唐家偉嚴(yán) 飛李葉闊

?

高強(qiáng)度聚焦超聲聯(lián)合納米顆粒在腫瘤治療中的研究進(jìn)展

唐家偉1嚴(yán) 飛2李葉闊3

超聲療法；納米粒子；腫瘤；綜述

高強(qiáng)度聚焦超聲（high intensity focused ultrasound，HIFU）是一種很有前景的無(wú)創(chuàng)治療腫瘤的方法，在MRI或診斷超聲的成像技術(shù)引導(dǎo)下，可以對(duì)局部腫瘤進(jìn)行定點(diǎn)消融[1]。既往很多臨床試驗(yàn)對(duì)HIFU治療的可行性和安全性進(jìn)行了研究，HIFU療法已應(yīng)用于前列腺、乳腺、子宮等多個(gè)臟器的良惡性腫瘤治療中[2]。然而，HIFU治療系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中仍然存在一些不足，亟需新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位和更高效力的消融效果[3]。針對(duì)這些問題，納米顆粒著力于可視化、增效和聯(lián)合治療等方面，不斷地更新和完善，為提高HIFU治療腫瘤的療效起到了極大的推動(dòng)作用。本文將對(duì)目前HIFU聯(lián)合納米顆粒在腫瘤治療中的研究進(jìn)展做一綜述。

1　納米顆粒增敏HIFU消融效力

HIFU治療腫瘤的機(jī)制主要在于聚焦的超聲束可以在組織內(nèi)產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，使組織發(fā)生凝固性壞死[4]。然而，隨著組織深度的增加，超聲能量會(huì)衰減，理論上需要提高超聲強(qiáng)度來增強(qiáng)治療效果，但同時(shí)也會(huì)增加損傷周圍正常組織的風(fēng)險(xiǎn)[5]。納米顆粒可作為HIFU增敏劑，增強(qiáng)超聲對(duì)靶區(qū)域腫瘤組織的消融效果，有效降低HIFU消融所需的強(qiáng)度閾值。

1.1無(wú)機(jī)納米顆粒增敏HIFU消融效力 Wang等[6]制備了一種介孔二氧化硅納米囊（mesoporous silica nanocapsules，MSNC），殼層具有多分散性的介孔，內(nèi)部為一個(gè)中空結(jié)構(gòu)，溫度敏感的全氟己烷（perfluorohexane，PFH）被包載在介孔和內(nèi)核中，見圖1。在體外條件下，將樣品的溫度升高到70℃，達(dá)到PFH的沸點(diǎn)之上，可在光學(xué)顯微鏡下看到大量微泡形成。該研究通過對(duì)脫氣牛肝進(jìn)行HIFU消融，結(jié)果顯示MSNC-PFH組的消融組織體積明顯大于MSNC組和磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer solution，PBS）對(duì)照組。載VX2肝癌的兔模型體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PBS組在120W和400W 的HIFU功率下分別作用2s，超聲均未檢測(cè)到聚焦區(qū)域的回聲改變，而MSNC-PFH組在120W的HIFU作用下2s，超聲可檢測(cè)到聚焦區(qū)域回聲明顯增強(qiáng)，表明該區(qū)域腫瘤組織發(fā)生了凝固性壞死。MSNC-PFH作為HIFU增效劑的機(jī)制可能為，在HIFU的作用下，液態(tài)PFH會(huì)轉(zhuǎn)變成大量的小氣泡，不斷地膨脹和融合，在腫瘤組織內(nèi)形成更大的氣泡，產(chǎn)生超聲空化相關(guān)的生物學(xué)效應(yīng)，如機(jī)械共振、微射流、沖擊波、生物膜開放等[7]，增強(qiáng)了HIFU的消融效能。

圖1　MSNC-PFH的合成步驟以及聯(lián)合HIFU治療

在提高HIFU消融效能的同時(shí)，提高對(duì)靶組織的精準(zhǔn)定位，有利于對(duì)腫瘤組織的徹底消融。目前集成在HIFU治療系統(tǒng)中的影像學(xué)引導(dǎo)手段主要有MRI和超聲。與超聲比較，MRI具有更高的空間分辨率、密度分辨率等優(yōu)勢(shì)，并可以對(duì)治療靶區(qū)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。然而，傳統(tǒng)的MRI引導(dǎo)的HIFU治療系統(tǒng)在成像效果和圖像引導(dǎo)效率方面仍然存在一些不足，為了增強(qiáng)成像效果，有必要引入具有MRI造影特性的納米顆粒。

