超声分子影像学——恶性肿瘤诊断及治疗的新途径

王一凡 综述 徐栋审校

·综述·

超声分子影像学
——恶性肿瘤诊断及治疗的新途径

王一凡 综述 徐栋★审校

目的恶性肿瘤严重威胁人类的健康。超声分子影像学的出现，可以从一个全新的角度为恶性肿瘤的诊断与治疗提供更多的可能。新型造影剂的出现，在肿瘤早期诊断和治疗方面有其独特的优势，为肿瘤的诊断和治疗提供了新的思路和手段。本文就超声分子影像学在恶性肿瘤诊疗中的进展进行综述。

超声分子影像学；恶性肿瘤；超声造影剂

近年来，随着以基因、细胞学及纳米技术为基础的分子影像学迅速发展，颠覆了传统影像学通过解剖结构的变异来诊断疾病的模式，迅速成为临床应用研究的新热点。分子影像学的种类较多，但相对于核素成像、MRI和光学成像等分子影像学技术，超声分子影像学［1］除了具有经济、便捷、实时显像等传统优点外，用于超声分子成像的造影剂还可作为治疗药物或基因的载体，通过与靶器官的紧密结合，兼具分子显影和靶向治疗的双重功效，从而达到事半功倍的功效。本文对超声分子影像学研究背景、研究现状及在恶性肿瘤疾病诊断及治疗中的应用进行综述。

1 超声分子影像学的发展历程

超声分子成像技术的关键是作为分子探针的超声微泡造影剂。超声微泡造影剂自Gramiak等首次应用于临床以来，先后经历了以含有气泡的液体为代表的一代无壳型造影剂、以包裹空气的人血清清蛋白微泡为代表的二代造影剂及内部包含高密度惰性气体为代表的三代造影剂。现阶段广泛应用于临床的第三代超声造影剂微泡的平均直径约2～4 μm，可以自由通过肺循环，但不能穿过血管内皮间隙，只能停留于血管内产生血池显影［2］（blood pool agents），限制了其对血管外病变的探测能力。近年来，随着分子、基因等生物学技术的不断发展，具备靶向诊断及靶向载药的第四代纳米级超声微泡造影剂不断被研制出来，包括纳米级脂质体造影剂、纳米级液态氟烷乳剂及纳米级微泡造影剂［3］。以上这些第四代超声微泡造影剂的不断出现，为超声分子影像学的发展奠定了坚实的基础。

现阶段的超声造影不再仅仅局限于获取组织内部的血流灌注信息，进而应用于特异性的超声分子成像技术。超声分子成像技术是将特异性配体连接到直径小于红细胞的超声微泡造影剂表面，经静脉注入，在体内通过配体与受体紧密结合的方式，使微泡造影剂可以准确并较长时间的停留在靶组织，在体外观察活体靶组织内部分子水平的生物学变化，进行特异性的超声分子成像［4］。超声分子成像技术采用活体模拟的免疫组化或原位杂交技术，通过靶向作用于生物分子来突出显示病变组织的病理变化，从而反映真正的发病机制，大幅度提高影像诊断的敏感性和准确性，是目前临床研究的热点［5，6］。纳米脂质微泡造影剂具备形态佳、显影效果好的优点，但其载药能力较低，在体内的疗效仍有待提高。而高分子材料微泡造影剂较脂质微泡更稳定，且具有不易被吞噬细胞吞噬、可以在体内缓释等优点，可以在肿瘤疾病的诊治中发挥更大的作用。有文献［7］报道，新型的纳米级微泡造影剂在动物实验中取得较好的效果。

