姚榮權 陳蕓

[摘要]?腦膠質瘤是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，目前臨床常用的治療方法包括外科干預（腫瘤切除）、放射治療和化療，但效果并不令人滿意，即使在高級別膠質瘤患者的無進展生存率和總生存率方面取得了重大進展，也只能適度提高生存率，預后仍然很差。近年來，研究人員研發(fā)出聲動力療法（sonodynamic?therapy，SDT）作為新的腦腫瘤治療策略，SDT是在光動力療法（photodynamic?therapy，PDT）基礎上研發(fā)出來的一種治療癌癥的新方法，采用超聲波與聲增敏劑相結合的方式，協(xié)同殺死腫瘤細胞，并在體外和體內研究中取得了令人印象深刻的結果。本文綜述了目前關于SDT作用機制的知識和目前可用的聲敏劑。

[關鍵詞]?膠質瘤；聲動力療法；光動力療法；聲敏劑

[中圖分類號]?R739.4??????[文獻標識碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.08.029

腦膠質瘤是最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤[1]，是由膠質細胞或前體細胞突變而產(chǎn)生的惡性腫瘤，包括星形細胞瘤、室管膜瘤、少突膠質瘤和一些罕見的病理組織[2]。目前臨床對于腦膠質瘤的治療方法通常包括外科干預（腫瘤切除）、放射治療和化療，但效果并不十分理想。近年來，雖然腦膠質瘤患者在生存方面取得了重大進展，但治療方案療效有限[3]，仍然迫切需要新的治療策略來幫助優(yōu)化腦膠質瘤患者的預后[4]。在過去的20年中，光動力療法（photodynamic?therapy，PDT）作為一種微創(chuàng)治療方法受到了高度重視[5]。PDT是一種有效且特異的臨床治療方法，其可通過吸收具有適當波長光的光子來激活光敏劑。在氧氣存在的情況下，被激發(fā)的光敏劑形成活性氧（reactive?oxygen?species，ROS），可通過快速氧化細胞成分直接誘導細胞損傷[6]。盡管PDT在臨床應用方面取得了巨大成就，但其對光的穿透深度較差，導致PDT對治療深部腫瘤無效[7]，限制了其在癌癥治療方面的廣泛應用。雖然光源設備和新型光敏劑的開發(fā)可能會克服這些限制，但最終如何改變PDT的固有特性，對于研發(fā)人員仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。

1??聲動力療法（sonodynamic?therapy，SDT）作用機制

SDT是在PDT的基礎上發(fā)展起來的一種抗癌療法，具有靶向性更好、組織穿透更深、聚焦能力更強的特性[8]。超聲波作為機械波可以穿透深層組織[9]，SDT利用超聲波和無毒聲敏劑之間的相互作用發(fā)揮效應，無毒致敏劑可選擇性地聚集在靶組織內，提供以非侵入性和高選擇性方式根除實體瘤的可能性[10]。目前，SDT對腦腫瘤的作用機制仍不清楚，大多數(shù)公認的理論包括空化效應、ROS生成、誘導細胞凋亡、提高抗腫瘤免疫、抑制血管生成和誘導熱療[11]。

