龍朦朦,劉東, ,楊芳,顧寧*
(1. 東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210096;2. 皖西學(xué)院生物與制藥工程學(xué)院,安徽 六安 237012)
超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)是將醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)、電子科技以及光學(xué)等高科技技術(shù)相結(jié)合的一門(mén)技術(shù),其幾乎應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的各個(gè)階段,包括常規(guī)篩查、診斷測(cè)試、疾病分期、手術(shù)輔助和治療后監(jiān)測(cè)[1-2]。在超聲醫(yī)學(xué)中,超聲波的應(yīng)用最為廣泛,特別在超聲成像領(lǐng)域[3]。超聲成像具有使用方便、無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)觀察、實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)放射性污染、生物安全性高等優(yōu)點(diǎn),是一種廣泛應(yīng)用于多種疾病診斷的工具[4]。微泡(microbubbles,MBs)由于在超聲作用下具有獨(dú)特的非線性效應(yīng)和強(qiáng)聲散射,有利于獲得增強(qiáng)的超聲造影圖像[5]。Gramiak和Shah在對(duì)主動(dòng)脈根部超聲心動(dòng)圖的觀察中首次提出氣泡具有增強(qiáng)超聲信號(hào)的作用[6],此后,微泡作為超聲造影劑受到越來(lái)越多的重視,并逐步在臨床上得到應(yīng)用。
微泡一般由氣核和穩(wěn)定殼膜組成。氣泡的包被材料一般是由脂質(zhì)、聚合物或蛋白質(zhì)組成,它們應(yīng)具有良好的生物兼容性且靜脈注射時(shí)比較安全。其中磷脂作為微氣泡的殼膜比交聯(lián)的聚合物硬殼更具柔韌性,超聲作用下,更易收縮、破裂、彎曲或再鋪展,從而增強(qiáng)微泡對(duì)聲波的敏感性[7]。因此,與其他類型的微泡相比,脂質(zhì)微泡具有更好的應(yīng)用前景。市售的超聲造影劑如Definity?、Lightity?、SonoVue?、Levovist?等都采用了脂質(zhì)殼膜[8]。
隨著脂質(zhì)微泡的發(fā)展,其不僅作為超聲造影劑對(duì)血栓、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、炎癥區(qū)域和腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)的血管生成進(jìn)行分子成像,還可以作為超聲靶向觸發(fā)的藥物和基因傳遞系統(tǒng),成為一種治療工具[9]。靶向配體通過(guò)脂質(zhì)微泡表面所修飾的聚乙二醇(PEG)結(jié)合到微泡表面,藥物負(fù)載在脂質(zhì)外殼中,形成能夠靶向特定區(qū)域的載藥脂質(zhì)微泡[10]。作為藥物遞送系統(tǒng),載藥脂質(zhì)微泡具有降低藥物使用劑量、靶向定位釋藥、減輕毒副作用、提高治療效果等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)診斷-治療一體化[11]。近年來(lái),脂質(zhì)微泡引起眾多研究者的關(guān)注,并被設(shè)計(jì)出各種各樣用于多模式分子成像、腫瘤治療、溶栓、心血管給藥和跨血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)給藥等的載藥脂質(zhì)微泡[12-14]。本文首先對(duì)脂質(zhì)微泡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,然后介紹脂質(zhì)微泡常見(jiàn)載藥方法,最后對(duì)其在超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用進(jìn)行闡述,并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。
脂質(zhì)微泡主要由脂質(zhì)殼和氣核組成。脂質(zhì)外殼包括穩(wěn)定的脂質(zhì)層和乳化劑。組成脂質(zhì)微泡的每個(gè)組件均可影響微泡的穩(wěn)定性和功能性,例如使用氧氣作為填充氣體對(duì)于需要快速氧氣輸送的應(yīng)用有其必要性[15],但對(duì)于需要更長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間的診斷應(yīng)用效果較差。因此,可溶性較差的氣體,如全氟碳化合物(PFC),通常被選擇用于診斷應(yīng)用[9]。針對(duì)不同的應(yīng)用,可以通過(guò)調(diào)節(jié)表面連接的化學(xué)成分對(duì)微泡外殼進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。例如,可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)PEG-脂質(zhì)進(jìn)行修飾,從而開(kāi)發(fā)出具有靶向功能并能屏蔽配體介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)的脂質(zhì)微泡[10]。以下對(duì)載藥脂質(zhì)微泡的主要成分及其影響微泡穩(wěn)定性的可能機(jī)制進(jìn)行介紹。
