碍。另一项研究中，研究人员使用高渗透的纳米颗粒作为载体，在MRgFUS作用下开放大鼠纹状体BBB，靶向增强GDNF表达。该研究中，12周内恢复了大鼠多巴胺水平和多巴胺能神经元密度，显著改善了运动障碍［38］。在Yue等［44］的研究中，PD大鼠静脉注射GDNF质粒，靶向纹状体的超声治疗增加了GDNF和核受体相关因子1的表达，改善了大鼠运动障碍。另外一种递送神经营养因子的方法是使用病毒载体，Karakatsani等［45］以腺相关病毒为载体，向MPTP诱导的亚急性PD小鼠模型纹状体和中脑传递GDNF，改善了黑质纹状体多巴胺能通路的损伤。Ji等［46］采用了一种新颖的治疗方式，MPTP小鼠接受鼻腔BDNF治疗，多次超声开放基底神经节BBB后，发现接受超声治疗的小鼠酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）染色免疫反应显著增强，行为学得到改善。以上研究表明聚焦超声介导的BBB开放可以与药物治疗方法相结合，无创地提高脑内药物递送的效率。

2.2 临床研究

以上针对动物模型的研究均取得了可喜的成果，MRgFUS开放BBB在人体实验方面也有一定探索。针对AD患者［47］和肌萎缩侧索硬化患者［48］MRgFUS开放BBB I期临床实验，初步证明了MRgFUS开放BBB的安全性和有效性。最近Gasca-Salas等［49］报道了一项MRgFUS治疗PD痴呆症（Parkinson’s disease dementia，PDD）的I期临床试验结果，研究招募了5名PDD患者，治疗靶点为右侧顶枕颞叶皮质。治疗后患者认知功能轻度改善，但淀粉样蛋白或氟脱氧葡萄糖正电子发射计算机断层扫描无明显改变，治疗过程中未见明显不良反应。该研究初步表明，MRgFUS开放BBB是一种安全、可逆、可行的治疗PDD的方法。

综上所述，MRgFUS开放BBB促进药物/基因的递送作为一种非侵入性、靶向性强的治疗手段，解决了目前药物大分子无法穿过BBB到达靶区的难题，在动物实验中展现出良好的治疗效果，在PD的治疗中前景广阔。然而该技术在临床应用前尚需解决若干问题。在BBB开放人体实验中，不同受试者所用超声能量和BBB开放体积存在差异［49］，研究中是否存在安慰剂效应，治疗中最优的BBB开放体积；未来联合药物治疗，人体血管、超声和药物动力学之间的相互作用关系［50］，仍然未知。值得高兴的是，来源于人的诱导多能干细胞体外BBB模型被证明能准确反映体内药物在人脑中的渗透性［51］。来源于PD患者的诱导多能干细胞体外BBB模型或许可以用于临床前研究，助力MRgFUS开放BBB治疗PD的转化进程。虽然多项研究表明，MRgFUS开放BBB是安全的，没有发现出血和脑水肿，但也有研究发现BBB开放引发无菌炎症，早期神经元和星形胶质细胞损伤，小胶质细胞和星形胶质细胞活化［52］。目前临床实验聚焦在验证BBB开放的安全性和可逆性的问题上，对于BBB开放联合药物治疗在PD中的研究报道未见报道。总之，MRgFUS介导BBB开放仍然是一门新兴的技术，未来还需要大量的动物实验和大规模的临床实验，来研究MRgFUS联合MBs开放BBB的深入机制，解决最优的超声治疗参数、微泡体积剂量以及给药剂量等关键性问题，最终将这项技术转化为临床应用，使更多患者受益。