1.1??空化效應

一般來說，治療性超聲對生物組織的生理效應可分為熱效應和非熱效應，SDT的研究大多集中于非熱效應，空化是非熱效應的一種重要機制[12]。超聲空化是一種作用于液體的超聲處理動態(tài)過程，微氣泡在超聲場中被激發(fā)不斷振動、收縮甚至坍塌[11]。空化通常分為非慣性空化和慣性空化[13]。非慣性空化是在與低強度超聲波接觸的液體介質內產(chǎn)生的氣泡動力學過程，在此過程中產(chǎn)生的氣泡不會劇烈坍塌，并且壽命相對較長[11]。非慣性空化氣泡被迫振蕩，產(chǎn)生輻射力和微射流，影響周圍的懸浮顆粒，導致細胞膜通透性急劇增加，從而可以使某些藥物更容易滲透進入靶細胞，在一定條件下，非慣性空化可轉變?yōu)閼T性空化[14]。慣性空化是指在高強度超聲波下，液體中會發(fā)生相對較強的氣泡動力學過程。慣性空化氣泡經(jīng)歷了從急劇收縮到潰滅的變化過程，吸收到了大量聲場的能量，然后開始在相對小區(qū)域處快速釋放出能量，導致了局部高溫高壓、強的沖擊波、高速微射流場和大量液體分子中自由基粒子的生成[15]。這些極端物理條件及有害化學基團的持續(xù)存在均會產(chǎn)生細胞損傷和細胞毒性，通過與細胞內部的相互作用導致自體免疫和壞死[16]。據(jù)報道，慣性空化會對腫瘤血管造成嚴重損害，破壞腫瘤的血液供應，抑制腫瘤生長，這種現(xiàn)象有助于水分子的解體，并隨后形成羥基自由基和氫原子[17]。

1.2??ROS生成

SDT中ROS的生成可能與空化效應密切相關。氣泡的最大膨脹和隨后的快速內爆釋放大量能量，導致周圍微環(huán)境中的溫度和壓力升高；有研究者認為內爆點的極端溫度和壓力類似“聲化學”反應器，能夠在水和氧氣存在的情況下產(chǎn)生ROS[18]，ROS對腫瘤細胞具有很強的殺傷作用[19]。此外，當產(chǎn)生足夠的ROS時，一系列生物事件將被激活，SDT可在細胞的活動中通過誘導ROS的異常生成來使線粒體膜電位降低，導致正常的線粒體活動無法正常進行，從而使氧化磷酸化不能正常進行并阻礙三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）的生成，最后導致細胞凋亡[20]。同時，若SDT產(chǎn)生的過量ROS不能立即被細胞清除并在細胞內積聚，可導致質膜完整性和細胞骨架結構的喪失以及細胞器中DNA的功能障礙，最終導致細胞凋亡[21]。

1.3??誘導細胞凋亡

SDT可以誘導使線粒體膜細胞上兩種蛋白的基因表達水平發(fā)生顯著變化，從而導致細胞發(fā)生凋亡。Bcl-2基因高表達可直接抑制細胞凋亡，Bax基因高表達可直接促進細胞凋亡，但兩者均位于線粒體膜上[22]。同時有研究表明，SDT可以顯著有效下調Bcl-2基因的表達，上調Bax蛋白基因的表達，從而促進Bax蛋白基因的蛋白質合成，使線粒體膜上的蛋白質發(fā)生改變，提高線粒體的通透性并使其功能降低，最終誘導細胞凋亡[23]。SDT還可以促進線粒體膜上的鈣離子超載，通過降低膜自身的電位，誘發(fā)靶細胞凋亡。除此之外，SDT還能促進腫瘤細胞內Caspase-8和Caspase-3表達增加，激活外源性細胞凋亡的途徑，間接誘導細胞凋亡[24]。

1.4??提高抗腫瘤免疫

缺氧是腫瘤微環(huán)境的共同特征，缺氧條件下可產(chǎn)生多種免疫抑制細胞因子和生長因子以允許免疫逃逸[25]，包括固有免疫細胞激活不良、缺乏趨化因子介導的巨噬細胞和樹突狀細胞的轉運。與固有免疫細胞激活相關的巨噬細胞發(fā)生M2極化，失去免疫監(jiān)測能力，可促進腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，還可導致局部腫瘤環(huán)境中的樹突狀細胞變得不成熟，從而缺乏抗原呈遞細胞的能力。在腫瘤微環(huán)境中，細胞因子白細胞介素10（interleukin-10，IL-10）、干擾素-γ（interferon，IFN-γ）和腫瘤壞死因子α（tumor?necrosis?factor-α，TNF-α）均參與了免疫反應，維持M1細胞表型的IFN-γ介導惡性細胞的吞噬作用，并通過抗原呈遞啟動細胞毒性反應。TNF-α主要由活化的巨噬細胞（M1）產(chǎn)生，在早期腫瘤中介導抗腫瘤免疫，IL-10由各種白細胞分泌，調節(jié)腫瘤微環(huán)境中的免疫功能，參與M1和M2之間的轉換，并促進巨噬細胞的M2分化[26]。SDT通過增強IFN-γ和TNF-α的表達，增加了其細胞毒性和抗原呈遞，通過促進巨噬細胞激活的策略，可以增加先天免疫系統(tǒng)的局部激活，有效啟動局部免疫反應，激活微囊，迅速清除凋亡小體[27]。SDT還可促進IL-10的釋放，以防止局部免疫反應發(fā)展為炎癥，同時SDT還可使腫瘤微環(huán)境中M2巨噬細胞向M1巨噬細胞的轉移，增加局部免疫反應[28]。