2 超声分子影像学在恶性肿瘤诊断及治疗中的研究进展

2．1肿瘤的诊断

自1986年，Matsuda等利用超声微泡诊断肝脏肿瘤开始，造影剂的种类不断发展，尤其是近年来纳米级的靶向超声微泡造影剂的出现，使肿瘤疾病的超声诊断也达到了分子水平。现阶段临床广泛应用的微米级超声造影剂，可以区别正常组织与病变组织不同的血流灌注情况。但由于微泡对于病变组织没有亲和力，只能短暂的在动脉相中使靶器官血管显影，仅凭时相的变化仍无法准确判断病变的性质，属非特异性显影［8］。众所周知，肿瘤的生长和转移需依靠大量的新生血管来提供充足的氧和营养物质，而新生血管中含有大量的生长因子受体和黏附因子受体，如血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）、整合素αvβ3、P-selectin及血管细胞黏附分子1（VCAM-1）等，这些受体在正常组织中表达高度保守。这些生长因子受体和黏附因子受体均可作为靶向微泡的结合位点。有研究表明［9，10］，通过静脉注射表面偶联单克隆抗体或抑血小板凝集素（echistatin）分子的脂质体超声微泡，可与新生血管内皮上的整合素αvβ3进行靶向结合。因此认为当肿瘤内有新生血管生成时，在靶区会存留较多的超声造影剂，超声造影信号强度就会明显增加。Kim［11］等利用含有墨水的PLGA高分子微泡，对深度小于18mm的乳腺癌进行显像，可同时获得增强光学和超声显影。

由于部分超声造影剂体积过大，只能结合在新生血管内的靶点上，无法穿过血管内皮细胞，限制了对血管外肿瘤的诊治。随着纳米技术的发展，已有学者［12］研制出可顺利穿过肿瘤血管内皮间隙的纳米级微泡，使超声分子影像学在肿瘤诊断及治疗方面的应用更加深入。

2．2肿瘤的治疗

已有文献证实［13］，单纯微泡在超声引导下发生爆破，可以产生强大的生物学效应，达到抑制肿瘤生长的目的。其发生机制可能是微泡破坏时所产生的能量降低了肿瘤VEGF的合成与分泌，破坏和抑制肿瘤血管再生，杀伤肿瘤细胞，诱导肿瘤细胞的凋亡。国内有学者［14］进行这方面的研究，证实超声辐照微泡对种植瘤进行治疗，瘤体体积缩小，VEGF蛋白表达减低。同时，石林等［15］研究证实，低频超声辐照微泡剂可抑制小鼠肝癌移植瘤的肿瘤增长，并增加局部氧自由基代谢产物SOD的浓度，且肿瘤增长率与SOD浓度呈负相关。Caruso等则证实，用较高机械指数的超声辐照微泡进行治疗，电镜下则发现肿瘤新生毛细血管的超微结构出现明显的破坏，线粒体肿胀，胞质空化等改变，达到肿瘤细胞凋亡的目的。

随着人类基因组计划的完成和分子生物学技术不断的提高，从细胞受体和增殖调控的分子水平对肿瘤发病机制的认识不断加深，人们开始关注以细胞受体、关键基因和调控分子作为靶点的靶向治疗。同时寻找一个安全、高效、具有组织特异性和靶向性的载体，一直是业界关注的焦点。纳米级超声微泡及超声微泡连接技术的出现，为肿瘤的基因和药物治疗提供了一种理想且高效的载体与传递途径。其原理是：将药物或治疗性基因与超声微泡偶联，利用超声监测的同时在特定的时间、空间击碎靶组织内的微泡，产生的空化效应，可使靶区周围微血管通透性增加。在声孔效应的作用下，细胞膜上出现可逆性小孔，便于携带基因或药物的微泡穿过内皮屏障，进入肿瘤组织和细胞内。此方法既可以有效的提高靶组织中的药物浓度，又能减少常规用药出现的不良反应。有学者［16］研制了新的载药脂质体——靶向去唾液酸糖蛋白受体（asialoglycoprotein receptor，ASGPR）的载药体，并作用于体外肝癌细胞，分析其毒性作用。经研究证实，ASGPR的载药脂质体对肝癌细胞的毒性杀伤作用明显高于其他非靶向治疗组。Cochran等［17］研究表明，通过注射携紫杉醇微泡的方法可以有效的避免由于直接注射紫杉醇而出现急性中毒反应，明显降低了紫杉醇的毒副作用，对肿瘤的抑制方面，可以发挥更大的作用。