3 低强度聚焦超声神经调控治疗PD

对于LIFUS的研究可追溯到1958年，Fry等［53］证实超声波调控猫外侧膝状体区域，可逆性地抑制了视觉诱发电位。随后，Tyler等［54］通过离体实验证明了LIFUS能够触发动作电位和突触传递，从而影响神经网络活动。他们采用 LIFUS（2.9 W/cm2，0.44 MHz、0.67 MHz）刺激小鼠海马切片CA1区，引起电压门控钠离子和钙离子通道活性的改变，诱发锥体细胞产生动作电位，观察到突触囊泡的增加，实验中未发现超声刺激引起神经元损伤。在体实验方面，Tufail等［55］发现LIFUS（21~163 mW/cm2，0.25~0.5 MHz）可以穿透小鼠颅骨到达靶区，调控小鼠运动皮层，引起M1区局部场电位（local field potentials，LFP）幅度增加，肌肉收缩；调控小鼠海马区引起同步活动的增加和BDNF表达升高，意味着LIFUS可促进大脑内源性可塑，超声调控没有引起神经元死亡。之后，许多研究课题组在体外和体内实验中证实LIFUS的神经保护作用和神经调控功能［56］。

3.1 LIFUS治疗参数

LIFUS的主要参数有超声换能器基频（fundamental frequency，FF）、脉 冲 重 复 频 率（pulse repetition frequency，PRF）、占空比（duty cycle，DC）、声脉冲群持续时间（sonication duration，SD）、刺激间隔时间（inter-stimulus interval，ISI）、脉冲持续时间（tone burst duration，TBD）、空间峰值脉冲平均强度（spatial peak-pulse average intensity，Isppa）或者空间峰值时间平均强度（spatial peak-temporal average intensity，Ispta）。DC是指脉冲持续时间占整个脉冲周期的比例，即TBD×PRF。各种参数代表的涵义见图1。不同超声参数产生的调控效果不同，有的表现为抑制性作用，有些表现为兴奋性作用，具体参数参见Wang等［57］的综述。大脑组织对温度非常敏感，研究表明温度升高4oC，5 min内将会造成不可逆的损伤［58］。FDA诊断性超声指南建议头部超声最大Ispta为94 mW/cm2，最 大Isppa为190 W/cm2，MI<1.9，以避免空化和加热［59］。因此为了确保LIFUS的安全性，在保证调控效果的前提下，应尽可能降低超声强度避免产生热效应和机械损伤。

Fig. 1 Ultrasound stimulation waveforms commenly used in LIFUS图1 常见LIFUS波形

3.2 LIFUS治疗PD进展

前期研究已经证明LIFUS对AD［60］、脑卒中［61］、癫痫［62］等啮齿类动物模型，具有神经保护作用。Zhao等［63］开展的一项体外研究表明，LIPUS可以抑制1-甲基-4-苯基吡啶（MPP+）诱导的神经毒性和线粒体功能障碍，展现出LIFUS治疗PD神经元变性的潜力。PD的典型特征是大脑黑质和纹状体区域DA产生和释放减少。Xu等［64］的一项研究证明，超声调控可以增加DA的释放。他们同时进行了体外（PC12细胞）和体内（MPTP诱导的PD小鼠模型）实验，发现经超声调控后细胞释放的DA增加，小鼠纹状体DA含量恢复到对照组81.07%水平（0.3 W/cm2，5 min/d，10 d）。同年，Zhou等［65］通过在体实验验证了LIFUS可以改善PD小鼠运动障碍和氧化应激水平。研究人员用神经毒素MPTP诱导急性PD小鼠模型，每天超声刺激运动皮层40 min，共7 d，改善了小鼠的行为学表现，增强了纹状体中总超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，T-SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）的活性，长期的超声刺激未发现神经元损伤，表明LIFUS具有临床应用价值。随后课题组采用3.8 MHz自制超声探头分别调控小鼠STN和GPi脑区，每天30 min，共7 d，改善了PD小鼠在旋转棒测试和杆测试中的行为学表现，上调Bcl-2/Bax比例，显著抑制了黑质多巴胺细胞凋亡［66］。在此基础上对MPTP诱导的PD小鼠模型进行更为深入的研究。在一项急性实验中［67］，超声调控STN脑区5 min，M1区LFP信号中beta波段的平均功率显着降低，beta和高gamma波段之间以及beta和ripple之间的相位幅度耦合强度明显变弱。在长期调控实验中，研究人员发现，从第4天起小鼠运动障碍得到逐渐改善［68］。随后Zhou等［69］验证STN-LIFUS早期调控可以减轻MPTP带来的神经损伤，这与早期STN-DBS较晚期STN-DBS对PD患者运动功能的改善结果刚好一致。在Sung等［70］的一项研究中，15 min/d，5 d/周，共6周的LIFUS干预，改善了6-OHDA诱导的PD大鼠模型的行为学表现，增加了黑质和纹状体神经营养因子的表达，抑制了神经炎症，显著增加了TH染色密度。Chen等［71］的研究进一步印证了超声调控可以抑制MPP+引起的线粒体功能障碍，改善小鼠的运动和平衡能力。最近的一项研究从影像学的角度说明了低强度超声能减轻6-OHDA对大鼠的神经毒性损伤。以上研究均未发现LIFUS带来的神经元和组织损伤，表明LIPUS是一种潜在的PD治疗方案［72］，动物实验的LIFUS调控参数及效果详见表2。

