超声造影剂专利技术综述

朱小卫

摘要：超声诊断学在疾病诊断方面占有重要地位，本文从超声造影剂的特点及发展过程出发，对全球超声造影剂进行专利分析，考察其技术演进过程和未来发展方向，为超声造影剂的临床使用、研发立项以及该领域的专利申请工作提供参考依据。

关键词：超声造影剂;诊断;稳定性;靶向性;微泡

中图分类号：R445.11 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）06-0133-05

1 技术概述

在当前临床诊断中，超声成像已成为一种应用最为普遍的医学影像技术。与其他成像方式相比，超声能够提供软组织结构和血流无创实时的横截面图像。然而，由于血液對超声信号的反射性差，使用常规多普勒超声检测血管或较深部位组织中的血流时往往图像分辨率差，难以把正常组织和病变组织区分开来[1]。为了解决这个问题，提高诊断的准确性，人们发明了超声造影剂（Ultrasound Contrast Agent， UCA），它是一类能显著增强超声背向散射强度的化学制剂，其主要成分是微气泡，一般直径为2um～10um[2]。

2 技术发展

UCA的产生可追溯到1968年，从UCA的出现到今天已有50余年历史，它的组成和作用发生了很大变化，其发展历程大致可分成四个阶段：第一阶段，UCA粒径较大且不稳定，因为它的表面无包膜，内部填充空气或氧气，当进入血液后，很容易在气芯和周围液体产生的表面张力作用下破裂;第二阶段，UCA主要是在表面包裹了白蛋白﹑脂类或多糖等物质，以增加其稳定性，内部填充气体主要是空气，这个阶段出现了在临床上获得使用许可的产品;第三阶段，致力于继续研究如何提高UCA的稳定性和有效性。这时的造影剂不再以空气为核心，代之以高分子气体或惰性气体（如全氟化碳﹑六氟化硫等），包膜材料主要为白蛋白或磷脂。与第二代UCA相比，这一阶段的造影剂，因其相对柔性的外壳和稳定的气体核心，在散射超声信号上更高效，也更稳定，在临床上获得了广泛的应用[3]。目前在世界范围内获得批准上市的主要造影剂及相关信息如表1所示。这些商用造影剂均为微米级的，粒径在1～10微米之间，通过静脉注射进入人体后，能顺利通过肺循环，但不能透过血管壁，只能进行所谓的血池成像。因此，具有更小尺寸和对病变部位有靶向能力的纳米级UCA就成为了研究的热点，这也是UCA发展的第四个阶段[4]。目前虽然取得了一些成果，但离临床应用还有较大的距离，尚处于实验室阶段。

3 专利申请信息分析

3.1 数据样本采集

本文采用中国专利文摘数据库（CNABS）、德文特世界索引数据库（DWPI）和世界专利文摘数据库（SIPOABS）。针对超声造影剂的专利申请，本文主要以超声造影剂、超声成像剂、 ultrasound contrast agent、 ultrasound imaging agent作为主要关键词进行检索，涉及的国际专利分类号主要为A61K49/22，检索截止日期为2018年12月31日，文献量1 240篇。

3.2 专利申请总体情况

3.2.1 全球专利申请态势分析。图1反映了全球申请的超声造影剂专利数量年度发展变化趋势，该领域专利最早出现在1982年，自1982年起，其技术发展按照专利申请的情况主要分为三个阶段：

萌芽阶段（1982—1990年）：超声造影剂的全球专利申请量较少，年平均申请量为2件，这个时期超声造影技术处于萌芽期，以第一代超声造影剂的专利申请为代表，主要涉及超声造影对比介质的研究，即可产生气体微泡的载液溶液的制备及其在超声造影中应用等方面的专利申请。

快速增长阶段（1991—1999年）：超声造影全球专利申请量开始呈现出迅速增长的趋势。随着1991德国Bayer公司超声造影剂Echovist的上市，德国及美国等先进国家加大了超声造影剂研究的投入，该阶段的造影剂研究已经不再局限于可产生气体微泡的载液溶液例如生理盐水、葡萄糖溶液、双氧水等，对超声造影剂的研究开始转入以空气、高分子气体或惰性气体为内核造影剂研究，主要研究了以白蛋白、脂类或多糖等物质作为包裹材料在提高超声造影剂稳定性中的应用。