氣核是微泡系統(tǒng)的關(guān)鍵功能元件,大多選擇六氟化硫(SF6)、全氟乙烷(C2F6)或全氟丙烷(C3F8)等高相對(duì)分子質(zhì)量、低溶解度氣體作為氣核成分,這類氣體不易從微泡中溢出,能有效保持微泡的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)微泡在血液中循環(huán)時(shí)間,表現(xiàn)出更高的回聲[16]。對(duì)于氧氣、硫化氫、氙氣、一氧化氮等治療性氣體輸送,氣核僅僅是被輸送的治療“貨物”[17],但在超聲成像應(yīng)用中,氣核對(duì)聲波具有高度響應(yīng)性,在毫米級(jí)縱向超聲波傳播過(guò)程中,氣核的非線性振動(dòng)能產(chǎn)生很強(qiáng)的聲散射信號(hào),用于圖像增強(qiáng)[18]。此外,氣核在超聲波的刺激下可能會(huì)塌陷(即慣性空化),產(chǎn)生剪應(yīng)力,導(dǎo)致血管通透性增加[13],利于藥物或基因輸送[19]。
脂質(zhì)殼通常由具有較長(zhǎng)脂肪鏈的高度飽和、穩(wěn)定性高的磷脂組成,例如二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(DSPE)、二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)、二棕櫚酰磷酯酰乙醇胺(DPPE)等。用于微泡設(shè)計(jì)的脂質(zhì)由親水性(鹽)頭基和疏水(油)烴尾部組成。頭基通常是兩性離子成分,如磷膽堿(PC)或磷乙醇胺(PE),其還可以通過(guò)化學(xué)方法來(lái)調(diào)節(jié)微泡特性,例如,帶電的頭基可以被取代,以允許DNA或帶相反電荷的聚離子的沉積,以用于逐層組裝[20]。與脂質(zhì)體一樣,脂質(zhì)微泡的脂質(zhì)殼層可以通過(guò)化學(xué)修飾來(lái)調(diào)整性能,為診斷和治療應(yīng)用提供了一個(gè)有用的平臺(tái)。脂質(zhì)分子的碳?xì)浠衔镂膊?,通常選擇溶解度低、堆積順序高且可顯著降低表面張力的飽和的雙酰基鏈。對(duì)于飽和的雙?;湢钪?,亞甲基的加入增加了脂類分子之間的疏水性和范德華引力,從而增加了殼層的剛性[21-22]。與較短的脂鏈相比,這種剛性通常導(dǎo)致較低的氣體滲透性、較大的剪切力和擴(kuò)張黏彈性。因此,含有較長(zhǎng)?;湹闹|(zhì)組成的微泡更加穩(wěn)定,易于長(zhǎng)期保存。
乳化劑在微泡制劑中無(wú)處不在,它們能增加微泡的產(chǎn)量和穩(wěn)定性,其通常是磷脂錨定的PEG(如DSPE-PEG2000等)[23]。乳化劑的主要作用是促進(jìn)產(chǎn)生微泡,并防止乳化液和氣泡在形成過(guò)程中的聚結(jié)。PEG乳化劑可以通過(guò)分子間相互作用促進(jìn)脂質(zhì)外殼-微泡的相互融合,從而有助于脂質(zhì)微泡的形成。此外,PEG乳化劑可能會(huì)擾亂脂質(zhì)基質(zhì),使脂類更容易在微泡表面進(jìn)行融合和鋪展。一旦脂質(zhì)單層形成,PEG就會(huì)形成一種立體刷,通過(guò)空間斥力來(lái)抑制微泡的融合,并且PEG立體刷可以防止血漿蛋白吸附在微泡表面,保護(hù)微泡免受調(diào)節(jié)和過(guò)早清除,還可以將配體從微泡外殼上延伸出去,以更好地將這些配體暴露于靶受體[24]。通過(guò)PEG進(jìn)一步對(duì)微泡進(jìn)行化學(xué)修飾,還可實(shí)現(xiàn)不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。對(duì)于核酸輸送,微泡中可以加入PEG化脂質(zhì),以克服陽(yáng)離子脂質(zhì)在組織中的堆積、顆粒聚集和毒性,同時(shí)延長(zhǎng)微泡在體內(nèi)的壽命[25];對(duì)于藥物輸送,PEG能導(dǎo)致細(xì)胞膜上的脂質(zhì)有序性下降,從而增加膜流動(dòng)性,使裝載在微泡中的藥物分子更易于轉(zhuǎn)移到相鄰的細(xì)胞膜,然而,該現(xiàn)象受各種其他配方和生理因素的影響,因此不能僅由PEG濃度進(jìn)行控制[8,26]。
脂質(zhì)微泡作為藥物遞送系統(tǒng),將藥物負(fù)載到微泡中并確定微泡中的載藥量至關(guān)重要,它直接影響到目標(biāo)部位藥物濃度。然而,由于影響藥物和微泡的穩(wěn)定性及性能的參數(shù)多種多樣,該實(shí)現(xiàn)過(guò)程具有一定的復(fù)雜性[8]。到目前為止,已有不少研究報(bào)道了將藥物負(fù)載到脂質(zhì)微泡的不同技術(shù),并研究了不同量化方法以及局限性,如圖1所示[27]。
圖 1 脂質(zhì)微泡的不同負(fù)載技術(shù)示意圖[27]Figure 1 The illustration of different loading techniques for lipid microbubbles[27]
脂質(zhì)微泡最簡(jiǎn)單的負(fù)載方法是將藥物直接結(jié)合到微泡的外殼中。其脂質(zhì)殼具有兩親性結(jié)構(gòu),因此能夠負(fù)載兩親性[28]、親水性[29]或疏水性藥物[30]。該方法操作簡(jiǎn)單,藥物在超聲啟動(dòng)后能夠迅速釋放,但藥物可能會(huì)影響外殼的穩(wěn)定性和微泡行為,且微泡釋放可能發(fā)生在體內(nèi)微泡易被捕獲的區(qū)域,如肺[31]、脾臟[32]或肝臟[33]。微泡的載藥量可用已知的載藥面積、疏水性和溶解度等參數(shù)來(lái)估算,也可采用離心法測(cè)量,通過(guò)離心將微泡與游離藥物分離,進(jìn)而將載藥脂質(zhì)微泡進(jìn)行破膜處理,釋放出所負(fù)載藥物后測(cè)定藥物濃度[34]。
通過(guò)靜電相互作用可以實(shí)現(xiàn)親水性藥物或藥物載體在微泡表面的直接結(jié)合[35]。一般通過(guò)設(shè)計(jì)具有與藥物或藥物載體相反電荷的微泡,經(jīng)過(guò)靜電吸引的作用將藥物或藥物載體結(jié)合在微泡表面??梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)微泡表面的電荷性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì),例如,微泡使用羥基、磷酸基和羧基進(jìn)行修飾則會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷,使用質(zhì)子化的氮基團(tuán)(胺、三甲胺)進(jìn)行修飾則會(huì)帶正電荷。
