超声技术应用于帕金森病的研究进展

张一平，陈芸，郑婷婷

1.安徽医科大学北京大学深圳医院临床学院，广东深圳 518036；2.北京大学深圳医院超声影像科，广东深圳 518036；3.深圳北京大学香港科技大学医学中心，广东深圳 518036

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种常见的神经系统退行性疾病，主要临床症状为肌强直、运动迟缓、静止性震颤和姿势步态异常等运动功能障碍及抑郁、焦虑、睡眠障碍、嗅觉障碍、便秘、精神症状等非运动症状[1-2]。年龄与PD 发病至关重要，该病随年龄增长呈现发病率逐年增高的趋势[3]。在我国，65岁以上PD 患病率约为190/10 万[4]。随着人口老龄化的加剧，患病人数进一步增加，我国总体社会经济和医疗负担也随之加重。因此，PD 的发病机制与诊疗方案是摆在国内外研究者面前的重要课题。

PD 的临床诊断主要基于运动特征，如缓慢进行性的非对称性静止性震颤、肢体僵直和运动迟缓。PD 的发病机制尚未完全明确，目前认为可能与年龄、遗传、环境污染及头部外伤等有关。PD的病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元缺失[5-6]和错误折叠的a-synuclein 蛋白积累[7-8]。当患者首次诊断出PD 时，黑质致密部中的很大一部分多巴胺能神经元已经丢失[9]，其他中枢神经系统区域也已出现神经退化。

超声影像学是一种利用超声波的物理特性和人体组织声学参数进行成像，结合解剖学、病理生理学及临床医学等学科的医学影像检查技术。因其成像能力强、经济实用等优点，已成为现代临床医学广为应用的诊断手段之一。对于PD，超声技术的应用也不局限于单一成像诊断功能，而是逐渐向诊断、靶向给药、神经调控等多方面发展。

1 成像诊断

PD 患者早期临床表现不明显，仅通过临床症状难以支持诊断。尸检和神经影像学研究表明，PD 的相关神经元功能障碍、细胞丢失比患者的临床症状出现及临床确诊早了几年[10]，这一临床前阶段极有可能是成功启动神经保护干预的时间窗。因此，非常需要准确且及时的诊断手段。由于PD 的临床症状与原发性震颤等其他运动障碍性疾病重叠，明确诊断变得十分困难。尤其是在疾病的早期阶段，更难以鉴别，PD 早期误诊率高达20%～30%[11]。

1.1 经颅黑质超声成像

经颅超声检查是一种新型的无创神经检查技术。它能在体外经颞骨窗探测颅内中脑黑质异常病变，具有无创、方便、价廉、实时成像、检查时间短、患者检查中不必完全制动等优点。1995 年Becker等人首次提出PD 患者黑质高回声，其定义为黑质回声区域扩大，临界值在0.20～0.25cm2，产生的原因可能是黑质中异常铁蛋白化合物的沉积。1924 年Lehermitte 等[12]发现PD 患者的黑质内铁蛋白含量异常升高，提出黑质中铁蛋白的增加与PD 的病理进程具有相关性的猜想，此后有学者陆续验证此观点。Berg 等[13]在大鼠黑质内人为提升铁蛋白化合物的含量，发现实验动物出现类似PD 的运动迟缓、肌强直、静止性震颤等生物学行为。Berg 等[14]的后续研究也发现约90%的PD 患者黑质中都出现高回声区。相比之下，只有约10%的健康人群和非典型帕金森综合征患者可检测到黑质高回声[15]。经颅超声检查的优点包括技术设备成本低、可用性广、无创性、可重复性和床边可用性等。但其也有一定局限，如较依赖于检查人员的经验，且5%～20%的患者颞骨窗不足以供操作者观察到目标区域。

1.2 功能超声成像

使用多普勒超声评估脑血流并不新鲜，在过去的几十年里，经颅彩色多普勒超声已被常规用于临床监测脑内大动脉的血流[16]。然而其灵敏度有限，无法监测较小血管的缓慢血流，也无法建立详细的脑血管图。在过去十年中，每秒数千帧的超快速超声成像出现，使超声对缓慢血流运动的灵敏度提高两个数量级[17-18]。在神经科学领域，Macé 等[19]研究证明超快速超声成像能检测到神经-血管耦合引起的微妙的血流量增加，从而引出功能超声成像（functional ultrasound imaging，fUS）的概念。fUS可通过研究静息状态下大脑结构之间的活动相关性，了解大脑静息状态功能连接，以此非侵入地绘制大脑动态网络图[20-22]。

2 治疗应用

在临床上，疾病的诊断并不是终极医学目标。早发现、早诊断之后的及时有效治疗也极为重要。已有大量数据证实，超声技术在PD 的治疗方面有广泛的前景。

2.1 靶向给药

目前临床上多采用多巴胺类药物治疗PD，中枢神经系统疾病因血脑屏障的存在，使药物治疗无法发挥其真正效用，越来越多的研究者尝试靶向药物治疗。人们发现之前用于造影剂的超声微泡，其可修饰的磷脂分子层也可作为药物载体发挥效用[23]，还可利用超声空化效应开放血脑屏障，聚焦超声辐射使其在目标区域释放药物，提高目标区域药物浓度，实现药物靶向输送[24]。

2.1.1 超声介导微泡开放血脑屏障 血脑屏障通过调节物质进出大脑，在维持神经活动高度精确的脑微环境中起着至关重要的保护作用。血脑屏障的结构基础是具有紧密连接的脑毛细血管内皮细胞、主动外排转运体和主要促进因子，它们共同促成血脑屏障极低的细胞旁通透性和跨细胞通透性[25]。此外，内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞共同形成神经血管单元，并通过分泌多种因子相互作用调控血脑屏障微循环的发育和功能[26]。上述因素可使血脑屏障对脑组织与血液物质交换形成一种动态的调节，但也限制了药物进入神经系统，是限制中枢神经系统疾病治疗效果的主要因素。

