聚焦超声在脑部疾病的应用进展

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(昆明医科大学第三附属医院 云南省肿瘤医院放射科，云南 昆明 650106)

脑部疾病起源复杂多样，临床治疗困难，原因之一在于血脑屏障(blood brain barrier, BBB)可阻碍多数治疗药物进入脑组织。BBB主要由脑部毛细血管内皮细胞、基底膜、星形胶质细胞的血管周足等构成。正常情况下BBB仅允许分子量<400Da、高脂溶性、无毒性、带正电的物质通过，而对多数有毒的大分子物质加以阻挡，以维持神经细胞赖以生存的内环境稳定。但治疗脑部疾病的药物多为低脂溶性、带负电的大分子物质，跨越BBB较困难。借助静脉内注射超声微泡造影剂，聚焦超声(focused ultrasound, FUS)可在较低频率下实现无创、瞬时、可重复性地开放BBB，同时还能避免高频超声对周围组织造成的损伤[1]。本文就FUS应用于脑部疾病的研究进展进行综述。

1 FUS开放BBB的原理

1.1 开放机制及条件 FUS联合超声造影微泡开放BBB的机制包括空化效应及惯性空化等[2-3]。空化效应主要指通过微泡气化后与血管壁发生共振，破坏细胞间的紧密连接。惯性空化是指FUS波束使微泡半径扩大而引起微泡破裂，破裂产生剧烈的冲击波和高速射流，进一步加剧损伤部位的破裂程度。空化过程可暂时破坏细胞膜的通透性或引发细胞坏死，最终导致BBB开放。此外，部分研究者[3-5]提出FUS开放BBB的机制还包括诱导胞吞作用增强及声孔效应等。

辅助低频FUS实现BBB无创开放的超声造影剂通常被脂质或白蛋白包裹，形成直径为1～5 μm的气体微泡；微泡大小不同，BBB开放的持续时间也不同，最长可达4～6 h。蒋文军等[6-7]报道，在低频FUS联合超声微泡开放小鼠BBB的实验研究中，瞬时、局部、可逆开放BBB的超声参数为频率1 MHz、脉冲长度10 ms、重复频率1 Hz，微泡剂量为0.5 ml(平均半径2.5 μm、浓度1×109/ml)。

1.2 FUS开放BBB时大脑微环境的变化 Sheikov等[8]将超声微泡注入实验兔，并采用低能量(0.55 W)FUS辐照兔脑，MRI显示脑内局部血流灌注及组织强化程度增加；电子显微镜下可见毛细血管内皮细胞中囊泡和空泡数目增多，内皮细胞胞质形成通道，细胞间部分紧密连接被破坏；电镜下观察到IgG免疫荧光信号在囊泡、细胞质通道、血管周围的神经纤维中出现较多，而在细胞间隙内出现较少，证实FUS和微泡联合作用未对兔脑血管内皮细胞紧密连接造成结构性损伤。但采用高能量(3.00 W)的FUS辐照后，脑血管内皮细胞破坏及内皮细胞周围出现IgG渗漏[8]。

2 FUS的神经调控作用

FUS除可开放BBB、引起大脑局部微环境变化外，还能诱导神经调控作用。如在低能量FUS刺激大鼠脑神经的实验中，将频率为350 kHz和650 kHz的FUS脉冲波分别施加到位于颅底的外展神经，当频率为350 kHz时可观察到该外展神经同侧眼球运动，并通过组织学实验验证了BBB并无破坏，周围结构和邻近脑组织也未受到损伤。Kim等[9]认为FUS通过诱导机械应力引发神经调节。大量实验[1,9-11]表明，FUS在治疗脑部疾病过程中对靶点周围组织并无损伤，可作为一种新型的功能性神经调节方法；其作为具有神经调控功能的非药物、非手术方法已被应用于脑部疾病，尤其是中枢神经系统疾病的评估和治疗[10-11]。Chu等[11]在对癫痫的实验研究中发现FUS可通过降低大鼠脑脊液中γ-氨基丁酸水平而抑制癫痫活动，并提高诱发运动行为和触觉活动能力。

3 FUS治疗脑部疾病

美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)已批准FUS用于治疗多种非神经外科疾病，如子宫肌瘤、子宫腺肌病及骨转移瘤等，但目前尚无可用于神经系统疾病、与临床结合较好的FUS设备获得FDA批准。在欧洲，FUS已被许可用于治疗特发性震颤(essential tremor, ET)及以震颤为主要症状的帕金森病和神经性疼痛，但其治疗脑肿瘤、损伤性癫痫和其他疾病等尚未得到批准[2]。