藥物載體通常需要連接到微泡外殼上實(shí)現(xiàn)載藥,在這些情況下,藥物通常被裝載到第二藥物載體,即聚合物納米顆粒或脂質(zhì)體中,并通過(guò)靜電作用或化學(xué)結(jié)合的方式偶聯(lián)到微泡上[36-37]。這種方式可以通過(guò)藥物包埋降低藥物的系統(tǒng)毒性;此外,與直接摻入殼體相比,藥物載體與殼體的偶聯(lián)可以潛在地提高微泡的載藥量。Kheirolomoom等[38]計(jì)算出大約多達(dá)10 000個(gè)100 nm的脂質(zhì)體通過(guò)親和素-生物素連接裝載到平均直徑為1.7 μm的單個(gè)微泡上,與單個(gè)微泡相比,僅通過(guò)附著這些脂質(zhì)體就可使表面積增加近35倍[39]。通常通過(guò)功能配體將載體與殼膜進(jìn)行結(jié)合,常見(jiàn)的連接劑是PEG,原因是其毒性低、成本低、易于操作,且易得到不同形式的PEG及其偶聯(lián)物[40]。對(duì)于脂質(zhì)微泡,PEG可以在微泡制備前進(jìn)行連接,以減少易碎微泡的處理步驟,或者將具有官能團(tuán)的PEG-脂質(zhì)結(jié)合物在微泡制備過(guò)程中直接摻入。未反應(yīng)的PEG分子可以通過(guò)洗滌和尺寸排除色譜(SEC)從微泡中分離,并通過(guò)折射率檢測(cè)進(jìn)行定量[41]。
親和素-生物素是常用的非共價(jià)鍵之一,其使用簡(jiǎn)單,且易獲得帶有生物素或親和素配體的PEG連接物或PEG-脂質(zhì)結(jié)合物。親和素-生物素對(duì)廣泛的緩沖條件具有高度的耐受性,因此常用來(lái)制備脂質(zhì)微泡用于藥物、核酸或成像劑的遞送[42]。一般通過(guò)廣泛使用的熒光生物素或親和素來(lái)定性確定摻入微泡外殼中的物質(zhì),也可通過(guò)使用2-(4'-羥基偶氮苯)苯甲酸(HABA)的比色和熒光測(cè)試快速測(cè)定樣品中的生物素水平以定性測(cè)量結(jié)合在脂質(zhì)微泡上的藥物或其他物質(zhì)[43]。然而,有些微泡制劑中使用的生物素化脂質(zhì)的比例很低,通常物質(zhì)的量比介于5% ~ 10%,因此以該種方式研究微泡,即使是熒光HABA分析也難以確定生物素的數(shù)量[27]。
在碳二亞胺化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)中,羧基通常先使用N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)或N-羥基磺基琥珀酰亞胺(sulfo-NHS)和1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二酰亞胺(EDC)活化成能與氨基形成共價(jià)鍵的配體化合物,再與氨基反應(yīng)生成碳二亞胺。具有羧基的脂質(zhì)微泡外殼可被EDC/NHS活化以結(jié)合使用氨基官能化的藥物或藥物載體[44],也可以將含有羧基的藥物或藥物載體使用EDC/NHS活化后與具有氨基基團(tuán)的脂質(zhì)微泡進(jìn)行反應(yīng),從而將藥物或藥物載體連接在脂質(zhì)微泡表面[45]。脂質(zhì)-PEG-NHS結(jié)合物可在脂質(zhì)微泡制備過(guò)程中直接摻入,然而以這種方式形成的碳-氮鍵具有不可逆性。此外,由于反應(yīng)試劑對(duì)溫度、pH和時(shí)間的敏感性,導(dǎo)致該類反應(yīng)的進(jìn)行和優(yōu)化具有挑戰(zhàn)性。
脂質(zhì)微泡表面的PEG可使用馬來(lái)酰亞胺或含吡啶基二硫化物修飾,使用巰基功能化的藥物能與馬來(lái)酰亞胺或含吡啶基二硫化物反應(yīng)生成硫醚鍵和二硫鍵,從而將藥物連接在脂質(zhì)微泡上[46]。馬來(lái)酰亞胺試劑比EDC/NHS更穩(wěn)定,并能形成穩(wěn)定的硫醚鍵。馬來(lái)酰亞胺基團(tuán)的存在可采用市售的熒光分析試劑盒或分光光度法[47]來(lái)檢測(cè);含吡啶基二硫化物與巰基形成的二硫鍵,可用340 nm處的吸光度檢測(cè)[48]。
微泡早期在超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)上主要應(yīng)用于超聲分子成像領(lǐng)域,隨著微泡技術(shù)的發(fā)展,微泡除了作為超聲造影劑增強(qiáng)超聲信號(hào)外,還可以作為超聲介導(dǎo)的藥物遞送系統(tǒng),通過(guò)超聲靶向微泡破壞(ultrasound-targeted microbubble destruction,UTMD)技術(shù)將藥物靶向遞送至病灶區(qū)域并釋放出所負(fù)載藥物,實(shí)現(xiàn)診斷-治療一體化[49]。研究顯示超聲能夠增加微血管壁的通透性,同時(shí)也能促進(jìn)藥物外滲和向靶組織的輸送;臨床前研究也表明,超聲與微泡聯(lián)合使用可增加細(xì)胞膜的通透性,從而增強(qiáng)分子、納米顆粒和其他治療劑的組織分布和細(xì)胞內(nèi)藥物傳遞[19]。通透性增強(qiáng)的機(jī)制是通過(guò)高強(qiáng)度超聲波和微泡相結(jié)合產(chǎn)生的一種“聲空化”效應(yīng),在低超聲強(qiáng)度(0.3 ~ 3 W · cm-2)下,聲空化可能是由微泡穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)引起的,也稱為穩(wěn)定空化;而在較高的超聲強(qiáng)度(大于3 W · cm-2)下,聲空化通常伴隨著微泡的爆炸性增長(zhǎng)和崩塌的慣性空化[50]。
