声动力疗法对脑胶质瘤治疗的研究进展

姚荣权 陈芸

[摘要] 脑胶质瘤是最常见的原发性恶性脑肿瘤和其他中枢神经系统肿瘤，目前临床常用的治疗方法包括外科干预（肿瘤切除）、放射治疗和化疗，但效果并不令人满意，即使在高级别胶质瘤患者的无进展生存率和总生存率方面取得了重大进展，也只能适度提高生存率，预后仍然很差。近年来，研究人员研发出声动力疗法（sonodynamic therapy，SDT）作为新的脑肿瘤治疗策略，SDT是在光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）基础上研发出来的一种治疗癌症的新方法，采用超声波与声增敏剂相结合的方式，协同杀死肿瘤细胞，并在体外和体内研究中取得了令人印象深刻的结果。本文综述了目前关于SDT作用机制的知识和目前可用的声敏剂。

[关键词] 胶质瘤；声动力疗法；光动力疗法；声敏剂

[中图分类号] R739.4      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.08.029

脑胶质瘤是最常见的原发性恶性脑肿瘤和其他中枢神经系统肿瘤[1]，是由胶质细胞或前体细胞突变而产生的恶性肿瘤，包括星形细胞瘤、室管膜瘤、少突胶质瘤和一些罕见的病理组织[2]。目前临床对于脑胶质瘤的治疗方法通常包括外科干预（肿瘤切除）、放射治疗和化疗，但效果并不十分理想。近年来，虽然脑胶质瘤患者在生存方面取得了重大进展，但治疗方案疗效有限[3]，仍然迫切需要新的治疗策略来帮助优化脑胶质瘤患者的预后[4]。在过去的20年中，光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）作为一种微创治疗方法受到了高度重视[5]。PDT是一种有效且特异的临床治疗方法，其可通过吸收具有适当波长光的光子来激活光敏剂。在氧气存在的情况下，被激发的光敏剂形成活性氧（reactive oxygen species，ROS），可通过快速氧化细胞成分直接诱导细胞损伤[6]。尽管PDT在临床应用方面取得了巨大成就，但其对光的穿透深度较差，导致PDT对治疗深部肿瘤无效[7]，限制了其在癌症治疗方面的广泛应用。虽然光源设备和新型光敏剂的开发可能会克服这些限制，但最终如何改变PDT的固有特性，对于研发人员仍然是一个巨大挑战。

1  声动力疗法（sonodynamic therapy，SDT）作用机制

SDT是在PDT的基础上发展起来的一种抗癌疗法，具有靶向性更好、组织穿透更深、聚焦能力更强的特性[8]。超声波作为机械波可以穿透深层组织[9]，SDT利用超声波和无毒声敏剂之间的相互作用发挥效应，无毒致敏剂可选择性地聚集在靶组织内，提供以非侵入性和高选擇性方式根除实体瘤的可能性[10]。目前，SDT对脑肿瘤的作用机制仍不清楚，大多数公认的理论包括空化效应、ROS生成、诱导细胞凋亡、提高抗肿瘤免疫、抑制血管生成和诱导热疗[11]。

1.1  空化效应

一般来说，治疗性超声对生物组织的生理效应可分为热效应和非热效应，SDT的研究大多集中于非热效应，空化是非热效应的一种重要机制[12]。超声空化是一种作用于液体的超声处理动态过程，微气泡在超声场中被激发不断振动、收缩甚至坍塌[11]。空化通常分为非惯性空化和惯性空化[13]。非惯性空化是在与低强度超声波接触的液体介质内产生的气泡动力学过程，在此过程中产生的气泡不会剧烈坍塌，并且寿命相对较长[11]。非惯性空化气泡被迫振荡，产生辐射力和微射流，影响周围的悬浮颗粒，导致细胞膜通透性急剧增加，从而可以使某些药物更容易渗透进入靶细胞，在一定条件下，非惯性空化可转变为惯性空化[14]。惯性空化是指在高强度超声波下，液体中会发生相对较强的气泡动力学过程。惯性空化气泡经历了从急剧收缩到溃灭的变化过程，吸收到了大量声场的能量，然后开始在相对小区域处快速释放出能量，导致了局部高温高压、强的冲击波、高速微射流场和大量液体分子中自由基粒子的生成[15]。这些极端物理条件及有害化学基团的持续存在均会产生细胞损伤和细胞毒性，通过与细胞内部的相互作用导致自体免疫和坏死[16]。据报道，惯性空化会对肿瘤血管造成严重损害，破坏肿瘤的血液供应，抑制肿瘤生长，这种现象有助于水分子的解体，并随后形成羟基自由基和氢原子[17]。