Chen等[9]對(duì)MSNC材料進(jìn)一步修飾，將MnOx納米顆粒作為MRI T1造影劑，通過氧化還原反應(yīng)添加到介孔中，制備了一種新的介孔復(fù)合納米囊（mesoporous composite nanocapsules，MCNCs），增強(qiáng)了MRI成像效果。同時(shí)，在MCNCs的中空結(jié)構(gòu)中加入PFH，可以起到協(xié)同增強(qiáng)HIFU消融效能的作用。在載VX2肝癌兔體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)中，注射MCNCs-PFH和PBS的前后分別進(jìn)行MRI T1成像，結(jié)果顯示注射MCNC-PFH后，周圍正常肝組織信號(hào)顯著增強(qiáng)，與腫瘤信號(hào)形成鮮明對(duì)比，有利于區(qū)分腫瘤和周圍正常組織的邊界，而PBS組在注射前后圖像信號(hào)無(wú)明顯變化。體外脫氣牛肝消融結(jié)果顯示，MCNCs-PFH組采用HIFU 150W/5s，消融體積為86.5mm3，而PBS對(duì)照組采用HIFU 250W/5s，消融體積僅有66.6mm3。體內(nèi)載瘤兔實(shí)驗(yàn)顯示，MCNCs-PFH組的消融體積是PBS組的8.3倍。因此，MCNCs-PFH的引入不僅提高了MRI的引導(dǎo)精度，還可以有效地降低治療所需HIFU的強(qiáng)度，獲得更好的消融效能。

1.2有機(jī)納米顆粒增敏HIFU消融效力 雖然無(wú)機(jī)介孔二氧化硅材料在MRI引導(dǎo)的HIFU治療中表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)效果，但無(wú)機(jī)硅納米材料在向臨床轉(zhuǎn)化的過程中，一直面臨著生物安全性問題。在生物相容性方面，有機(jī)材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

Sun等[10]使用改良雙乳蒸發(fā)法制備了一種包載有超順磁性Fe3O4納米顆粒的聚乳酸-羥基乙酸共聚物[Poly（lactic-coglycolic acid），PLGA]微囊，粒徑大小約為885 nm，具有良好的生物相容性。由于Fe3O4納米顆粒的存在，體外材料特性檢測(cè)表明該微囊具有良好的超順磁性，在荷載VX2肝癌的兔模型上，注射Fe3O4/PLGA之后，正常肝組織出現(xiàn)MRI信號(hào)負(fù)增強(qiáng)的效應(yīng)，與腫瘤邊界形成鮮明對(duì)比，表現(xiàn)出良好的MRI-T2成像效果。在離體脫氣牛肝和體內(nèi)MRI引導(dǎo)下HIFU消融實(shí)驗(yàn)中，相同參數(shù)下，F(xiàn)e3O4/PLGA組的消融體積顯著大于PLGA組和PBS組。由此證明，F(xiàn)e3O4/PLGA微囊不僅可以有效提高M(jìn)RI引導(dǎo)下HIFU治療腫瘤的精準(zhǔn)度，還增強(qiáng)了聚焦區(qū)域組織對(duì)超聲能量的吸收，顯著提高了HIFU的消融效力。

實(shí)體瘤組織中新生血管較多，結(jié)構(gòu)完整性差，對(duì)于粒徑＜200 nm的顆粒，具有良好的高通透性和滯留效應(yīng)。為了增強(qiáng)HIFU增敏劑在腫瘤部位的富集，制備粒徑更小的有機(jī)納米顆粒顯得尤為重要。Zhou等[11]采用液氣相轉(zhuǎn)換的策略制備了一種靶向納米乳，內(nèi)核是具有良好生物相容性的疏水性PFH，沸點(diǎn)約為56℃；親水性外殼也是由生物相容性較好的脂質(zhì)類材料合成；此外，納米乳的外層殼表面配有葉酸，使該納米乳具有主動(dòng)靶向特性。在體外液氣相轉(zhuǎn)換試驗(yàn)中，當(dāng)溫度加熱到80℃時(shí)，顯微鏡下可以看到大量微泡形成，同時(shí)，在超聲造影成像下，也可以看到回聲增強(qiáng)。在離體脫氣牛肝的消融實(shí)驗(yàn)中，在相同HIFU參數(shù)下，靶向納米乳組的消融體積明顯大于空白脂質(zhì)顆粒組和PBS組。在體內(nèi)靶向富集驗(yàn)證試驗(yàn)中，用紅色量子點(diǎn)標(biāo)記納米乳，經(jīng)尾靜脈注射后進(jìn)行熒光成像，靶向組可在裸鼠背部腫瘤區(qū)域看到紅色熒光，而非靶向組在腫瘤區(qū)域未看到明顯的紅色熒光。體內(nèi)消融實(shí)驗(yàn)也表明，相同HIFU參數(shù)下，靶向納米乳組表現(xiàn)出更強(qiáng)的消融效力。