利用微泡進(jìn)行的超聲治療已被證明是一種通過(guò)微泡增強(qiáng)微血管通透性來(lái)提高藥物攝取率的高效方法,而且微泡介導(dǎo)的藥物輸送可以潛在地克服對(duì)周圍正常組織的不可逆熱損,能減輕藥物對(duì)正常組織的毒性作用[19]。與其他類型的微泡相比,脂質(zhì)微泡柔性更好,對(duì)臨床超聲頻率的刺激表現(xiàn)出更好的應(yīng)答,并且脂質(zhì)可以在所含氣體和周圍血液之間形成一致的單層屏障,以防止注射后血栓的形成,因此脂質(zhì)微泡在超聲醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用[5]?,F(xiàn)從超聲分子成像、癌癥治療、超聲溶栓、跨血腦屏障給藥等方面闡述脂質(zhì)微泡在超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用。
超聲分子成像是微泡應(yīng)用的最早領(lǐng)域,在過(guò)去幾十年中,微泡超聲造影劑的出現(xiàn)增強(qiáng)了超聲作為一種醫(yī)學(xué)成像手段的能力,其可對(duì)血栓、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、炎癥區(qū)域和腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)的血管[51]生成進(jìn)行分子成像,并促進(jìn)了癌癥檢測(cè)、治療和治療后監(jiān)測(cè)的創(chuàng)新策略。近幾年,隨著微泡技術(shù)的發(fā)展,脂質(zhì)微泡用于成像的策略越發(fā)新穎。Meng等[52]設(shè)計(jì)了一種將脂質(zhì)微泡轉(zhuǎn)化為納米粒的超聲(US)響應(yīng)型光聲成像(PA)探針(Au@lip MBs),用于活體“無(wú)背景”的光聲成像。如圖2所示,Au@lip MBs由負(fù)載金納米顆粒(Au NPs)的脂質(zhì)微泡組成。Au@lip MBs在近紅外光(NIR)激發(fā)下具有較低的PA信號(hào),但在超聲脈沖作用下,其會(huì)發(fā)生破裂形成納米尺度的Au@lip納米粒子聚集體,由于紅移的表面等離子體共振,這些納米粒子表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的近紅外光聲(NIR PA)信號(hào)。因此,通過(guò)從超聲后捕獲的PA圖像減去超聲前捕獲的,可以扣除組織背景PA信號(hào),以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的無(wú)背景PA成像。該研究可以啟發(fā)下一代US/PA雙模顯像劑的設(shè)計(jì),有望精確檢測(cè)具有強(qiáng)吸收背景的組織或具有復(fù)雜血管組織的器官。
圖 2 微泡超聲響應(yīng)型光聲成像探針用于活體“無(wú)背景”光聲成像模式圖[52]Figure 2 The illustration of microbubbles (MBs) ultrasound responsive photoacoustic imaging probe for"background-free" photoacoustic imaging pattern in vivo[52]
具有多模式成像功能的脂質(zhì)微泡成為近期研究的熱點(diǎn)。Huynh等[53]采用了一種使用低頻超聲(LFUS)將卟啉脂質(zhì)微泡(PMBs)轉(zhuǎn)化為納米顆粒用作超聲、光聲和熒光成像的三模態(tài)造影劑進(jìn)行多模式成像。當(dāng)暴露在超聲波下時(shí),負(fù)載全氟碳?xì)怏w的PMBs破裂并形成更小的具有與原始微泡相同光學(xué)特性的納米顆粒。并且,這種轉(zhuǎn)化在荷瘤小鼠中是可能的,可以用光聲成像進(jìn)行驗(yàn)證。超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)作為無(wú)機(jī)生物材料,因其獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性而備受關(guān)注。SPIONs可被引入到微泡外殼中,由此產(chǎn)生的復(fù)合微泡結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用于超聲與核磁共振(MR)相結(jié)合的多模式成像和藥物輸送[54]。Yan等[55]采用層層自組裝的方法將磁性Fe3O4納米顆粒通過(guò)靜電作用結(jié)合到脂質(zhì)微泡的表面,制備具有超聲和磁場(chǎng)雙重響應(yīng)特性的磁性脂質(zhì)微泡;Park等[56]設(shè)計(jì)了可將不同類型的納米顆粒(包括Fe3O4或Au)附著到表面的穩(wěn)定脂質(zhì)微泡,用于增強(qiáng)US成像、MR成像或PA成像對(duì)比度。此外,還可以錳螯合卟啉脂質(zhì)為原料,包裹C3F8惰性氣體,制備出集US成像和MR成像于一體的脂質(zhì)微泡,并在US和MR成像中均表現(xiàn)出良好的對(duì)比度增強(qiáng)[57]。
總之,脂質(zhì)微泡易于功能化,能夠與其他成像技術(shù)相結(jié)合,以促進(jìn)多模式成像,這也是脂質(zhì)微泡在超聲分子成像應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著成像技術(shù)的發(fā)展,脂質(zhì)微泡的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯,有望成為新一代成像劑,用于多模式成像,推動(dòng)智能化醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展。
