趙婉亦，尹立雪

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院超聲醫(yī)學研究所，超聲心臟電生理學與生物力學四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

超聲輻照聯(lián)合微泡在缺血性心臟病治療中的基礎(chǔ)研究進展

趙婉亦1，尹立雪2△

(1.遵義醫(yī)學院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院超聲醫(yī)學研究所，超聲心臟電生理學與生物力學四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

缺血性心臟病可導致心肌缺血性損傷、甚至心力衰竭，后果嚴重?，F(xiàn)有的藥物和非藥物治療存在不同的局限性，療效有限，限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。有必要探索建立新的治療技術(shù)來拓展和完善缺血性心臟病治療方法。超聲輻照聯(lián)合微泡具有無創(chuàng)性、低毒性和靶向性的特點，已被廣泛應(yīng)用于缺血性心臟病診斷和治療的基礎(chǔ)研究中，已有基礎(chǔ)研究成果為建立全新的缺血性心臟病治療技術(shù)提供了可能。本文綜述近年超聲輻照聯(lián)合微泡的心臟及血管系統(tǒng)治療作用以及相關(guān)基礎(chǔ)研究，以期進一步推動建立臨床實用的超聲缺血性心臟病治療方法。

超聲輻照；微泡；缺血性心臟病

缺血性心臟病(ischemic heart disease，IHD)是冠狀動脈血流與心肌供氧需求不平衡導致的心肌缺血性損傷疾病，最終可導致心力衰竭。IHD最常見的原因是冠狀動脈發(fā)生動脈粥樣硬化引起血管腔狹窄或阻塞，造成心肌缺血、缺氧或壞死。近年超聲治療技術(shù)迅速發(fā)展，其在IHD治療中的基礎(chǔ)研究不斷深入，應(yīng)用也越來越廣泛[1]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)超聲輻照聯(lián)合微泡(ultrasound irradiation combined with microbubble technology，UTMB)可對IHD產(chǎn)生以下影響：擴張冠脈、增加毛細血管密度改善局部血供、預防介入術(shù)后血管再狹窄等。另外，有研究發(fā)現(xiàn)一定強度的超聲輻照或可引起室性早搏，有可能成為一種潛在的體外起搏新方法；也可誘導心臟正性肌力作用，為缺血性心肌病心力衰竭的治療提供了新的思路[2]。本文就超聲輻照聯(lián)合微泡對心臟疾病的潛在治療基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 超聲輻照聯(lián)合微泡治療作用的基本原理

1.1 微泡概述 微泡直徑約1～5 μm，由外殼包裹惰性氣體組成。微泡外殼常由糖類、變性的白蛋白、磷脂或聚合物構(gòu)成[3]，內(nèi)部由全氟化合物或全氟碳化物填充。微泡在超聲輻照下呈非線性的反射信號，可增強圖像的分辨率和對比度，所以微泡又被稱為超聲造影劑(ultrasound contrast agents，UCAs)。利用超聲造影劑可觀察室壁運動協(xié)調(diào)性及心肌灌注、心肌存活和頓抑，有助于準確診斷冠心病急性心肌梗死，評估心肌缺血或梗死范圍及預后。同時，微泡可攜帶基因或藥物穩(wěn)定地存在于血液循環(huán)中，并隨之到達缺血或梗死心肌及血栓處。Fujji等[4]使用超聲輻照聯(lián)合微泡靶向傳遞干細胞生長因子到梗死心肌后，發(fā)現(xiàn)祖細胞數(shù)量和血管密度均有所增加。