技术稳定阶段（2000—2018年）：随着快速增长阶段中超声造影剂在全球上市产品的增多，各国开始了超声造影剂的研究。然而，由于超声造影剂稳定性差、工艺要求严苛、成本投入较大等问题，以及该时期内全球对其它分子成像技术例如磁共振成像、核医学成像、光学成像等领域研究的快速增长，超声造影剂的申请量有所下降[5]。随着SonoVue在中国获批上市，中国科研机构以及制药企业也纷纷开始了超声造影剂的研究，因此，2010年开始，超声造影剂的申请又呈现逐年攀升的趋势。

3.2.2 主要国家/地区/组织专利申请量分析。由图2可以看出，超声造影领域申请量前五位的国家/地区/组织分别是美国、中国、世界知识产权组织、日本和欧洲专利局，美国是专利申请量最多的目标国，占全球申请量的30.82%。虽然中国开始超声造影剂的研究较晚，但是其申请量仅次于美国，比世界知识产权组织高出近10%，其主要原因在于目前超声造影剂上市品种少，而在中国上市的品种仅SonoVue，且价格昂贵，限制了超声造影剂在中国的使用，因此，中国对超声造影剂的研究及申请迅速增长起来。

3.2.3 全球主要申请人分析。由图3可知，全球排名前五的申请人主要为美国、德国、意大利先进国家中的知名制药企业，其中第一件超声造影剂的申请为德国先灵制药公司，并在超声造影剂萌芽阶段引领者超声造影剂的创新，后被德国拜耳制药收购，其相关专利也一并转入德国拜耳，且目前全球已经上市的超声造影剂品种当中，德国先灵制药研制并上市的产品占据1/4，可见其在超声造影剂领域的创新实力。其次，排名第二的美国Molecular Biosystems公司，在超声造影剂的萌芽及快速增长时期具有稳定的研究及申请，主要研究了蛋白微球的制备方法及其产生装置。相比超声造影剂领域的两大企业巨头，申请量最大的NYCOMED IMAGING AS公司主要集中在对造影剂材料的研究，因此，其申请量虽然相对较大，但并没有相关上市产品。与之相比，中国申请人北京大学在全球申请人中排名第六，并且其相关研究及申请从2013年开始，主要研究靶向及多模态超声造影剂。而且，随着精准治疗的需求，靶向制剂的研究逐渐成为研究的热点，而不同的分子成像模式具有各自的优缺点以及应用领域，多模态成像可以克服单一成像模式的不足，引起了研究领域的广泛关注。对于中国申请人，如图4所示，主要申请人为大专院校、企业、个人、机关团体以及科研单位，申请量最大的为大专院校，例如北京大学、重庆医科大学、东南大学、中山大学、哈尔滨工业大学等，申请量具有绝对优势，其次是制药企业，例如成都市绿科华通科技有限公司，科研单位的代表为中国科学院深圳先进技术研究院，其中大专院校以及科研单位的相关申请的专利价值较高。

3.2.4 专利技术构成分析。通过对上述专利权利要求书和说明书的人工标引和具体解读，将超声造影的相关专利申请技术主题划分为5类，包括①制剂，例如脂质体、微泡、相转变胶体、乳液、微囊等;②制备方法或工艺，例如超声振荡法、喷雾干燥法、反复冻融法等;③载体材料的改进，例如白蛋白、糖类、磷脂类、高分子聚合物材料等;④多模态造影，例如超声/磁共振造影剂、超声/荧光双模态造影剂等;⑤制备装置，例如生产装置、检测装置等。