低强度聚焦超声是一种非侵入性技术，它结合静脉注射微泡，在微泡稳定空化作用的帮助下，可瞬间可逆地破坏血脑屏障[27]。Sheikov 等[28]通过观察超声处理后不同时间的紧密连接特异性跨膜蛋白和膜下ZO-1 的分布，发现超声处理4h 内可观测到紧密连接特异性跨膜蛋白和膜下ZO-1 的免疫信号的重新分布或部分丢失，且在超声处理后6h 和24h 观测到紧密连接的屏障功能几乎完全恢复，提示聚焦超声联合微泡可引起短暂可逆的血脑屏障开放。

2.1.2 应用 McDannold 等[29]尝试在磁共振成像的引导下，将聚焦超声联合微泡安全地作用于特定的颅内区域，发现对邻近正常脑细胞的毒性可忽略不计。微泡的使用可极大降低超声开放血脑屏障的声强阈值，并有效降低超声热效应对脑组织的损害。然而，声学能量的增加与不良反应风险增加呈正相关，可能出现的不良反应包括血管损伤、水肿、实质损伤、微出血和免疫系统过度激活（如自身免疫）等[30-31]。Aryal 等[32]尝试降低fUS 的声压和占空比（1%～5%），持续作用0.5～1min，发现大部分实验动物可自行恢复，且未出现异常。

2.2 神经调控

皮质-基底神经节大脑环路功能异常是导致脑功能疾病发生的重要病因，研究者尝试刺激相应靶点的方式减轻症状，其机制是通过刺激相应靶点进而刺激相应回路引起皮质和下行神经的改变[33-34]。而神经调控是采用侵入性或非侵入性技术，以物理性（光、磁、电、声）或化学性手段调节中枢神经、外周神经或自主神经活性，从而改善患病人群的症状，为中枢神经系统疾病的治疗提供新的解决思路。

2.2.1 目前常用的神经调控技术 深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）俗称脑起搏器，是目前应用率最高、接受度最广的侵入性神经调控技术，它是通过利用慢性高频直流电刺激靶区[35]，进而控制PD患者震颤、痉挛和僵直等运动症状。美国食品药品管理局1997 年批准DBS 治疗特发性震颤，2002 年批准采用下丘脑DBS 治疗PD，2003 年批准采用脑苍白球DBS 治疗PD 和肌张力障碍，极大地肯定了DBS 的可行性。除DBS 外，研究者也研发了其他神经刺激疗法，如经颅磁刺激将电流传递至目标皮质区，诱导神经元兴奋，治疗癫痫和抑郁症[36]。不过以上技术均存在一定的限制，如DBS 需要定期更换电池，使颅内出血、感染的风险大幅提升[37]；经颅磁刺激的空间分辨率只有厘米量级，难以刺激大脑皮质下深层组织。而经颅聚焦超声因其非侵入性、高渗透性、高空间分辨率（毫米级）等优势，在神经调控领域颇为瞩目。

2.2.2 经颅聚焦超声 与诊断性超声检查（频率在兆赫级）不同，经颅聚焦超声使用的频率是中频（650kHz）或低频（220kHz）；聚焦超声诱导消融的机制与使用的频率相关，例如中频超声主要产生热消融，而低频超声通过空化作用或组织摩擦实现消融，其中超声波与组织内聚集的微泡相互作用，导致这些微泡的快速振荡崩解对组织产生损伤[38]。Elias 等[39]利用聚焦超声和外科射频消融分别作用于猪丘脑病变，并在每次治疗后使用标准的临床损伤参数，在早期（<72h）、亚急性期（1 周）和后期（1～3 个月）分别进行临床、磁共振成像和组织学评估，发现聚焦超声可使细胞蛋白变性，并在磁共振成像的T2加权上产生3 个单独的区域：中心混合信号（中心坏死区）、周边高信号（细胞凋亡区）及周围血管源性水肿区，结果显示经颅聚焦超声和外科射频消融治疗病变的过程演变相似，但外科射频消融治疗具有更多的延迟效应，导致超出丘脑靶区以外的白质组织损伤。

对于PD，经颅fUS 消融苍白球内侧核和丘脑底核已有报道。Magara 等[40]对13 例PD 患者进行单侧苍白球丘脑束消融术，4 例患者仅在峰值能量时进行1 次超声治疗，其余9 例患者进行4 次超声治疗，后者3 个月的预后明显优于前者。基于这些结果，正在进行更大规模的试验，以探索fUS 消融在晚期PD患者中的适用性。周慧[41]证实聚焦超声辐射刺激深部脑核团丘脑底核和苍白球内侧核可改善PD 小鼠的运动症状，并证实聚焦超声可提高多巴胺能神经元的抗氧化应激能力和抑制神经炎症能力。

经颅聚焦超声是一种前景广阔的消融技术。它与磁共振成像的集成应用使得非侵入性治疗与大脑解剖层面的监测相结合，使得越来越多不能或不愿接受DBS 的患者有了新的治疗选择。神经成像和超声算法的进步也提高fUS 的安全性、有效性和效率。传感器技术的改进也将突破当前技术无法访问的大脑网络进行监测。

3 总结与展望

超声技术因其无创、无辐射等优点已广泛应用于临床疾病的诊断中。同时，随着对超声生物学效能研究开发，不断开拓临床应用领域研究，结合药理、病理、物理、信息技术等，超声还在治疗、调控等方面焕发出新的活力。总之，超声技术已从单一的影像诊断功能逐渐扩展成为对成像、调控、治疗的多功能的临床和科学研究工具。