Table 2 Summary of neuromodulation research on PD pathological models by LIFUS表2 LIFUS 对PD病理模型的神经调控研究归纳

续表2

3.3 LIFUS治疗PD机制

LIFUS治疗PD的机制为调节目标脑区的神经活动和提供神经保护作用。黑质多巴胺神经元的丢失导致纹状体水平上直接通路和间接通路的不平衡，STN和GPi过度激活，对运动皮层的抑制性增加。LIFUS可能通过抑制STN［66-67］、GPi［66］的过度活动，改善运动皮层兴奋性［65］，逆转PD小鼠的运动障碍。LIPUS治疗PD的另外一种作用机制可能是通过改善细胞内氧化应激和线粒体功能障碍，提供神经保护作用，减少DA神经元死亡［64，71］。LIPUS的深层机制可能涉及离子通道动力学的变化，已有研究发现LIFUS调控作用依赖于TRPA1通道的开启［73］，超声刺激增加了TRAAK通道钾电导［74］，具体哪些离子通道在PD的治疗中起关键作用，未来仍需要大量的深入研究，为实施精准医疗奠定基础。

综上所述，LIFUS可以逆转PD动物模型运动障碍，提供神经保护作用，而且具有无创和靶向性强的优点，在PD的治疗方面前景可观。然而LIFUS的治疗参数没有统一定论，参数不同调控效果不同［57］。对于PD动物模型的治疗参数筛选，可以借鉴Wang等［67］的实验方案，逐个改变参数，以生物标志物作为评估治疗效果的标准。另外，可借助计算机建模，预测超声参数的有效性，提高实验效率。此外，超声治疗的远期效果也有待于进一步研究。未来在伦理允许的情况下，需要临床实验验证LIFUS的治疗效果。如果治疗方案可行，将造福更多PD患者。

4 声遗传学在PD治疗中的应用

声遗传学的概念于2015年由Chalasani提出，声遗传技术是指利用基因工程技术将机械敏感离子通道蛋白特异性的转入细胞，通过超声波非侵入性地打开离子通道，从而实现调控细胞功能的技术［75］。机械敏感通道蛋白可以感受超声波产生的机械力从而打开通道，使Na+、K+、Ca2+等离子通过，离子的流动即可调控相应的细胞活动。目前已经发现的机械敏感通道蛋白的种类很多，但只有少数被发现可用于声遗传，主要包括瞬时受体电位（transient receptor potential，TRP）离子通道、大电导机械敏感离子通道（mechanosensitive channel oflarge conductance，MscL）、Piezo离子通道、双孔钾通道家族（channels of the two-pore-domain potassium family，K2P）等［57，76］。