1.2 空化效應(yīng)與聲孔效應(yīng) 超聲輻照聯(lián)合微泡治療作用的確切物理和生物學機制仍不完全清楚[5]，其最有可能的潛在機制一直被公認為是空化效應(yīng)[6]。液體中存在的微小氣泡稱為“空化核”，超聲交變聲壓幅值足夠大時，空化核在超聲作用下壓縮、膨脹甚至爆裂的現(xiàn)象稱為空化效應(yīng)，提高聲場聲壓可增加空化效應(yīng)。產(chǎn)生空化效應(yīng)所需的最低聲壓稱空化閾值，超聲微泡可被視為人造的空化核，注入血管后能增加血液中空化核的濃度，降低空化閾值?？栈?yīng)又分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。在低聲壓作用下，微泡直徑保持相對恒定而不破裂，即穩(wěn)態(tài)空化。而較高強度的超聲波輻照液體時，空化核在聲波負壓半周期內(nèi)迅速膨脹，隨后在聲波正壓半周期內(nèi)壓縮后爆破淬滅，這種現(xiàn)象稱為瞬態(tài)空化，微泡靶向基因轉(zhuǎn)染和藥物釋放主要利用了瞬態(tài)空化效應(yīng)。Chen等[7]發(fā)現(xiàn)輻照下微泡大幅度振蕩引起血栓變形并留下凹痕，并可沿超聲傳播方向滲透到血栓內(nèi)部破壞纖維素纖維[8]，其機制可能是穩(wěn)態(tài)空化下微泡振蕩、周圍流場和剪切應(yīng)力形成，或瞬態(tài)空化使微泡爆裂產(chǎn)生微射流。

超聲輻照微泡產(chǎn)生的空化效應(yīng)可使細胞膜產(chǎn)生可逆性的小孔，可逆性的增加組織通透性，稱為聲孔效應(yīng)(sonoporation)。Shang等[9]認為超聲輻照聯(lián)合微泡使血管通透性增加，且其效果可以持續(xù)到輻照后9小時。聲孔效應(yīng)有利于物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運及擴散[10]，是微泡介導基因轉(zhuǎn)染或載藥的原理之一[11]。而當輻照強度過大、時間延長或造影劑濃度增加時，產(chǎn)生的聲孔不可逆，最終導致細胞凋亡轉(zhuǎn)換為致死效應(yīng)[12]。Zhang等[13]認為該效應(yīng)可介導血管平滑肌凋亡，可以解決介入術(shù)后血管再狹窄問題。

2 輻照及聯(lián)合微泡對心肌功能的作用

2.1 起搏心律調(diào)制作用 超聲輻照可誘導健康動物的心臟發(fā)生室性早搏，與輻照強度及時間有關(guān)聯(lián)。Dalecki等[14]使用脈沖超聲(5 ms，10 MPa)使在體蛙心產(chǎn)生室性期前收縮。Macrobbie等[15]發(fā)現(xiàn)在體大鼠舒張期給予脈沖超聲(5 ms，2 MPa)輻照可以誘導產(chǎn)生室性期前收縮，當聲壓為5～10 MPa時室性期前收縮發(fā)生率為35%～45%，隨著脈沖超聲持續(xù)時間減少，期前收縮的發(fā)生率也相應(yīng)減少。Hersch等[1]結(jié)合正壓(50 ms，5.1 MPa)與負壓(1 ms，3.06 MPa)脈沖超聲，應(yīng)用正壓后立即施行負壓脈沖超聲輻照大鼠心臟，心電圖記錄室性早搏發(fā)生率達70%。Hersch等[1]認為可將熱效應(yīng)排除在外，Rota等[16]認為這一現(xiàn)象的機制可能與空化效應(yīng)直接相關(guān)。至于超聲輻照誘導改變心臟節(jié)律的最佳時機，Dalecki等[14]認為是在舒張期，Hersch、Rota等[1,16]則認為是在T波的終點處。

如果使用超聲輻照可以產(chǎn)生新的起搏點而不造成明顯心肌損傷，這將是心臟電生理領(lǐng)域的一種顛覆性技術(shù)，因為應(yīng)用超聲設(shè)備進行起搏將不需要手術(shù)或任何血管內(nèi)介入導管為基礎(chǔ)的治療方式，避免了所有的并發(fā)癥和植入裝置相關(guān)的較高成本[17]，該方法有潛能成為一種新的體外起搏和除顫的方法。