1.5??誘導熱療

一些初步研究表明，超聲誘導的熱療可以增強SDT的作用，盡管其確切機制尚不清楚[29]。但是已有研究證明，在影像引導治療下，聚焦超聲誘導的適度熱處理（42°C）和SDT的結合可完全抑制皮下膠質瘤小鼠模型的腫瘤進展，并顯著延緩了原位膠質瘤小鼠的腫瘤生長進展，這種新的治療策略可能為廣泛存在的癌癥提供新的見解[30]。

2??聲敏劑

聲敏劑作為一種化學化合物，其特定的治療活性由超聲輻射觸發(fā)[30]，主要包括5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic?acid，5-ALA）、血卟啉單甲醚（hematoporphyrin?monomethyl?ether，HMME）、血卟啉衍生物和玫瑰紅（rose?bengal，RB）。

2.1??5-ALA

5-ALA是目前膠質瘤模型中使用最多的基于卟啉的聲敏劑。5-ALA是在線粒體中形成的一種氨基酸前體，在合成血紅素的過程中產(chǎn)生原卟啉IX（protoporphyrin?IX，PpIX），PpIX可選擇性地積聚在癌細胞和炎癥細胞的線粒體中[31]。該化合物本身無毒，但若被交叉光或超聲波“激活”，就能夠發(fā)揮細胞毒性和調節(jié)作用。服用5-ALA可增加PpIX的合成并導致其在增殖細胞中積聚，這些細胞主要是膠質瘤患者大腦中的癌細胞。5-ALA-SDT產(chǎn)生的ROS可能在促進凋亡中發(fā)揮重要作用。研究顯示，對膠質瘤移植小鼠中使用高強度聚焦超聲治療，具有顯著的抗腫瘤作用，而周圍的腦組織保持正常，使小鼠具有更長的存活時間[32]。未來5-ALA-SDT可能是惡性膠質瘤的一種有效的治療方法。

2.2??HMME

HMME是一種基于卟啉的化合物，最初用作光敏劑，具有良好的選擇性保留作用，在腫瘤組織中可保持很長時間。一項研究表明，HMME的細胞內攝取是呈時間和劑量依賴性的，HMME能在腫瘤細胞中有選擇的聚集，并且HMME可以被超聲波激活，SDT可以通過誘導細胞凋亡和壞死來殺死細胞[33]。這表明，SDT在HMME下對腫瘤細胞的作用有高度選擇性，對正常的細胞幾乎不會產(chǎn)生影響，可通過非侵入性和高選擇性的方式清除腫瘤[34]。

2.3??血卟啉衍生物

Photofrin是一種血卟啉衍生物，在PDT中被廣泛用于治療各種癌癥。作為SDT的聲敏劑，有研究顯示Photofrin對膠質瘤細胞具有良好的聲動力學效應，可產(chǎn)生ROS并觸發(fā)膠質瘤干細胞凋亡[18]。Photofrin介導的SDT可以有效殺傷膠質瘤細胞，是一種很有前景的治療方法[35]。

2.4??RB

RB是一種黃嘌呤的染料，具有相對較低固有毒性的Ⅱ型光敏劑，一旦被激活，就可以形成ROS，殺傷腫瘤細胞。研究表明，SDT介導的RB可以誘導超聲空化，導致不可逆的細胞損傷，并改變細胞的膜結構和功能特性，從而誘導細胞溶解、壞死或凋亡，體外研究也表明RB顯示出顯著的抗癌作用[36-37]。