2　HIFU觸發(fā)納米顆粒靶向藥物/基因遞送

HIFU在腫瘤治療的臨床應(yīng)用中，多數(shù)情況都是基于HIFU的熱消融力，使腫瘤組織局部溫度升高至60℃以上，組織發(fā)生凝固性壞死，達(dá)到腫瘤治療的目的[12]。然而，低強(qiáng)度參數(shù)的HIFU可以憑借其熱效應(yīng)、空化效應(yīng)等作用，觸發(fā)納米藥物載體內(nèi)的藥物釋放。

HIFU觸發(fā)的藥物釋放，最經(jīng)典的應(yīng)用是低溫度敏感脂質(zhì)體（low temperature sensitive liposome，LTSL）[13]。在納米材料的不斷改進(jìn)中，Park等[14]制備了一種新的穩(wěn)定型溫度敏感脂質(zhì)體（stable temperature-sensitive liposome，STL），在傳統(tǒng)LTSL的配方中增加了脂肪酸共軛的類彈性蛋白多肽。STL的粒徑大小約為160 nm，通過硫酸銨梯度法包載阿霉素（doxorubicin，DOX），載藥率為95％。與傳統(tǒng)LTSL相比，STL在血清中37℃時(shí)具有更好的穩(wěn)定性，39～42℃時(shí)DOX迅速釋放，尤其是在42℃時(shí)，10s內(nèi)即可達(dá)到95％釋放率。在載瘤小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，HIFU+STL-DOX組在給藥后的2 d內(nèi)出現(xiàn)腫瘤的消退，同時(shí)，在后續(xù)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)中，HIFU+ STL-DOX組的抑制腫瘤生長(zhǎng)效力明顯高于單純LTSL-DOX組，表明在HIFU的作用下，腫瘤局部溫度上升到42℃左右，觸發(fā)了DOX從STL-DOX中釋放，增強(qiáng)了抗腫瘤效能。

Liang 等[15]通過有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料相結(jié)合的方式，兼顧納米顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性，將硅脂質(zhì)加入到傳統(tǒng)脂質(zhì)體的配方中，制備了一種粒徑大小約為200 nm的硅質(zhì)體（HTSCs），見圖2。這種硅質(zhì)體表現(xiàn)出良好的生物相容性，可以包載水溶性或者脂溶性的藥物。通過改變磷脂成分的比例，可以調(diào)節(jié)藥物的釋放效率。HTSCs與傳統(tǒng)LTSLs相比，具有更長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間。體外研究表明，載藥HTSCs在37℃時(shí)表現(xiàn)出極強(qiáng)的穩(wěn)定性，而在42℃時(shí)，出現(xiàn)爆發(fā)式釋放。體內(nèi)載瘤裸鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HIFU+HTSCs組抗腫瘤效力明顯優(yōu)于單純HTSCs組，表明HIFU成功觸發(fā)了藥物的釋放，增強(qiáng)了治療效果。

圖2　載藥HTSCs合成步驟以及HIFU輻照下藥物的釋放

3　納米顆粒促進(jìn)HIFU消融與其他治療方法相結(jié)合

3.1HIFU消融與化療相結(jié)合 雖然HIFU消融具有明確的腫瘤殺傷力，但HIFU消融的局限性在于不能徹底消除殘留的腫瘤細(xì)胞，因此，具有腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)[16]。針對(duì)這一問題，Zhang等[17]制備了一種多功能靶向載藥納米泡（mAbHLA-G/MTX/PLGA NBs），具有抗HLA-G靶向、包載甲氨蝶呤（methotrexate，MTX），粒徑約為477 nm，見圖3。該納米泡在體內(nèi)和體外都有良好的超聲成像增強(qiáng)效果，并對(duì)HLA-G過表達(dá)的JEG-3細(xì)胞培養(yǎng)和腫瘤都有很好的靶向性。體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)顯示，HIFU+mAbHLA-G/MTX/PLGA NBs組在150W/5s的HIFU輻照后，3h時(shí)MTX釋放率為50％，72h時(shí)MTX釋放率為80％，說明HIFU可以有效地觸發(fā)PLGA內(nèi)藥物的釋放。在體內(nèi)抗腫瘤試驗(yàn)中，相同參數(shù)下，HIFU+mAbHLA-G/MTX/PLGA NBs組的消融體積顯著大于HIFU+生理鹽水組，證實(shí)了多功能納米泡的HIFU消融增效功能。在組織HE染色、增殖細(xì)胞核抗原、末端標(biāo)記法、增生指數(shù)、凋亡指數(shù)等檢測(cè)中，HIFU+mAbHLA-G/MTX/PLGA NBs組與其他組相比，表現(xiàn)出HIFU消融與化療的雙重功效，具有最佳的抗腫瘤效果。

