尹豪豪，張 坤，徐輝雄

同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院超聲醫(yī)學(xué)研究所，上海 200072

分子成像是一種利用探針進(jìn)行非侵入性探測(cè)體內(nèi)生理變化的技術(shù)，能夠在解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前檢測(cè)出疾病，有利于研究疾病的病因、發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)歸，從而實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)治療［1］。超聲波檢查是一種無(wú)創(chuàng)并且可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀(guān)察的成像模式，具有安全性高、成本低及易于操作等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲分子影像一直以來(lái)都是分子影像中研究的重點(diǎn)之一。近年來(lái)超聲分子影像的研究熱點(diǎn)多基于空化效應(yīng)，空化效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象，液體中的微氣核（空化核）在聲波的作用下產(chǎn)生振蕩，當(dāng)聲壓超過(guò)一定值時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹、收縮至內(nèi)爆等一系列變化。氣泡內(nèi)爆的瞬間，泡內(nèi)聚集的能量迅即釋放出來(lái)，微小空間內(nèi)呈現(xiàn)出高溫、高壓、沖擊波和微射流等極端的物理?xiàng)l件，這一過(guò)程稱(chēng)為聲空化效應(yīng)［2］。利用聲空化效應(yīng)，含氣微泡不僅可以作為超聲造影劑，還可以作為藥物和基因的載體。這些負(fù)載藥物/基因的微泡平均粒徑小于紅細(xì)胞，并且在超聲的激發(fā)下可以穿透毛細(xì)血管釋放藥物和基因，諸多研究著眼于如何利用超聲及微泡進(jìn)行藥物/基因的靶向運(yùn)輸。

除微泡外，在過(guò)去幾年中，納米材料的迅速發(fā)展也帶動(dòng)超聲分子影像取得了飛速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的診斷和治療方法相比，納米材料具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：① 與小分子造影劑、藥物不同，納米材料可以更容易地整合多種藥物（成像劑/治療劑），成為具有診斷和治療的多功能納米平臺(tái)。② 由于納米材料有較大空間（如大的比表面積或內(nèi)部空間），大量的成像劑或藥物可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方法載入納米材料。③ 納米材料具有特定的靶向部分，大小和表面性質(zhì)容易進(jìn)行理化修飾，因此可以對(duì)疾病部位進(jìn)行靶向藥物傳遞和成像；與單分子相比，由于納米材料的多價(jià)效應(yīng)，多個(gè)靶向分子可以極大地增強(qiáng)靶向結(jié)合的能力和特異性。④ 合適大小的納米材料和進(jìn)行相應(yīng)表面修飾可以增加血液循環(huán)時(shí)間，減少網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（reticuloendothelial system，RES）對(duì)納米材料的攝取和清除。

近年來(lái)，利用納米材料的不同特性，已制備出多種功能各異的材料用于疾病的診斷和治療。它們可以通過(guò)結(jié)合超聲介導(dǎo)血腦屏障（blood brain barrier，BBB）的開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像、診療一體化、腫瘤微環(huán)境標(biāo)志物監(jiān)控和信號(hào)放大。因此納米材料在超聲分子影像中也逐漸有了舉足輕重的地位。

1 微納米材料結(jié)合超聲介導(dǎo)BBB的開(kāi)放

BBB通?？梢员Ｗo(hù)大腦免受毒素侵害，并有助于維持神經(jīng)元微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。然而B(niǎo)BB也阻斷了98%的小分子藥物和約100%的大分子神經(jīng)治療藥物進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)［3］。BBB的開(kāi)放對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診治顯得尤為重要。研究表明，微泡在增強(qiáng)聚焦超聲（focused ultrasound，F(xiàn)US）的激發(fā)下，可以非侵入性、局部可逆性地打開(kāi)BBB［4］。由于通常使用的微米級(jí)微泡穩(wěn)定性較差，且FUS觸發(fā)的空化效應(yīng)會(huì)引起內(nèi)皮和薄壁組織暴力損傷（如大量的紅細(xì)胞外滲）［5］，因此如何保證有效開(kāi)放，同時(shí)又不損傷正常組織，一直是研究的熱點(diǎn)。BBB的開(kāi)放程度受到許多因素的影響，包括微泡殼材料的種類(lèi)、直徑、濃度和氣核的體積等。第一，微泡殼層材料的組分直接影響微泡殼層的剛性，研究發(fā)現(xiàn)用同樣強(qiáng)度的FUS開(kāi)放BBB，脂質(zhì)微泡比人血清白蛋白微泡更容易打開(kāi)BBB。第二，BBB開(kāi)放的程度及分布還取決于微泡的濃度，進(jìn)入脈管系統(tǒng)的濃度越高，BBB開(kāi)放程度越大。第三，隨著微泡的直徑增加，可以增加對(duì)鄰近細(xì)胞的機(jī)械力并且加強(qiáng)對(duì)血管壁的刺激。第四，微泡中氣體體積也會(huì)影響B(tài)BB的開(kāi)放程度，優(yōu)化微泡中氣體體積可以?xún)?yōu)化BBB開(kāi)啟的效率。