3??小結

對膠質瘤體外和動物模型的大量臨床前期研究表明，SDT是一種有效且有前景的膠質瘤治療方法，可通過激活細胞凋亡、抗腫瘤免疫反應和其他生物學機制誘導抗腫瘤作用。雖然SDT在治療神經(jīng)膠質瘤方面有很大潛力，但仍需進一步探索加以完善。SDT的作用機制取決于生物系統(tǒng)、超聲參數(shù)和聲敏劑的類型。隨著對SDT機制的日漸了解，開發(fā)潛在的聲敏劑是最重要的因素之一。目前，許多聲敏劑仍遠未達到理想的臨床應用效果，以高劑量施用時可能具有潛在毒性。理想的聲敏劑應安全且易于施用，并且具有低毒性或無光毒性、高聲敏感性、高腫瘤選擇性和快速從正常組織清除率，而不會對身體其他部位造成永久性損傷。SDT的治療效果也取決于超聲設備，雖然目前的超聲設備適合于膠質瘤模型的體外和體內研究，但不適合臨床治療，相信隨著各種聲敏劑和超聲設備的研發(fā)，將來可以將SDT用作臨床治療，提高患者的生存質量和壽命。

[參考文獻]

[1] OSTROM?Q?T，?PATIL?N，?CIOFFI?G，?et?al.?Cbtrus?statistical?report：?primary?brain?and?other?central?nervous?system?tumors?diagnosed?in?the?united?states?in?2013-2017[J].?Neuro?Oncol，?2020，?22（12?Suppl?2）：?iv1–iv96.

[2] LI?Y，?ALI?S，?CLARKE?J，?et?al.?Bevacizumab?in?recurrent?glioma：?patterns?of?treatment?failure?and?implications[J].?Brain?Tumor?Res?Treat，?2017，?5（1）：?1–9.

[3] BUNEVICIUS?A，?SHEEHAN?J?P.?Radiosurgery?for?glioblastoma[J].?Neurosurg?Clin?N?Am，?2021，?32（1）：?117–128.

[4] ALDAPE?K，?BRINDLE?K?M，?CHESLER?L，?et?al.?Challenges?to?curing?primary?brain?tumours[J].?Nat?Rev?Clin?Oncol，?2019，?16（8）：?509–520.

[5] WANG?X，?JIA?Y，?WANG?P，?et?al.?Current?status?and?future?perspectives?of?sonodynamic?therapy?in?glioma?treatment[J].?Ultrason?Sonochem，?2017，?37：?592–599.

[6] BUNEVICIUS?A，?PIKIS?S，?PADILLA?F，?et?al.?Sonodynamic?therapy?for?gliomas[J].?J?Neurooncol，?2022，?156（1）：?1–10.

[7] WU?S?K，?SANTOS?M?A，?MARCUS?S?L，?et?al.?Mr-guided?focused?ultrasound?facilitates?sonodynamic?therapy?with?5-aminolevulinic?acid?in?a?rat?glioma?model[J].?Sci?Rep，?2019，?9（1）：?10465.

[8] HU?C，?HOU?B，?XIE?S.?Application?of?nanosonosensitizer?materials?in?cancer?sono-?dynamic?therapy[J].?RSC?Adv，?2022，?12（35）：?22722–22747.

[9] SUN?Y，?WANG?H，?ZHANG?K，?et?al.?Sonodynamic?therapy?induces?oxidative?stress，?DNA?damage?and?apoptosis?in?glioma?cells[J].?RSC?Adv，?2018，?8（63）：?36245–36256.

[10] MCHALE?A?P，?CALLAN?J?F，?NOMIKOU?N，?et?al.?Sonodynamic?therapy：?concept?mechanism?and?application?to?cancer?treatment[J].?Adv?Exp?Med?Biol，?2016，?880：?429–450.