在諸多應(yīng)用中,超聲微泡(USMB)介導(dǎo)的藥物傳遞在癌癥治療方面顯示出巨大的潛力,同時(shí)也是一種相對(duì)安全和低成本的方法。微泡可與抗癌藥物或藥物載體結(jié)合在一起,以允許同時(shí)給藥或單獨(dú)給藥。超聲波照射后,血管中的微泡在腫瘤組織經(jīng)歷空化和塌陷,這些機(jī)械效應(yīng)將會(huì)破壞或打開(kāi)腫瘤組織內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接,導(dǎo)致血管通透性增加。因此,抗癌藥物可以在腫瘤部位被特異性地?cái)z取并發(fā)揮治療作用。這種方法允許具有較高選擇性的治療藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞,因此,超聲引導(dǎo)的靶向給藥可以減少全身毒性,同時(shí)確保治療部位的高劑量局部給藥。此外,由于脂質(zhì)微泡脂質(zhì)外殼具有兩親性結(jié)構(gòu)且表面易于修飾,其可負(fù)載化療藥物[58]、小分子核酸[59]、抗體[35]、光敏劑[60]等不同類別的藥物,故能針對(duì)癌癥進(jìn)行化療、基因治療、免疫治療、光動(dòng)力治療(photodynamics therapy,PDT),或?qū)追N療法相結(jié)合進(jìn)行協(xié)同治療,從而提高療效,同時(shí)減小對(duì)正常組織的毒副作用。例如,Li等[44]設(shè)計(jì)了一種負(fù)載化療藥物多西他賽(docetaxel,DTX)并使用PD-L1單克隆抗體(anti-PD-L1-mAb)修飾的多功能脂質(zhì)微泡(PDMs),用于肺癌的化療和免疫治療。如圖3所示,圖3A總結(jié)了PD-L1介導(dǎo)的免疫化療脂質(zhì)微泡的合成過(guò)程,即DTX負(fù)載在脂質(zhì)微泡的脂質(zhì)外殼中,PD-L1單抗通過(guò)氨基(-NH2)和羧基(-COOH)形成的碳二亞胺連接在脂質(zhì)微泡表面。如此形成的免疫化療脂質(zhì)微泡通過(guò)尾靜脈注射到體內(nèi)后,在腫瘤部位給予超聲波照射(見(jiàn)圖3B),通過(guò)UTMD技術(shù)破裂微泡釋放所包載的抗癌藥物DTX,使DTX在腫瘤部位得到蓄集,達(dá)到更高的藥物濃度,微泡在超聲作用下的空化和聲孔效應(yīng),促使更多的藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞,從而提高療效。同時(shí),PD-L1單抗在腫瘤部位可以阻斷免疫抑制的PD1/PD-L1途徑,使功能受抑制的免疫細(xì)胞恢復(fù)對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別功能,從而達(dá)到通過(guò)自身免疫系統(tǒng)實(shí)施免疫治療,有效抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。如此設(shè)計(jì)的智能化免疫化療脂質(zhì)微泡,可使藥物在腫瘤部位局部釋放,有效減輕化療藥物以及PD-L1單抗對(duì)正常組織產(chǎn)生的潛在毒性。作者通過(guò)熒光顯微鏡和流式細(xì)胞儀檢測(cè)顯示,小鼠經(jīng)PDMs處理后,腫瘤細(xì)胞對(duì)DTX攝取增加;通過(guò)體內(nèi)熒光成像觀察DTX和PD-L1在腫瘤組織中的分布,結(jié)果表明,PDMs不僅可以提高化療效果,而且可以通過(guò)促進(jìn)CD4+T細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞的增殖,降低血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-beta,TGF-β)等細(xì)胞因子水平來(lái)增強(qiáng)抗腫瘤作用。以上結(jié)果都表明PDMs具有良好的抗腫瘤作用,并且超聲聯(lián)合免疫化療微泡的協(xié)同治療可能是治療多種惡性腫瘤的一種有潛力的方法,有望為聯(lián)合免疫治療開(kāi)辟一條新的途徑。
PDT利用光啟動(dòng)光敏劑,將能量傳遞給組織氧,產(chǎn)生直接導(dǎo)致組織破壞的活性氧物質(zhì)[61]。其因公認(rèn)的選擇性、安全性和可重復(fù)性已成為許多腫瘤的潛在替代療法[62]。微泡是一種很好的輔助PDT用于癌癥治療的候選材料,原因在于微泡可以增強(qiáng)超聲對(duì)比度,有助于更好地定位病變部位,并通過(guò)UTMD技術(shù)靶向輸送光敏劑,這是提高PDT選擇性的關(guān)鍵。You等[63]報(bào)道了一種由卟啉接枝脂質(zhì)(PGL,由雙碳鏈和卟啉組成)、二硬脂酰磷脂酰膽堿(DSPC)、DSPE-PEG2000、膽固醇和惰性氟碳?xì)怏w混合制備而成的微泡(PGL-MBs)。PGLMBs是一種新穎的基于MBs、LFUS輔助的PDT策略,其具有較高的卟啉負(fù)載率,且可以通過(guò)US成像進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),應(yīng)用UTMD技術(shù)可以有效地將PGL-MBs轉(zhuǎn)化為卟啉接枝脂質(zhì)納米粒(PGLNPs),這種“由大到小”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換能促進(jìn)光敏劑在腫瘤組織中選擇性積聚,對(duì)腫瘤部位進(jìn)行激光照射后可以對(duì)腫瘤起到良好的光動(dòng)力治療效果(見(jiàn)圖4)。此外,Sun等[64]設(shè)計(jì)了負(fù)載低氧誘導(dǎo)因子-1α小干擾RNA(HIF1α-siRNA)的陽(yáng)離子PMBs;Zhao等[60]設(shè)計(jì)了負(fù)載乳腺癌分子分型的重要轉(zhuǎn)錄因子的小干擾RNA(FOXA1-siRNA)的PMBs用于乳腺癌的治療,兩項(xiàng)研究均表明,通過(guò)UTMD技術(shù)將PDT與基因療法相結(jié)合,協(xié)同治療癌癥,均能增強(qiáng)治療效果。
圖 3 新型免疫化療脂質(zhì)微泡形成過(guò)程及協(xié)同治療腫瘤方案[44]Figure 3 The formation process of novel immune chemotherapy lipid microbubbles and collaborative treatment of tumor[44]