圖3　mAbHLA-G/MTX/PLGA NBs的結(jié)構(gòu)以及其增強(qiáng)HIFU消融并聯(lián)合化療

3.2HIFU消融與放療相結(jié)合 單純HIFU消融容易殘留腫瘤細(xì)胞，聯(lián)合化療之后，在一定程度上起到了互補(bǔ)的作用。但HIFU消融后，腫瘤局部發(fā)生凝固性壞死，腫瘤血管閉塞，阻礙化療藥物向腫瘤細(xì)胞滲透，在一定程度上限制了HIFU消融與化療的聯(lián)合作用。Yao等[18]將具有高生物相容性的PLGA與具有放療增敏作用的Bi2S3相結(jié)合，制備了一種PLGA- Bi2S3納米顆粒。該顆粒粒徑大小約754 nm，體外和體內(nèi)超聲成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該顆粒具有良好的超聲成像增強(qiáng)性能。體內(nèi)HIFU消融實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)尾靜脈注射PLGA- Bi2S3后進(jìn)行HIFU輻照，腫瘤凝固壞死體積是單純HIFU組的9倍，而采用瘤內(nèi)注射時(shí)，實(shí)驗(yàn)組消融體積是單純HIFU組的350倍。在體內(nèi)放療增敏實(shí)驗(yàn)中，小鼠經(jīng)尾靜脈給予不同濃度的PLGABi2S3顆粒，在輻照劑量為6 Gy時(shí)，放療后的相對(duì)腫瘤體積（V/ V0）隨著濃度的升高而呈遞減趨勢(shì)。因此，該納米顆粒同時(shí)具備HIFU消融增敏和放療增敏的雙重功效。

4　結(jié)論與展望

HIFU消融治療腫瘤，因其無(wú)創(chuàng)性和毒副作用小，已在臨床廣泛應(yīng)用，具有良好的臨床價(jià)值和應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了兼具HIFU增敏功能和超聲/MRI造影功能的納米材料突破，對(duì)腫瘤的精確定位和增敏治療具有重要意義[19]；HIFU觸發(fā)的納米載體靶向藥物/基因遞送，也成為納米醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[20]；HIFU消融與靶向化療、放療等其他腫瘤治療方法相結(jié)合，可以彌補(bǔ)彼此的缺陷，成為有效的綜合治療方案。然而，納米顆粒在向臨床轉(zhuǎn)化的過程中，仍面臨著一系列如生物安全性等問題[21]。

隨著納米醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，未來HIFU在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將蓬勃發(fā)展。HIFU增敏劑可以實(shí)現(xiàn)超聲、MRI、熒光、光聲、近紅外等多模態(tài)成像，提高治療精準(zhǔn)度；HIFU聯(lián)合超聲微泡，打開生物膜屏障如血-腦屏障，促進(jìn)納米顆粒的藥物遞送與基因轉(zhuǎn)染；HIFU消融作為腫瘤綜合治療方案中的一種療法，與其他療法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將具有廣闊而深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

[1]Al-Bataineh O，Jenne J，Huber P.Clinical and future applications of high intensity focused ultrasound in cancer.Cancer Treat Rev，2012，38（5）:346-353.

[2]趙銀珠，熊屏，陳亞珠.高強(qiáng)度聚焦超聲聯(lián)合藥物靶向輸送在局部腫瘤治療中的研究進(jìn)展.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2014，22（9）:708-710.

[3]Niu D，Wang X，Li Y，et al.Facile synthesis of magnetite/ perfluorocarbon co-loaded organic/inorganic hybrid vesicles for dual-modality ultrasound/magnetic resonance imaging and imaging-guided high-intensity focused ultrasound ablation.Adv Mater，2013，25（19）:2686-2692.