对于超声造影剂的制剂研究，近年来脂质体、微泡偏多，其中中国专利CN106668882A涉及一种超声敏感的脂质体，其通过反复冻融的方法，将脂质体磷脂双层之间分布一定量气体，使之在超声作用下逐渐膨胀，爆破脂质层，使脂质体里包裹的药物能够定点释放，增加药物疗效，并且脂质体磷脂双分子层间的空气层可增加超声成像的散射回声，可作为超声成像的诊断剂，集成像与诊断于一体。EP359246A2涉及一种连续超声处理方法用于制备蛋白包封的微泡，其通过对热变性的生物相容性蛋白水溶液的连续超声处理，小心地将溶液预热到蛋白变性的初始温度，使其不形成不溶蛋白，向溶液中加入气态流体，超声的过程中将含气溶液发泡，增加微泡的形成和浓度，并进一步加热，从而形成包裹气体的微泡。而相转变胶体作为超声造影剂也具有一定量的申请及应用，例如EP680341B1涉及含有液体-液体型的胶态分散体，其中分散的液体是一种沸点低于被成像动物体温的液体，因此在给予动物后，分散的液体相从分散液体相转变为高度回声的气体泡或kugelschaum，液态的分散相使得能制成极稳定的、粒径通常低于1 000nm的可药用乳剂，可有效的作为超声造影剂，对于该类造影剂，超声作用是促进相变的最有效因素，而胶体尺度越大，形成微泡浓度越小，越易发生相变，因此，如何调整该类造影剂的粒径大小等使之在最适宜的条件下达到最佳的相变效果，是目前有待深入研究的方面。

对于超声造影剂制备方法或工艺研究，如EP359246A2所述，连续超声法是制备微泡超声造影剂的常用方法;而CN106668882A中的反复冻融一样可以获得高效的超声成像剂;此外，WO9640277A2涉及使用聚合物材料溶液，通过喷雾干燥的方法将磁共振成像剂以及气体进行包覆以获得超声/磁共振双模态的成像剂，而CN104399091A则在不使用高分子聚合物材料的前提下，对可磁共振显影的纳米粒子的混悬液直接进行喷雾干燥，通过调整喷雾干燥的条件，获得了直径为0.5μm～8μm，壁厚10nm～500nm的超声/磁共振双模态造影剂，制备过程简单、快速，所得产品稳定，差别小。

对于超声造影剂的载体材料的研究，表1所示，糖类、白蛋白以及磷脂均为超声造影剂常用的壳体材料，而CN105999314A则涉及以一定比例的白蛋白和磷脂作为成膜材料，以惰性气体为核心气体的超声造影剂的制备，其通过在磷脂类超声造影剂成膜材料中加入白蛋白并相应的调整二者的比例，使得微泡的成泡率增加，分散度更好，粒径更小，体内心肌灌注效果也更好，该设计减少磷脂的比例，在保证高成泡率的基础上降低了生产成本。

此外，随着精准治疗的需求，靶向超声造影剂的研究及制备也出现了一定量的申请，例如US2005106105A1涉及一种用于细胞凋亡的超声成像的方法和组合物，CN1579554A则涉及靶向传输基因的载基因微泡及其制备方法。根据靶组织自身的特点，设计稳定的、特异的超声造影剂将成为该领域的重点研究方向。

4 讨论

UCA的出现扩展了超声诊断的范围，提高了诊断的敏感性和特异性，使超声成像进入了分子成像的时代，被誉为超声领域的又一次革命。同时，在许多疾病的诊断上，它也是与MRI﹑CT等各具特色的成像技术。UCA的发展和应用依赖于UCA制备工艺的提高以及超声成像设备与技术的发展。UCA的制造已经从微米级转向纳米级，靶向性的需求使得UCA的制造技術更加复杂。我们必须根据其本身的特征，通过微泡的组成或制备过程的改进，使造影剂的性能更稳定，并具备更高效地携带药物及各种生物活性剂的功能。需进一步研究造影剂微泡在超声中的反应，评价造影剂的空化效应同组织细胞损伤之间的关系。

对于国家教育部研发机构以及国家知识产权机构，应该加大研发力度，给予相关研究资金支持，鼓励其进行专利申请，加强专利保护，提高专利转让及有效利用，提升授权专利的社会价值。

参考文献：

[1] 陈志良等.超声造影剂的研究进展[J].解放军药学学报，1999，2（15）：32-34.

[2] James Zhang.超声造影剂SonoVue[J].中国医疗器械信息，2004，3（10）：14-15.

[3] 赵应征等.微泡超声造影剂的研究进展[J].国外医学药学分册，2003，5（30）：298-301.

[4] 余后强等.医学超声造影剂研究现状与进展[J].生命科学仪器，2017（15）：3-7，38.

[5] William R. Hendee & Russell Ritenour. 医学成像物理（第四版）[M].长沙：中南大学出版社，2014.