主动性靶向是指造影剂微泡通过特异性抗体或靶向性配体介导的位置与靶组织特异性积聚，与细胞表面的抗原决定簇或受体进行特异性结合，进一步发挥治疗作用。国内学者［18］研究报道，整合素αvβ3靶向的纳米粒子基因载体能特异性地作用于小鼠肿瘤的血管内皮细胞，可以起到使肿瘤消退的作用。Rapoport［19］等研制的变相型多功能纳米粒子，以纳米级微球的形式携带抗癌药物，在穿过血管内皮达到肿瘤组织后，使内部的全氟戊烷气化转变为载药微泡，在超声辐照下可以更加有效地杀伤肿瘤细胞。叶酸受体在肿瘤的众多受体中，表面表达程度最高，肿瘤细胞摄取叶酸的能力也非常强，而在正常组织中，叶酸受体的表达几乎不能被探及。在此基础上，研制出偶联叶酸的靶向超声微泡造影剂，在体外实验中，该造影剂对高表达叶酸受体的卵巢癌SKOV3细胞具有很强的特异性亲和力，为载紫杉醇微泡靶向治疗卵巢癌提供了一种新的方法。

利用亲合素与生物素之间具有的高度亲合力，在生理条件下两者即可发生快速而稳定结合的特点。研制了“三明治”样的配体-亲合素-造影剂结构。这种通过亲合素-生物素方法制备的造影剂可有效的避免血管网状内皮系统对造影剂的快速清除作用。而且，亲合素上有4个独立的生物素结合点，可以结合更多的微泡，从而使信号放大，提高超声检测造影剂的敏感性。利用生物素-亲和素系统制备的靶向纳米脂质超声造影剂，通过体外实验，现已证实该造影剂微泡可与乳腺癌细胞特异性结合。Eisenbrey［20］等研制的可以携带阿霉素的聚合物造影剂，在受到超声辐照后直径可缩小至纳米级别，可以通过细胞内皮间隙，高效的作用于靶组织，达到提高疗效的目的。

3 问题与展望

超声分子影像学的出现，为恶性肿瘤患者的早期诊断和特异性治疗提供了前提条件，也取得了一定的研究成果。但随着研究的不断深入，仍存在一些问题。主要的共性问题有：①超声微泡造影剂携带药物或基因的能力有待提高，合成的超声微泡由于分子量较大，组织穿透力相对减弱，静注后实际到达靶组织的药物或基因浓度较低，疗效及显像效果欠佳，限制了靶向造影剂的临床应用［21］。②纳米级超声造影剂由于直径小，背向散射能力较弱。国外已有相关方面研究表明［22］，通过改变成膜材料、更改成膜材料之间的相互比例或所包裹物质来提高造影剂的回声强度是可行的。③明确造影剂的注射剂量，及超声波的频率、机械指数、辐照的强度及时间之间的相互关系，是提高靶向治疗准确性关键问题。

随着分子生物学的进一步发展，与物理、化学、材料学（纳米技术等）的相互融合，新型造影剂制备材料及方法的不断完善，超声分子影像学在恶性肿瘤的诊断和治疗中将会发挥更大的作用。

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Ultrasonic molecular imaging——a new way for diagnosis and treatment of malignant tumor

WANG Yifan，XU Dong★
（Department of Ultrasound，Zhejiang Cancer Hospital，Hangzhou，Zhejiang，China，310022）

Malignant tumor is a serious threat to human health．The development of ultrasonic molecular imaging technology provides the possibility for diagnosis and treatment of malignant tumor from more perspectives．The invention of a variety of new ultrasound contrast agents，has its unique advantage in the early diagnosis and treatment of tumors and also provides new ideas and means for early diagnosis and treatment of tumors．The background and status of ultrasonic molecular imaging and its progress in diagnosis and treatment of tumor were described in this article．

Ultrasonic molecular imaging；Malignanttumor；Ultrasound contrast agents

浙江省肿瘤医院超声科，浙江，杭州310022

★通讯作者：徐栋，E-mail：xudong＠zjcc．org．cn