圖 4 基于微泡的超聲輔助PDT策略示意圖[63]Figure 4 Schematic diagram of ultrasound-assisted PDT strategy based on microbubbles
腫瘤缺氧被認(rèn)為是限制癌癥治療成功的一個(gè)因素,利用負(fù)載氧氣的脂質(zhì)微泡向腫瘤部位輸送氧氣增強(qiáng)放射治療和PDT等的療效也是腫瘤治療的一個(gè)策略[65]。由于微泡具有聲學(xué)活性,可利用超聲刺激載氧微泡在缺氧腫瘤部位進(jìn)行氧氣釋放。Yang等[66]制備了一種負(fù)載混合氣體(O2/C3F8)的載氧脂質(zhì)涂層微泡(OLMs),該微泡可通過(guò)超聲控制腫瘤特異性氧氣的輸送。研究表明,OLMs表現(xiàn)出較好的氧氣輸送能力,可用于腫瘤復(fù)氧的可控釋氧。McEwan等[67]也研究了在低氧環(huán)境下將載氧微泡與增敏藥物聯(lián)合使用以增強(qiáng)聲動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的可能性,結(jié)果表明,這種將氧氣和增敏藥物遞送至缺氧腫瘤的方法,可以顯著提高聲動(dòng)力治療效果。
微泡用于癌癥的治療主要依賴于UTMD,即利用低頻中功率超聲與微泡聯(lián)合觸發(fā)空化的超聲治療方法[49],其可以促進(jìn)負(fù)載在微泡中的藥物靶向集中在病灶部位,從而針對(duì)性地殺傷腫瘤細(xì)胞,同時(shí)減輕對(duì)正常組織的毒副作用。與其他類型的微泡相比,脂質(zhì)微泡因其獨(dú)特的負(fù)載藥物能力以及易于修飾的特性而具有更大的發(fā)展?jié)摿Α=陙?lái),越來(lái)越多新型多功能的載藥脂質(zhì)微泡被報(bào)道,顯示出其在超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)上正朝著智能化方向發(fā)展,有望利用其改善癌癥治療效果,為癌癥治療提供可行的新策略。
血栓形成是指血液在血管內(nèi)形成凝塊,阻塞通過(guò)心血管系統(tǒng)的血液流動(dòng),是導(dǎo)致心、腦和外周血管事件的關(guān)鍵致病因素,也是導(dǎo)致死亡和殘疾的直接原因。血栓形成的臨床研究主要集中在常見(jiàn)的動(dòng)脈血栓,如卒中或心肌梗死,或靜脈血栓,如深靜脈血栓形成(deep vein thrombosis,DVT);血栓形成也會(huì)影響微循環(huán),對(duì)身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[68]。超聲溶栓(ultrasound thrombolysis,STL)利用微泡與超聲相結(jié)合來(lái)促進(jìn)血栓溶解,是一種微創(chuàng)或非侵入性的物理方法。超聲本身就具有增強(qiáng)溶栓作用,而微泡增強(qiáng)溶栓的機(jī)制通常歸因于超聲誘導(dǎo)的空化,其能導(dǎo)致聲流效應(yīng)、軸向流體加速和高速流動(dòng)梯度,可以穿透和破壞血栓的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[69]。
利用脂質(zhì)微泡對(duì)血栓進(jìn)行分子成像以快速定位血栓在STL的應(yīng)用中至關(guān)重要,Wang等[70]報(bào)道了一種快速、可靠、高靈敏度的可實(shí)現(xiàn)活化血小板特異性CD62p靶向血栓超聲分子成像的方法,首先合成并預(yù)先注射反式環(huán)辛烯(TCO)修飾的CD62p抗體(TCO-antiCD62p),CD62p抗體是血小板黏附受體(P-選擇素)的重要靶向探針,當(dāng)血小板被啟動(dòng)形成血栓時(shí),外膜與血小板α顆粒的融合使P-選擇素暴露在血小板表面[71-72]。因此,在TCOantiCD62p處理的第一步,血栓可與TCO-antiCD62p非共價(jià)結(jié)合并相互作用。隨后加入精制的四嗪標(biāo)記 的 微 泡(tetratrazin-tagged microbubbles,Tetra-MBs),其能與TCO-antiCD62p預(yù)處理的血栓或血小板聚集進(jìn)行快速選擇性反應(yīng),從而可以進(jìn)行實(shí)時(shí)超聲分子成像。由于微泡在空間和時(shí)間上的高度敏感性,這種預(yù)靶向策略在分子水平上為早期檢測(cè)血栓提供了高精度。此外,Tetra-MBS在生理?xiàng)l件下表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性,能夠保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血栓變化的能力。這種基于Tetra-MBs的生物正交靶向分子超聲成像策略也被證明可以成為快速診斷急性血栓形成的一種簡(jiǎn)單而有力的工具。該研究為今后開(kāi)發(fā)診斷、預(yù)防和治療急性血栓的智能化創(chuàng)新策略打開(kāi)了新思路。
最近,不少研究報(bào)道了脂質(zhì)微泡負(fù)載溶栓藥物,通過(guò)超聲波局部啟動(dòng),靶向釋藥抗擊血栓,同時(shí)脂質(zhì)微泡本身在超聲波中產(chǎn)生的空化作用可以在微觀尺度上機(jī)械地破碎凝塊,從而取得不錯(cuò)的溶栓效果。例如,Wang等[73]采用超聲微泡造影劑(SonoVue?)聯(lián)合常見(jiàn)溶栓藥物——尿激酶(urokinase,UK)治療血栓形成,評(píng)價(jià)尿激酶聯(lián)合超聲、微泡在體內(nèi)外溶栓治療DVT的效果。在體外,使用形成時(shí)間分別為1、3、7、14和21 d的血栓用于溶栓;在體內(nèi),用45只成年雜種犬評(píng)價(jià)體內(nèi)血栓形成情況。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)分析表明,與UK單獨(dú)使用和UK+US聯(lián)合使用相比,UK+US+MBs的溶栓效果最佳,溶栓率顯著提高,表明超聲與微泡造影劑、尿激酶聯(lián)合應(yīng)用可能具有協(xié)同溶栓作用,同時(shí)超聲和微泡的組合會(huì)減少尿激酶的劑量并降低藥物的不良反應(yīng)。