2.2 正性肌力作用 已有研究發(fā)現(xiàn)一定條件的超聲輻照或可以對心肌產(chǎn)生正性肌力作用。蘇莉等[18]使用經(jīng)胸超聲(1.7/3.4 MHz)輻照犬心肌5分鐘后，發(fā)現(xiàn)多數(shù)節(jié)段周向應(yīng)變及應(yīng)變率、徑向應(yīng)變及應(yīng)變率較基礎(chǔ)狀態(tài)有增大趨勢。李文華等[2]發(fā)現(xiàn)單純診斷劑量以及治療劑量超聲輻照在輸出聲能1 W狀態(tài)均可誘導犬在體左心室心肌周向應(yīng)變增大，心肌收縮力增強，產(chǎn)生正性肌力作用。Petrishchev等[19]認為低強度、低頻超聲可刺激離體心臟產(chǎn)生正性肌力作用，增加收縮壓和心室內(nèi)的壓力，實驗發(fā)現(xiàn)在體開胸大鼠短暫實施0.15 W/cm2強度的超聲輻照時，左室收縮功能增強最明顯。Forester等[20]研究了不同強度的連續(xù)波超聲輻照對大鼠離體乳頭肌收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)當超聲強度為0.25～2.0 W/cm2時，左心室收縮功能增強。而Zakharov等[21]認為超聲輻照強度達到3.0 W/cm2時也可增強心肌收縮功能，且心肌正性肌力作用可以持續(xù)到超聲檢查結(jié)束后。Hanawa等[22]第一次將低強度超聲輻照法作為一種潛在的無創(chuàng)性治療方法應(yīng)用在缺血性心肌病中，在豬左心室射血分數(shù)降低的慢性心肌缺血模型上使用低強度脈沖超聲(193 mW/cm2)輻照治療，8周后治療組缺血區(qū)室壁增厚率及左心室射血分數(shù)較對照組明顯提高(P< 0.05)。

心肌缺血時收縮力降低，如果能確定有效的超聲輻照誘導的正性肌力效應(yīng)，并將其應(yīng)用于改善心肌缺血時的負性肌力效應(yīng)，對缺血性心肌病心力衰竭的治療將是一個重要的突破[2]。

2.3 超聲微泡促進基因靶向治療 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)非侵入性誘導干細胞至受損心肌的細胞誘導法可以促進局部灌注、改善功能并促進梗死心肌組織再生[4]。Chang等[23]使用超聲微泡介導骨髓干細胞移植于狗心肌梗死區(qū)域冠脈后，心肌聲學造影測量結(jié)果表明，治療組灌注缺損面積百分比較對照組減少59.2%。Ishikawa等[24]使用微泡靶向傳遞干細胞生長因子到豬梗死心肌，三維超聲心動圖發(fā)現(xiàn)左心室每搏指數(shù)及前負荷做功(preload-recruitable stroke work，PRSW)均增加。Deng等[25]利用微泡介導轉(zhuǎn)染促血管生成素-1至兔梗死心肌，超聲造影發(fā)現(xiàn)心肌灌注增加，超聲心動圖測量左心室射血分數(shù)增加、梗死處心肌增厚。Fujji等[4]用超聲微泡轉(zhuǎn)染SCF及重組人基質(zhì)細胞衍生因子(stromal cell-derived factor，SDF)-1a至SD大鼠梗死心肌，超聲心動圖在舒張末期左心室乳頭肌水平的短軸切面測量梗死心室肌的長度和厚度，發(fā)現(xiàn)隨著治療次數(shù)增多(n=0，1，3，6)，梗死部位心肌逐漸增厚，左心室射血分數(shù)也逐漸增加(P< 0.01)。

超聲輻照聯(lián)合微泡技術(shù)或許是一種更好的促進廣泛梗死后的心臟再生的方法，可非侵入性地完成靶向藥物或基因的轉(zhuǎn)運及釋放，增加靶器官基因或藥物的濃度并最大限度地減少對身體其余部分的影響，并可重復治療直到心肌灌注和心室功能恢復[4]。