TRP通道几乎在所有真核生物中都有发现。Ibsen等［77］首次将超声波与遗传学结合，把TRP通道家族成员之一TRP-4异常表达于秀丽隐杆线虫。他们发现野生型线虫对低压超声波不敏感（峰值负压0.4~0.6 MPa，2.25 MHz），当在特定神经元中表达TRP-4机械敏感离子通道时，神经元对超声波刺激敏感，在超声波和MBs作用下可特异性激活神经元，从而改变线虫的行为。这项研究为通过超声实现高空间分辨率靶向单个细胞的应用奠定基础。

MscL离子通道是细菌上的一种机械敏感通道。在Ye等［78］的一项研究中，他们在原代培养的大鼠海马神经元中成功地表达MscL，并证明在施加低压超声脉冲时可激活神经元。为了增加神经元的机械敏感性，他们制作MscL变体I92L，I92L MscL在峰值负压0.25 MPa（29.92 MHz）的作用下可以触发神经元动作电位，此外，I92L 突变体可精确地响应超声脉冲序列，具有毫秒的时间精度和高达5 Hz的保真度，这项工作拓展了声遗传学的基础，表明基于MscL的工具可用于神经元活动的无创超声调控。

Piezo离子通道包括Piezo1和Piezo2，是在哺乳动物细胞中鉴定出的机械敏感通道，当感受到机械刺激时，离子通道打开，允许阳离子流入细胞。Qiu等［79］将Piezo1通道表达在小鼠原代皮层神经元中，低强度超声（FF=500 kHz，PRF=1 kHz，DC=40%，SD=0.2 s，0.3 MPa）在没有MBs介导的情况下可激活神经元，并观察到Piezo1通道依赖的Ca2+电流。这项研究为在体内应用Piezo1通道进行神经调控奠定基础，进一步推动了声遗传学的发展。

K2P通道在稳定静息膜电位，调节中枢和外周躯体神经系统细胞兴奋性方面起着关键作用，在所有K2P家族中，TREK1、TREK2和TRAAK被认为具有极弱的电压依赖性和开放概率［80］。Kubanek等［81］在非洲爪蟾卵母细胞中表达TREK1、TREK2、TRAAK三种离子通道，当超声（10 MHz，0.3~4.9 W/cm2）刺激时，细胞离子电流最大可变化23%，当添加K2P家族离子通道阻断剂BaCl2时，超声引起的电流变化消失。Sorum等［74］通过电生理实验进一步证明超声（5 MHz，0.2~1.2 W/cm2）作用到TRAAK通道可以引起与机械压力刺激相似的激活，研究人员还发现在神经元中表达TRAAK通道，超声刺激（5 MHz，3.6 W/cm2）引起了明显的电流变化。这些结果表明机械敏感通道是对超声波生理反应的基础，可以作为基因靶向细胞的声学神经调节工具。

已有研究表明，利用工程化听觉感应蛋白mPrestin（N7T，N308S）进行基因修饰能够增强靶细胞对于超声的敏感性［82］。随后，Fan等［83］在PD小鼠黑质多巴胺能神经元中表达mPrestin，使用超声（0.5 MHz，68 mW/cm2）重复刺激该脑区，研究发现与未治疗组相比，超声治疗改善了多巴胺能神经元的退行性变化（TH和DOPA的表达增加7倍），减轻PD症状（旷场实验中总运动距离增加为PD组的3.5倍），而且治疗效果优于单独使用超声治疗组。mPrestin可在小鼠神经元中持续表达至少56 d，为超声治疗提供了较长的窗口期，这项在体实验表明声遗传学策略在治疗PD方面具有临床应用潜力。