微泡增強(qiáng)的超聲溶栓治療是增加當(dāng)前溶栓藥物治療的耐受性和療效的有前途的方法,然而,在血栓部位保持足夠治療濃度的微泡和溶栓藥物仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為此,De Saint Victor等[74]設(shè)計(jì)了一種新型的具有磁性靶向功能的脂質(zhì)微泡,負(fù)載新型的血栓溶解劑——組織型纖溶酶原激活物(tissue type plasminogen activator,tPA)進(jìn)行超聲溶栓。該磁性靶向微泡是將粒徑為10 nm的磁鐵納米粒和tPA負(fù)載在脂質(zhì)微泡中形成。實(shí)驗(yàn)使用蘇木素伊紅(hematoxylin & eosin,H&E)染色研究了不同處理對(duì)血凝塊結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果顯示血凝塊給予有磁場(chǎng)的tPA+US的磁性微泡處理后,與tPA單獨(dú)處理、tPA+US處理和無(wú)磁場(chǎng)的tPA+US的磁性微泡處理相比,其對(duì)血凝塊有明顯的溶解效果。該研究在體外闡明了磁性靶向可以顯著加速超聲時(shí)微泡增強(qiáng)的酶促超聲溶栓作用,并有可能減少給藥劑量,使血管再通更快實(shí)現(xiàn)。與無(wú)磁力的微泡相比,使用磁性靶向時(shí),觀察到的血栓的裂解速率增加了3倍以上。這些結(jié)果表明,在微泡介導(dǎo)的超聲溶栓治療閉塞性疾病的應(yīng)用中,磁性靶向具有增強(qiáng)治療功效和患者耐受性的潛力。
大多數(shù)超聲溶栓研究都基于非阻塞性血栓,主要通過(guò)微通道或旁路輸送微泡和溶栓劑。然而臨床上大多數(shù)血栓是阻塞性的,微泡誘發(fā)的聲空化只能發(fā)生在接觸的血栓邊緣,使其溶解血栓的效率降低。Gao等[75]報(bào)道了一種將導(dǎo)管定向療法(catheterdirected therapy,CDT)與超聲溶栓技術(shù)相結(jié)合的溶栓治療方法。CDT也稱為血管內(nèi)療法,可以機(jī)械去除大部分或部分血栓或直接將較高濃度的血栓溶解劑遞送至血管內(nèi)血凝塊,其是血栓形成疾病的替代方法。CDT可增加血塊中微泡的局部濃度,再進(jìn)行超聲處理,微泡產(chǎn)生足以擊碎血栓的聲空化。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)可以加快血栓栓塞性血管的再通,并減少溶栓劑的施用,從而改善溶栓效果并降低溶栓相關(guān)副作用發(fā)生率。
BBB限制了分子在人體與腦實(shí)質(zhì)之間的運(yùn)輸,本質(zhì)上,只有具有低相對(duì)分子質(zhì)量和疏水性的藥物才能跨過(guò)BBB到達(dá)腦實(shí)質(zhì)[76]。針對(duì)帕金森病、阿爾茨海默病和腦瘤等腦部疾病,需通過(guò)特殊的藥物輸送系統(tǒng)將藥物輸送到腦實(shí)質(zhì)中,因此,開(kāi)發(fā)增強(qiáng)BBB通透性的方法意義重大。通常認(rèn)為,MBs在聲場(chǎng)中的膨脹和塌陷使細(xì)胞膜或微脈管系統(tǒng)發(fā)生通透性變化,從而有利于血管內(nèi)的藥物或基因向組織遞送。近年來(lái)有文獻(xiàn)報(bào)道,聚焦超聲(focused ultrasound,F(xiàn)US)結(jié)合靜脈注射MBs可用于無(wú)創(chuàng)、局部和可逆地打開(kāi)BBB,實(shí)現(xiàn)非侵入性、暫時(shí)性和局部性腦內(nèi)給藥[77]。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)增加局部BBB的通透性,允許部分大分子和小分子運(yùn)輸?shù)剿璧拇竽X區(qū)域,而不依賴于增強(qiáng)的滲透性和滯留(enhanced permeability and retention,EPR)效應(yīng)[78]。脂質(zhì)微泡由于脂質(zhì)殼層親脂的性質(zhì)以及易于功能化和負(fù)載治療藥物,并具有良好的生物兼容性,常被用于與FUS相結(jié)合打開(kāi)BBB進(jìn)行藥物或基因遞送[79]。例如,Huang等[80]通過(guò)多聚L-賴氨酸(poly-L-lysine,PLL)的逐層組裝技術(shù)將質(zhì)粒連接到脂質(zhì)微泡的表面,在核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)誘導(dǎo)下,使用FUS和裝載DNA質(zhì)粒的脂質(zhì)微泡實(shí)現(xiàn)基因的腦內(nèi)靶向輸送;Fan等[81]開(kāi)發(fā)了負(fù)載治療劑[阿霉素(DOX)]并與SPIONs偶聯(lián)的多功能脂質(zhì)微泡(DOX-SPIONs-MBs),在充當(dāng)MRI和US雙重造影劑的同時(shí),打開(kāi)BBB并執(zhí)行磁靶向的藥物輸送;此外,負(fù)載DNA(熒光素酶質(zhì)粒)和偶聯(lián)葉酸的陽(yáng)離子脂質(zhì)微泡傳遞系統(tǒng)也被構(gòu)建并用于BBB開(kāi)放和選擇性基因傳遞[82]。
超聲啟動(dòng)MBs可誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)化為納米顆粒(NPs),這種“由大變小”的策略可以進(jìn)一步增加藥物對(duì)腫瘤和腦組織等多種組織的輸送[83]。例如,Zhao等[84]制備了含磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)的脂質(zhì)微泡(PS-MBs),通過(guò)UTMD暫時(shí)打開(kāi)腦梗死晚期的BBB,此外,PS-MBs可在超聲波作用下轉(zhuǎn)化為更易于通過(guò)BBB的PS-NPs,然后被活化的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞(microglia/macrophage,M/M)吸收,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)炎癥區(qū)域的遞送(見(jiàn)圖5)。研究表明,PS-MBs結(jié)合超聲暴露可以安全地打開(kāi)BBB,且所得的PS-NPs可進(jìn)一步靶向神經(jīng)炎癥中活化的M/M,而這種靶向性主要?dú)w功于PS頭基的磷酸化-L-絲氨酸。