3.1 ET 1999年经FAD批准的丘脑腹侧中核深部脑刺激疗法是目前治疗ET的标准方法，疗效好，安全性高，但对植入脑内的硬件质量要求高、需长期编程和更换电池，且为有创疗法，相关操作可能引起颅内出血、感染等并发症，适用人群有限。FDA于2016年7月批准使用FUS消融治疗ET。Fishman等[12]给予ET患者FUS消融治疗，结果显示患者的震颤程度以及震颤引起的致残率均降低，故认为FUS治疗ET最大的优势在于无创性，尤其对于不适合进行传统手术的患者，经颅FUS可以取得较好的治疗效果。尽管FUS治疗ET、帕金森病和肌张力障碍效果明显，但其安全性和有效性仍需临床验证。MR引导下FUS(MR-guided focused ultrasound, MRgFUS)可将超声作用的范围精确在脑内不同深度、特定的数毫米区域内，使FUS技术的安全性得到显著提高。

3.2 脑肿瘤

3.2.1 消融治疗 目前临床已尝试使用高频FUS消融治疗乳腺、肝脏和前列腺等部位的恶性肿瘤[3,13-14]，其作用机制是超声波束在靶区聚焦后由机械能转化为热能，使靶组织发生蛋白质变性、凝固性坏死并最终完全消融。FUS的治疗靶区通常较小，一般为病灶及其周围2 mm范围内，对较大区域可采用多个平行的超声靶点进行消融。

在对大鼠颅底结构的消融研究[15]中，静脉注射微泡后使用频率为525 kHz的FUS对颅底靶区进行 5 min低强度超声消融，通过分析组织学变化和测量视觉诱发电位(visual evoked potential, VEP)发现灰质靶区产生了明确的消融后改变，而视交叉及其周围结构损伤较小甚至无损伤；4周后复查结果显示VEP未发生显著变化，且视神经、视网膜亦未出现延迟性组织学改变。

3.2.2 基因及免疫治疗 目前对脑肿瘤采用基因治疗中所获得的转基因表达较差，主要原因在于BBB的屏障作用及传统颅内注射导致的神经损伤。Chang等[16]尝试使用超声介导基因治疗脑肿瘤，血管生成靶向微泡联合超声介导基因治疗脑肿瘤的体外实验显示，微泡对肿瘤细胞有较高的DNA传递效率和亲和力；体内实验提示微泡可促进癌细胞基因传递而不影响周围正常脑组织。FUS联合微泡可显著提高基因传递速率，有效抑制肿瘤生长，延长患者生存时间，为治疗脑肿瘤提供了新方法。

近年来免疫疗法发展迅速，已逐渐成为治疗肿瘤的主要方法之一[17-18]。多形性胶质母细胞瘤(glioblastoma, GBM)患者具有抗肿瘤免疫应答缺陷，免疫系统的局部细胞免疫和全身性体液免疫循环通路均受阻。由于BBB的屏障作用，以及GBM患者免疫原性差、特征性癌胚抗原少等原因，目前GBM的免疫治疗还处于探索阶段，高频FUS可促进和扩大免疫抗肿瘤反应，可能为GBM免疫治疗提供新的免疫循环通路，延长患者生存期。

4 MRI对FUS治疗过程的监测和评估

FUS治疗可引起靶点位置组织温度升高。MRI对温度变化敏感，可连续动态监测FUS治疗过程中靶点组织温度的变化，精确测量病灶大小并定位，分辨率高，成像清晰。MRgFUS技术将热消融与MRI相结合，可实现对病灶的精确定位，并实时监测温度和实时反馈能量沉积，实现靶向、局部、微创和实时对目标区域给药[19-20]。但MRgFUS治疗脑部疾病可能引起一系列并发症，如红细胞外渗、炎症、出血和局部组织缺血损伤等[20-21]。

MRI可通过T2加权序列识别由FUS引起的颅内出血，但其时间分辨率较低。Yang等[22]提出采用高频破坏/再灌注对比增强显像技术监测FUS治疗过程，具有更高的时间和空间分辨率，并可实时观察FUS治疗过程中大脑灌注或损伤出血情况。由于血流速度降低的位置与BBB破裂的面积一致，而血流量变化取决于所施加的声压大小，因此监测血流速度的变化可能用于评估FUS诱导BBB开放程度和脑出血情况。由于FUS瞬时开放的靶点BBB范围较小，MR常规序列平扫很难观察到FUS对BBB开放的影响。Downs等[23]报道，FUS处理后首先获取一组轴向MR T1WI作为基像，随后经静脉注射钆离子对比剂行增强扫描，可观察到FUS作用靶点位置有异常强化，由此可评估BBB开放情况，但目前研究[23-24]对MR动态增强扫描方案以及数据分析方法等不尽相同，且相关报道较少，有待进一步观察。

5 问题与展望

虽然FUS被认为是一种无创性方法，但用于治疗脑部疾病时，亦可能对周围组织造成一定程度的损伤，如FUS可能导致治疗区域内血管收缩，使脑血管血流速度减慢甚至停止，以及靶区周围组织热损伤、出血及炎症反应等。此外，目前对FUS治疗脑部疾病的疗效尚无相应的评判标准，对各种监测方法亦无相应的评价标准。未来应建立既能提高FUS治疗脑部疾病安全性、又可对后续并发症的诊断和治疗加以指导的规范，进一步发挥FUS在脑部疾病治疗中的优势。