声遗传学是一种基于聚焦超声发展起来的新技术，在时空分辨率、细胞类型方面均具有可控性［84］。然而，临床前研究中，为了保证空间准确性，仍然是通过立体定向注射的方式向目标靶区注射病毒载体基因，临床转化性差。未来或许可以通过MRgFUS打开BBB等无创方式，将目标基因输送到特定类型的神经元。声遗传技术处于起步阶段，在体动物实验有限，尤其在PD的治疗方面，仅检索到一项研究报告。动物实验中筛选出的机械敏感蛋白，是否能在人体表达，以及由此带来的安全性问题有待于验证。总之，声遗传技术为应用非侵入性方法调控靶细胞治疗PD提供了新的策略，前景可观。尽管现有研究还不完善，但是随着广大科技工作者的努力攻关，也许在不久的将来声遗传学可以真正意义上应用于临床，比如取代DBS的功能治疗PD。

5 总结与展望

本文较为全面地总结了MRgFUS消融技术、MRgFUS开放BBB给药技术、LIFUS技术和声遗传技术的概念、作用机制及其在PD治疗中的应用。由文献可见，经颅超声技术在PD治疗中具有很大的应用价值。

临床实验中，靶向Vim、STN、GPi、PTT的MRgFUS消融手术均可显著改善患者的运动障碍，手术后不良反应大部分是短暂的。目前普遍认为Vim用于治疗震颤为主的PD患者，而靶向GPi、STN、PTT对缓解PD患者核心运动症状、减少药物用量更为有效［12］。但目前纳入研究的样本量比较小，手术后不同患者的改善程度存在差别，在长期随访之中，也有复发的情况发生，对于手术的广泛推广还为时尚早。未来还需要大量样本的深入研究来优化手术方案，精准定位治疗靶点，稳定治疗效果，减少副作用的发生。相比于消融手术，MRgFUS开放BBB更具可逆性。使用聚焦超声以局部和暂时的方式开放BBB，促进神经营养因子、抗炎药或抗体等进入病变部位，可能是治疗PD的一种较为有前景的选择。动物实验表明，开放BBB增强了GDNF的表达，逆转了大鼠DA水平，显著改善了运动障碍［38］。人体实验中开放BBB改善了PDD患者的认知功能［49］。尽管动物实验显示BBB开放递送药物是安全的，目前缺乏临床数据支撑。MRgFUS开放BBB是一门新兴技术，未来仍然需要大量的动物实验和临床实验，来研究超声开放BBB开放的深入机制，确定超声治疗参数、微泡大小和剂量、给药剂量等关键问题，最终将这项技术转化为临床应用，使更多患者受益。

目前的非侵入式神经调控技术如经颅磁刺激、经颅直流电刺激也可用于治疗神经系统疾病，但是受到空间分辨率的限制，无法刺激深部脑组织。相比较而言，聚焦超声具有穿透能力强，空间分辨率高的特点。在PD小鼠的实验中，超声刺激STN，引起M1区LFP beta波段的功率降低，beta和高gamma波段之间以及beta和ripple之间的相位幅度耦合强度变弱，达到DBS类似的治疗效果［67］。另外超声刺激促进了GDNF的表达，具有神经修复功能［70］。以上动物实验表明，LIFUS具有巨大的发展潜力。然而LIFUS距离临床应用还有很长的路要走，目前动物实验中的调控参数各不相同，有些参数表现为兴奋性，有些表现为抑制性。未来研究还应更多关注于优化刺激参数、调控机制、安全性、治疗效果的持续性，这些LIFUS技术临床应用前需要解决的关键问题。尽管声遗传学是近几年新兴起的研究领域，但目前取得的成绩令人兴奋。未来还需要大量工作筛选在人体可以安全表达、超声敏感的离子通道或其变体。目前离子通道蛋白基因通过病毒载体在线虫、小鼠等动物中表达，这种方式用于人脑，是否会产生不良反应还未知。总之，经颅超声技术在PD的治疗中展现出了巨大的潜力，未来需要神经科学、工程技术、超声等多学科研究人员的共同努力，将多项技术真正意义上转化为临床应用。