圖 5 磷脂酰絲氨酸脂質(zhì)微泡靶向活化的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞治療卒中炎癥的示意圖[84]Figure 5 The illustration of phosphatidylserine microbubbles targeting activated microglia/macrophages for stroke inflammation treatment [84]
FUS與MBs相結(jié)合打開(kāi)BBB進(jìn)行藥物或基因的遞送用于治療腦相關(guān)疾病,其藥物傳遞效率和機(jī)制已在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病動(dòng)物模型中得到了廣泛的研究。這項(xiàng)技術(shù)可用于在不發(fā)生腦損傷的情況下,在特定區(qū)域進(jìn)行非侵入性和暫時(shí)性的藥物輸送,屬于較為智能的藥物輸送方式。最近,相關(guān)臨床試驗(yàn)也對(duì)FUS與MBs相結(jié)合打開(kāi)BBB的治療策略進(jìn)行了評(píng)估,例如,使用低功率MR引導(dǎo)的經(jīng)顱FUS和Definity?相結(jié)合進(jìn)行BBB開(kāi)放的臨床試驗(yàn)[85],以及使用非聚焦超聲與SonoVue?相結(jié)合打開(kāi)BBB的臨床試驗(yàn)[86]。這些臨床試驗(yàn)招募了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和阿爾茨海默病等患者,超聲和微泡的組合被證明可以誘導(dǎo)其腦組織中的BBB開(kāi)放,而對(duì)大腦無(wú)明顯的損害。因此,利用超聲和微泡打開(kāi)BBB正被廣泛應(yīng)用到臨床研究中。隨著脂質(zhì)微泡技術(shù)的發(fā)展,更加智能化的通過(guò)FUS打開(kāi)BBB的藥物輸送系統(tǒng)有望被設(shè)計(jì)出來(lái),并向臨床轉(zhuǎn)化,更進(jìn)一步推進(jìn)脂質(zhì)微泡在超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)上的發(fā)展。
微泡的外殼可由多種材料制成,包括蛋白質(zhì)、表面活性劑、脂質(zhì)、聚合物和聚電解質(zhì)多層膜等[87],與其他類型的微泡相比,脂質(zhì)微泡具有更多優(yōu)勢(shì),原因在于脂質(zhì)微泡具有以下特性:1)穩(wěn)定性好。與表面活性劑氣泡相比,脂質(zhì)微泡具有穩(wěn)定的脂質(zhì)殼層,并能延長(zhǎng)在血液中的循環(huán)時(shí)間,造影持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。2)具有安全性。構(gòu)成脂質(zhì)層的磷脂膜具有良好的生物相容性且可以生物降解,對(duì)人體無(wú)害。3)藥物負(fù)載方式多樣性。脂質(zhì)殼層的兩親性結(jié)構(gòu),決定了脂質(zhì)微泡可以負(fù)載親水、親油或兩親性藥物,且殼層表面易于修飾,從而可以通過(guò)靜電作用、化學(xué)反應(yīng)或配體結(jié)合的方式連接更多類型的藥物或配體。4)靶向性。脂質(zhì)殼層易于功能化,可以連接靶向特定部位的靶分子,增強(qiáng)靶向性。
脂質(zhì)微泡與超聲波的結(jié)合最早應(yīng)用于超聲分子成像領(lǐng)域,但隨著微泡技術(shù)的發(fā)展,除了在診斷領(lǐng)域體現(xiàn)的靶向成像外,脂質(zhì)微泡作為藥物和基因的輸送系統(tǒng)用于疾病的治療也取得了一定的進(jìn)展,特別是在跨越BBB的藥物輸送和癌癥治療方面。載藥脂質(zhì)微泡與超聲相結(jié)合除了在分子成像、癌癥治療、超聲溶栓和跨越BBB給藥等方面的應(yīng)用以外,還可以用于治療泌尿系統(tǒng)感染[42]與結(jié)石[88]、黏膜疫苗接種[89]、經(jīng)皮給藥[90]、治療性氣體輸送[17]等。因此,脂質(zhì)微泡在超聲醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯,也逐漸成為一種備選的治療方案,推動(dòng)智能化超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
然而,載藥脂質(zhì)微泡仍然存在以下問(wèn)題需要進(jìn)一步研究:1)克服脂質(zhì)微泡與超聲相結(jié)合對(duì)機(jī)體帶來(lái)的潛在毒副作用,例如超聲與微泡相結(jié)合導(dǎo)致的空化效應(yīng)對(duì)組織或血管帶來(lái)的損傷;2)提高脂質(zhì)微泡的載藥率和包封率;3)提高載藥脂質(zhì)微泡的靶向性;4)明確載藥脂質(zhì)微泡在體內(nèi)的代謝途徑。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)載藥脂質(zhì)微泡研究的不斷深入,相信這些問(wèn)題都會(huì)在將來(lái)得到很好的解決??偠灾d藥脂質(zhì)微泡和超聲波的結(jié)合具有很大的應(yīng)用潛力,不僅可以被設(shè)計(jì)成為多模式的成像系統(tǒng),還可以作為藥物遞送系統(tǒng)用于重大疾病的治療,例如癌癥、神經(jīng)性疾病、腦卒中和血栓等,使超聲醫(yī)學(xué)逐漸朝著更加智能化的方向發(fā)展。