1.2  ROS生成

SDT中ROS的生成可能与空化效应密切相关。气泡的最大膨胀和随后的快速内爆释放大量能量，导致周围微环境中的温度和压力升高；有研究者认为内爆点的极端温度和压力类似“声化学”反应器，能够在水和氧气存在的情况下产生ROS[18]，ROS对肿瘤细胞具有很强的杀伤作用[19]。此外，当产生足够的ROS时，一系列生物事件将被激活，SDT可在细胞的活动中通过诱导ROS的异常生成来使线粒体膜电位降低，导致正常的线粒体活动无法正常进行，从而使氧化磷酸化不能正常进行并阻碍三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的生成，最后导致细胞凋亡[20]。同时，若SDT产生的过量ROS不能立即被细胞清除并在细胞内积聚，可导致质膜完整性和细胞骨架结构的丧失以及细胞器中DNA的功能障碍，最终导致细胞凋亡[21]。

1.3  诱导细胞凋亡

SDT可以诱导使线粒体膜细胞上两种蛋白的基因表达水平发生显著变化，从而导致细胞发生凋亡。Bcl-2基因高表达可直接抑制细胞凋亡，Bax基因高表达可直接促进细胞凋亡，但两者均位于线粒体膜上[22]。同时有研究表明，SDT可以显著有效下调Bcl-2基因的表达，上调Bax蛋白基因的表达，从而促进Bax蛋白基因的蛋白质合成，使线粒体膜上的蛋白质发生改变，提高线粒体的通透性并使其功能降低，最终诱导细胞凋亡[23]。SDT还可以促进线粒体膜上的钙离子超载，通过降低膜自身的电位，诱发靶细胞凋亡。除此之外，SDT还能促进肿瘤细胞内Caspase-8和Caspase-3表达增加，激活外源性细胞凋亡的途径，间接诱导细胞凋亡[24]。

1.4  提高抗肿瘤免疫

缺氧是肿瘤微环境的共同特征，缺氧条件下可产生多种免疫抑制细胞因子和生长因子以允许免疫逃逸[25]，包括固有免疫细胞激活不良、缺乏趋化因子介导的巨噬细胞和树突状细胞的转运。与固有免疫细胞激活相关的巨噬细胞发生M2极化，失去免疫监测能力，可促进肿瘤的发生和发展，还可导致局部肿瘤环境中的树突状细胞变得不成熟，从而缺乏抗原呈递细胞的能力。在肿瘤微环境中，细胞因子白细胞介素10（interleukin-10，IL-10）、干扰素-γ（interferon，IFN-γ）和肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）均参与了免疫反应，维持M1细胞表型的IFN-γ介导恶性细胞的吞噬作用，并通过抗原呈递启动细胞毒性反应。TNF-α主要由活化的巨噬细胞（M1）产生，在早期肿瘤中介导抗肿瘤免疫，IL-10由各种白细胞分泌，调节肿瘤微环境中的免疫功能，参与M1和M2之间的转换，并促进巨噬细胞的M2分化[26]。SDT通过增强IFN-γ和TNF-α的表达，增加了其细胞毒性和抗原呈递，通过促进巨噬细胞激活的策略，可以增加先天免疫系统的局部激活，有效启动局部免疫反应，激活微囊，迅速清除凋亡小体[27]。SDT还可促进IL-10的释放，以防止局部免疫反应发展为炎症，同时SDT还可使肿瘤微环境中M2巨噬细胞向M1巨噬细胞的转移，增加局部免疫反应[28]。

1.5  诱导热疗

一些初步研究表明，超声诱导的热疗可以增强SDT的作用，尽管其确切机制尚不清楚[29]。但是已有研究证明，在影像引导治疗下，聚焦超声诱导的适度热处理（42°C）和SDT的结合可完全抑制皮下胶质瘤小鼠模型的肿瘤进展，并显著延缓了原位胶质瘤小鼠的肿瘤生长进展，这种新的治疗策略可能为广泛存在的癌症提供新的见解[30]。