Huang等［5］為了讓藥物能夠有效地穿透血管進(jìn)行靶向成像，優(yōu)化BBB開(kāi)啟的效率，同時(shí)達(dá)到組織損傷最小的目的，設(shè)計(jì)了一種磁引導(dǎo)的微納米泡（micro-nano bubble，MNB），在MNB表面的二氧化硅殼上負(fù)載超順磁性氧化鐵（superparamagnetic iron oxide，SPIO）納米粒子，在磁場(chǎng)的引導(dǎo)下可以明顯地增加局部組織的MNB濃度。這樣既可以安全地打開(kāi)BBB進(jìn)行有效的藥物傳遞，又可以達(dá)到磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）/超聲雙模態(tài)成像，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。這種多功能MNB的成功制備，意味著出現(xiàn)了一種獨(dú)特的新型診療工具，不僅可以打開(kāi)BBB，明顯改善藥物治療效果，還具有多模態(tài)成像的功效。

2 微納米材料介導(dǎo)的多模態(tài)成像

臨床上成像模式通常包括光學(xué)成像、MRI、計(jì)算機(jī)斷層成像（computed tomography，CT）、超聲和正電子發(fā)射體層成像（positronemission tomography，PET）或單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（single photon emission computed tomography，SPECT）。每種儀器都有其特有的優(yōu)點(diǎn)，如PET具有高靈敏度的特點(diǎn)以提供疾病的功能信息；CT和MRI具有高分比率的特點(diǎn)以提供疾病的解剖信息；超聲具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)。每種成像模式有其固有局限性，如靈敏度不足或空間分辨率差等，這使得其難以在疾病部位獲得準(zhǔn)確可靠的信息［6］。為了彌補(bǔ)這些缺陷，不同成像模式可以進(jìn)行組合，如PET/CT、PET/MRI及MRI/超聲，以改進(jìn)成像性能。因此，這些不同成像模態(tài)的組合可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率和動(dòng)態(tài)觀(guān)察，提供疾病更詳細(xì)的解剖學(xué)和生物學(xué)信息。

目前PET/CT、PET/MRI及MRI/CT等多模式探針已經(jīng)較為成熟，超聲多模態(tài)成像研究以及相應(yīng)探針雖然還處在發(fā)展階段，但也引起了廣泛的興趣。Huynh等［7］設(shè)計(jì)了一種微泡，其殼結(jié)構(gòu)由細(xì)菌葉綠素-脂質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)填充全氟丙烷氣體，填充的氣體具有超聲造影的效果，同時(shí)殼中的卟啉具有光學(xué)及熒光特性。在低頻超聲的激發(fā)下，微氣泡破裂為更小的納米顆粒，同時(shí)仍然保持著相應(yīng)的光學(xué)特性。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種微泡具有光聲成像效果，同時(shí)這種微泡到達(dá)腫瘤區(qū)域還可以提高藥物的增強(qiáng)滲透性和保留（enhanced permeability and retention，EPR）效應(yīng)。這種普通高分子卟啉微泡（porphyrin micro bubble，pMB）可以成為超聲、光聲及熒光三重造影劑，此外還響應(yīng)低頻超聲，從而形成納米顆粒，增強(qiáng)EPR效應(yīng)，pMB的出現(xiàn)對(duì)臨床多模態(tài)成像的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。盡管不同的成像技術(shù)可以相互補(bǔ)償，但如何優(yōu)化設(shè)計(jì)納米材料使其能夠充分發(fā)揮不同成像模式的優(yōu)點(diǎn)，仍存在一些困難。例如，PET或近紅外熒光（near-infrared fluorescence，NIRF）成像造影劑能以極低濃度使用，而MRI和CT造影劑需要相對(duì)高的濃度，超聲造影劑需要含氣微泡。因此，需要聚焦于造影劑負(fù)載納米材料中的量，從而發(fā)揮不同成像模式的優(yōu)點(diǎn)，得到更精準(zhǔn)的圖像，進(jìn)行疾病的有效診斷。