[4]Huang CW，Sun MK，Chen BT，et al.Simulation of thermal ablation by high-intensity focused ultrasound with temperaturedependent properties.Ultrason Sonochem，2015，27:456-465.

[5]Phenix CP，Togtema M，Pichardo S，et al.High intensity focused ultrasound technology，its scope and applications in therapy and drug delivery.J Pharm Sci，2014，17（1）:136-153.

[6]Wang X，Chen H，Chen Y，et al.Perfluorohexane-encapsulated mesoporous silica nanocapsules as enhancement agents for highly efficient high intensity focused ultrasound （HIFU）.Adv Mater，2012，24（6）:785-791.

[7]陳莉.HIFU聯(lián)合超聲微泡造影劑治療腫瘤的研究進(jìn)展.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2011，19（2）:158-160.

[8]Sun Y，Zheng Y，Li P，et al.Evaluation of superparamagnetic Ironoxide-polymer composite microcapsules for magnetic resonanceguided high-intensity focused ultrasound cancer surgery.BMC Cancer，2014，14（1）:1-11.

[9]Chen Y，Chen H，Sun Y，et al.Multifunctional mesoporous composite nanocapsules for highly efficient MRI-guided highintensity focused ultrasound cancer surgery.Angew Chem Int Ed Engl，2011，50（52）:12505-12509.

[10]Sun Y，Zheng Y，Ran H，et al.Superparamagnetic PLGA-iron oxide microcapsules for dual-modality US/MR imaging and high intensity focused US breast cancer ablation.Biomaterials，2012，33（24）:5854-5864.

[11]Zhou Y，Wang Z，Chen Y，et al.Microbubbles from gas-generating perfluorohexane nanoemulsions for targeted temperature-sensitive ultrasonography and synergistic HIFU ablation of tumors.Adv Mater，2013，25（30）:4123-4130.

[12]Hectors SJ，Jacobs I，Moonen CT，et al.MRI methods for the evaluation of high intensity focused ultrasound tumor treatment:current status and future needs.Magn Reson Med，2016，75（1）:302-317.

[13]Gasselhuber A，Dreher MR，Partanen A，et al.Targeted drug delivery by high intensity focused ultrasound mediated hyperthermia combined with temperature-sensitive liposomes:computational modelling and preliminary in vivovalidation.Int J Hyperthermia，2012，28（4）:337-348.

[14]Park SM，Kim MS，Park SJ，et al.Novel temperature-triggered liposome with high stability:formulation，in vitro evaluation，and in vivo study combined with high-intensity focused ultrasound（HIFU）.J Control Release，2013，170（3）:373-379.

[15]Liang X，Gao J，Jiang L，et al.Nanohybrid liposomal cerasomes with good physiological stability and rapid temperature responsiveness for high intensity focused ultrasound triggered local chemotherapy of cancer.ACS Nano，2015，9（2）:1280-1293.

[16]Li J，Krupka T，Yao J，et al.Liquid-solid phase-inversion PLGA implant for the treatment of residual tumor tissue after HIFU ablation.PLoS One，2015，10（2）:e0117358.

[17]Zhang X，Zheng Y，Wang Z，et al.Methotrexate-loaded PLGA nanobubbles for ultrasound imaging and synergistic targeted therapy of residual tumor during HIFU ablation.Biomaterials，2014，35（19）:5148-5161.

[18]Yao MH，Ma M，Chen Y，et al.Multifunctional Bi2S3/PLGA nanocapsule for combined HIFU/radiation therapy.Biomaterials，2014，35（28）:8197-8205.

[19]Chen Y，Chen H，Shi J.Nanobiotechnology promotes noninvasive high-intensity focused ultrasound cancer surgery.Adv Healthc Mater，2015，4（1）:158-165.

[20]Grüll H，Langereis S.Hyperthermia-triggered drug delivery from temperature-sensitive liposomes using MRI-guided high intensity focused ultrasound.J Control Release，2012，161（2）:317-327.

[21]施劍林，陳雨，陳航榕.多功能介孔氧化硅基納米診療劑的研究進(jìn)展.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2013，28 （1）:1-11.

（本文編緝 馮 婕）

R445.1；R730.59

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.05.020

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81371563）；全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”計(jì)劃課題（CWS12J076）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011B080701019，2012B031800309，2014A020212255）。

1.第二軍醫(yī)大學(xué) 上海 200433；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所保羅.C.勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心 廣東深圳 518055；3.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院超聲科 廣東廣州 510010

李葉闊 E-mail:yekuoli@163.com

2015-12-07

2016-03-24