2  声敏剂

声敏剂作为一种化学化合物，其特定的治疗活性由超声辐射触发[30]，主要包括5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，5-ALA）、血卟啉单甲醚（hematoporphyrin monomethyl ether，HMME）、血卟啉衍生物和玫瑰红（rose bengal，RB）。

2.1  5-ALA

5-ALA是目前胶质瘤模型中使用最多的基于卟啉的声敏剂。5-ALA是在线粒体中形成的一种氨基酸前体，在合成血红素的过程中产生原卟啉IX（protoporphyrin IX，PpIX），PpIX可选择性地积聚在癌细胞和炎症细胞的线粒体中[31]。该化合物本身无毒，但若被交叉光或超声波“激活”，就能够发挥细胞毒性和调节作用。服用5-ALA可增加PpIX的合成并导致其在增殖细胞中积聚，这些细胞主要是胶质瘤患者大脑中的癌细胞。5-ALA-SDT产生的ROS可能在促进凋亡中发挥重要作用。研究显示，对胶质瘤移植小鼠中使用高强度聚焦超声治疗，具有显著的抗肿瘤作用，而周围的脑组织保持正常，使小鼠具有更长的存活时间[32]。未来5-ALA-SDT可能是恶性胶质瘤的一种有效的治疗方法。

2.2  HMME

HMME是一种基于卟啉的化合物，最初用作光敏剂，具有良好的选择性保留作用，在肿瘤组织中可保持很长时间。一项研究表明，HMME的细胞内摄取是呈时间和剂量依赖性的，HMME能在肿瘤细胞中有选择的聚集，并且HMME可以被超声波激活，SDT可以通过诱导细胞凋亡和坏死来杀死细胞[33]。这表明，SDT在HMME下对肿瘤细胞的作用有高度选择性，对正常的细胞几乎不会产生影响，可通过非侵入性和高选择性的方式清除肿瘤[34]。

2.3  血卟啉衍生物

Photofrin是一种血卟啉衍生物，在PDT中被广泛用于治疗各种癌症。作为SDT的声敏剂，有研究显示Photofrin对胶质瘤细胞具有良好的声动力学效应，可产生ROS并触发胶质瘤干细胞凋亡[18]。Photofrin介导的SDT可以有效杀伤胶质瘤细胞，是一种很有前景的治疗方法[35]。

2.4  RB

RB是一种黄嘌呤的染料，具有相对较低固有毒性的Ⅱ型光敏剂，一旦被激活，就可以形成ROS，杀伤肿瘤细胞。研究表明，SDT介导的RB可以诱导超声空化，导致不可逆的细胞损伤，并改变细胞的膜结构和功能特性，从而诱导细胞溶解、坏死或凋亡，体外研究也表明RB显示出显著的抗癌作用[36-37]。

3  小结

对胶质瘤体外和动物模型的大量临床前期研究表明，SDT是一種有效且有前景的胶质瘤治疗方法，可通过激活细胞凋亡、抗肿瘤免疫反应和其他生物学机制诱导抗肿瘤作用。虽然SDT在治疗神经胶质瘤方面有很大潜力，但仍需进一步探索加以完善。SDT的作用机制取决于生物系统、超声参数和声敏剂的类型。随着对SDT机制的日渐了解，开发潜在的声敏剂是最重要的因素之一。目前，许多声敏剂仍远未达到理想的临床应用效果，以高剂量施用时可能具有潜在毒性。理想的声敏剂应安全且易于施用，并且具有低毒性或无光毒性、高声敏感性、高肿瘤选择性和快速从正常组织清除率，而不会对身体其他部位造成永久性损伤。SDT的治疗效果也取决于超声设备，虽然目前的超声设备适合于胶质瘤模型的体外和体内研究，但不适合临床治疗，相信随着各种声敏剂和超声设备的研发，将来可以将SDT用作临床治疗，提高患者的生存质量和寿命。

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（收稿日期：2022–08–24）

（修回日期：2022–09–28）