3 微納米材料用于超聲介導(dǎo)疾病的治療

高強(qiáng)度聚焦超聲（high intensity focused ultrasound，HIFU）是一種非侵入性、無(wú)放射性的治療方式，是一種理想的癌癥治療方式。但是HIFU在治療過(guò)程中面臨著不可控性、安全性差及精準(zhǔn)度低等問(wèn)題［8］。由于這些問(wèn)題仍然未得到解決，HIFU的大規(guī)模臨床應(yīng)用仍處于初期階段。最近開(kāi)發(fā)的納米生物技術(shù)提供了另一種有效的方法來(lái)克服HIFU中的這些缺憾，用于癌癥治療。HIFU可以通過(guò)FUS的高溫激活納米藥物遞送系統(tǒng)（drug delivery system，DDS），并且僅在超聲作用部位觸發(fā)藥物釋放。然而，超聲能量在某些深部腫瘤組織中的集聚通常不足，因?yàn)槌暷芰繒?huì)隨著組織穿透深度的增加而呈指數(shù)衰減。提高HIFU消融效率的典型策略是增加HIFU照射劑量，但HIFU照射劑量的增加可能導(dǎo)致聲傳播通道中正常組織的損傷。因此，通過(guò)在腫瘤組織中引入有機(jī)/無(wú)機(jī)納米顆粒來(lái)改變癌組織的聲學(xué)環(huán)境，可以部分地解決這一矛盾。納米材料可以在血管中運(yùn)輸，并通過(guò)EPR效應(yīng)在腫瘤內(nèi)部集聚，通過(guò)FUS的熱/機(jī)械/空化效應(yīng)觸發(fā)特殊的相變以形成微泡，協(xié)同增強(qiáng)HIFU消融效率。另外，化療藥物也可以通過(guò)這些納米材料同時(shí)進(jìn)行遞送，并在HIFU觸發(fā)時(shí)釋放，以實(shí)現(xiàn)HIFU/化學(xué)協(xié)同療法［9］。

為了進(jìn)一步提高HIFU治療的功效及安全性，Zhang等［10］設(shè)計(jì)了一種以溫控為特點(diǎn)的“固-液-氣”（solid-liquid-gas，SLG）三相的多功能診療劑，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“液-氣”（liquidgas，LG）雙相診療劑，體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)SLG可明顯提高HIFU治療的功效和安全性。另外，SLG可以負(fù)載多種疏水性和親水性的藥物，還可以延長(zhǎng)藥物在血液內(nèi)的半衰期以及增加在腫瘤內(nèi)的富集量，使得HIFU協(xié)同化療等多種其他治療方法成為可能，為臨床疾病的診治提供了一種新的策略。

4 微納米材料介導(dǎo)的診療一體化

納米技術(shù)的進(jìn)步顯著影響疾病的診斷和治療方式。在過(guò)去的十幾年中，已經(jīng)進(jìn)行了納米顆粒用于藥物遞送和成像的探索。納米顆粒在成像和治療中有很高價(jià)值，具有在細(xì)胞水平上成像和治療疾病的潛力。該領(lǐng)域的前沿研究即設(shè)計(jì)診療一體化的平臺(tái)，重點(diǎn)是將診斷檢測(cè)試劑與治療藥物進(jìn)行結(jié)合、組合。靶向治療和診斷的納米載體為疾病治療帶來(lái)了希望，因?yàn)樗鼈兙哂邪邢蛑委熖囟膊〔课坏哪芰?，同時(shí)還允許非侵入性的監(jiān)測(cè)定位功能［11］。Min等［12］設(shè)計(jì)了一種可以響應(yīng)腫瘤酸性微環(huán)境的納米粒子，CaCO3-MNP在腫瘤酸性微環(huán)境的刺激下激發(fā)CO2的釋放和化療藥物的釋放，可以迅速地達(dá)到超聲造影成像及腫瘤治療的效果。Liu等［13］也設(shè)計(jì)了一種超聲-HIFU多功能的納米顆粒用于腫瘤的精準(zhǔn)消融，過(guò)氧化氫酶在腫瘤微環(huán)境H2O2存在下促進(jìn)O2的產(chǎn)生，在HIFU消融治療的過(guò)程中可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些診療一體化納米材料的出現(xiàn)，為臨床如今面臨的一些問(wèn)題，如消融后殘余灶存在、過(guò)度治療和無(wú)法監(jiān)控等，提供了新的解決方案。

5 展望

超聲分子影像學(xué)發(fā)展迅速，為傳統(tǒng)的診治手段提供了新的理念，但是目前諸多研究仍停留在基礎(chǔ)研究層面，生物安全性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。如何將這些基礎(chǔ)研究進(jìn)一步臨床轉(zhuǎn)化，緩解患者的痛苦，改善疾病的預(yù)后，必須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：① 合適的血液半衰期；② 較小的脫靶效應(yīng)，良好的生物相容性；③ 可以進(jìn)行有效的體內(nèi)代謝；④ 納米材料可以有效地從體內(nèi)排出；⑤納米材料對(duì)人體無(wú)潛在毒性。