3 超聲輻照對血管平滑肌的作用

3.1 擴張冠脈 上世紀90年代初期已有研究發(fā)現(xiàn)[26～28]低頻(20 kHz)高強度侵入性超聲導管可以使動物和人的外周動脈及冠狀動脈擴張。Miyamoto等[29]使用低頻高強度經(jīng)胸脈沖超聲(27 kHz，1.4 W/cm2)輻照犬冠狀動脈，5分鐘后經(jīng)血管內(nèi)超聲及定量冠狀動脈造影發(fā)現(xiàn)冠狀動脈管腔內(nèi)徑分別擴大21%及19.3%，且超聲輻照冠脈擴張效果與冠脈內(nèi)注射硝酸甘油相當。超聲輻照結(jié)束1小時后，冠狀動脈不再擴張，表明輻照擴張冠脈效應(yīng)是可逆的。超聲輻照5分鐘時冠狀動脈擴張最為顯著，隨著輻照時間增加冠狀動脈擴張程度逐漸減小，超聲輻照90分鐘后管腔恢復到原來的大小。超聲輻照90分鐘仍沒有發(fā)現(xiàn)組織發(fā)熱的證據(jù)，因此Miyamoto等[29]認為低頻超聲輻照可無創(chuàng)性地誘導冠狀動脈擴張且與熱效應(yīng)無關(guān)。對于急性冠脈綜合征的患者，超聲輻照是一種潛在的治療方法，可無創(chuàng)性的誘導血管擴張并減少心肌缺血[29，30]。

3.2 預防血管再狹窄、增加血管密度 經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)(percutaneous transluminal coronary artery angioplasty，PTCA)是一種常見的解除冠狀動脈狹窄的介入性治療方法[31]，但介入后再狹窄的復發(fā)率高達30%～50%，平滑肌細胞過度增殖和遷移是導致再狹窄的主要原因[32]。Wei等[33]發(fā)現(xiàn)超聲(21 kHz，46 mW/cm2)輻照可誘導血管平滑肌細胞凋亡。Zhang等[13]應(yīng)用超聲(45 kHz，0.3 W/cm2)輻照誘導平滑肌細胞凋亡率為3%，Zhang等[34]使用超聲 (45 kHz，0.4 W/cm2) 輻照聯(lián)合微泡作用24小時后平滑肌細胞凋亡率達 20%。

血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管內(nèi)皮細胞特異性的肝素結(jié)合生長因子，可在體內(nèi)誘導血管新生。Hanawa等[22]在豬慢性心肌缺血模型上使用脈沖超聲(193 mW/cm2)輻照治療，2周后VEGF表達較治療1周時高，5周后VEGF表達較前顯著升高，8周后左旋支缺血區(qū)域冠脈側(cè)支數(shù)量及心肌局部血流量治療組較對照組明顯增加，且VIII因子陽性血管數(shù)目僅在治療組增加。

綜上所述，超聲輻照及聯(lián)合微泡的方法可降低平滑肌細胞增殖率，無創(chuàng)且有效地預防及改善介入術(shù)后血管再狹窄[13]。此外，超聲輻照聯(lián)合微泡共同作用還可以誘導血管新生，增加毛細血管密度和血管內(nèi)皮生長因子數(shù)量，促進局部血液循環(huán)，加快梗死部位的血供恢復，改善患者的預后[22]。

4 存在問題

盡管從動物研究中取得了一些非常積極的結(jié)果，甚至初步的臨床評價，但微泡與細胞的相互作用機制，治療方案及潛在的有害生物效應(yīng)仍然不明確[35]，最常見的不良反應(yīng)如血管滲漏、出血、破裂、細胞凋亡等。超聲微泡介導基因轉(zhuǎn)染及載藥，如何提高微泡的穩(wěn)定性及基因轉(zhuǎn)移率與載藥量，并更準確地定位治療基因的準確分布及尋找更安全的有效載體等問題也亟待解決。此外，超聲輻照可誘導室性期前收縮發(fā)生，有可能成為一種新的無創(chuàng)、無痛、可靠的體外起搏的方法，但其作用和效果需進一步確定，以便更好地控制室性期前收縮產(chǎn)生的部位和時機。而超聲輻照正性肌力效應(yīng)也還需在更多大型動物實驗中進一步研究，為輔助臨床治療缺血性心肌病拓展新的思路和技術(shù)方法。因此，迫切需要進行更詳盡的研究，以了解和量化輻照及聯(lián)合微泡技術(shù)對細胞的潛在影響，并最終制定更加有效的治療方案，最大限度地提高未來在臨床上的療效及應(yīng)用。

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The progress of fundamental study on the treatment of ischemic heart disease by ultrasound irradiation combined with microbubbles

ZHAO Wan-yi，YIN Li-xue

四川省科研院所科技成果轉(zhuǎn)化資金(編號：11010122)

R541.4；R445.1

B

1672-6170(2017)02-0129-04

2016-09-20；

2016-11-29)

△通訊作者