[11] RENGENG?L，?QIANYU?Z，?YUEHONG?L，?et?al.?Sonodynamic?therapy，?a?treatment?developing?from?photodynamic?therapy[J].?Photodiagnosis?Photodyn?Ther，?2017，?19：?159–166.

[12] ENDO?S，?KUDO?N，?YAMAGUCHI?S，?et?al.?Porphyrin?derivatives-mediated?sonodynamic?therapy?for?malignant?gliomas?in?vitro[J].?Ultrasound?Med?Biol，?2015，?41（9）：?2458–2465.

[13] BILMIN?K，?KUJAWSKA?T，?GRIEB?;P.?Sonodynamic?therapy?for?gliomas.?perspectives?and?prospects?of?selective?sonosensitization?of?glioma?cells[J].?Cells，?2019，?8（11）：?1428.

[14] LIN?X，?SONG?J，?CHEN?X，?et?al.?Ultrasound-?activated?sensitizers?and?applications[J].?Angew?Chem?Int?Ed?Engl，?2020，?59（34）：?14212–14233.

[15] ZHANG?Y，?ZHAO?Y，?ZHANG?Y，?et?al.?The?crosstalk?between?sonodynamic?therapy?and?autophagy?in?cancer[J].?Front?Pharmacol，?2022，?8（13）：?961725.

[16] PRESCOTT?M，?MITCHELL?J，?TOTTI?S，?et?al.?Sonodynamic?therapy?combined?with?novel?anti-cancer?agents，?sanguinarine?and?ginger?root?extract：?synergistic?increase?in?toxicity?in?the?presence?of?panc-1?cells?in?vitro[J].?Ultrason?Sonochem，?2018，?40（Pt?B）：?72–80.

[17] ARVANITIS?C?D，?VYKHODTSEVA?N，?JOLESZ?F，?et?al.?Cavitation-enhanced?nonthermal?ablation?in?deep?brain?targets：?feasibility?in?a?large?animal?model[J].?J?Neurosurg，?2016，?124（5）：?1450–1459.

[18] D'AMMANDO?A，?RASPAGLIESI?L，?GIONSO?M，?et?al.?Sonodynamic?therapy?for?the?treatment?of?intracranial?gliomas[J].?J?Clin?Med，?2021，?10（5）：?1101.

[19] LAFOND?M，?YOSHIZAWA?S，Umemura?S?I.?Sonodynamic?therapy：?advances?and?challenges?in?clinical?translation[J].?J?Ultrasound?Med，?2019，?38（3）：?567–580.

[20] LEE?H，?HAN?J，?SHIN?H，?et?al.?Combination?of?chemotherapy?and?photodynamic?therapy?for?cancer?treatment?with?sonoporation?effects[J].?J?Control?Release，?2018，?283：?190–199.

[21] UM?W，?PRAMOD?K，?LEE?J，?et?al.?Recent?advances?in?nanomaterial-based?augmented?sonodynamic?therapy?of?cancer[J].?Chem?Commun?（Camb），?2021，?57（23）：?2854–2866.

[22] D'ORSI?B，?MATEYKA?J，?PREHN J?H?M.?Control?of?mitochondrial?physiology?and?cell?death?by?the?bcl-2?family?proteins?bax?and?bok[J].?Neurochem?Int，?2017，?109：?162–170.

[23] LI?E，?SUN?Y，?LV?G，?et?al.?Sinoporphyrin?sodium?based?sonodynamic?therapy?induces?anti-tumor?effects?in?hepatocellular?carcinoma?and?activates?p53/caspase?3?axis[J].?Int?J?Biochem?Cell?Biol，?2019，?113：?104–114.

[24] HAO?D，?SONG?Y，?CHE?Z，?et?al.?Calcium?overload?and?in?vitro?apoptosis?of?the?c6?glioma?cells?mediated?by?sonodynamic?therapy?（hematoporphyrin?monomethyl?ether?and?ultrasound）[J].?Cell?Biochem?Biophys，?2014，?70（2）：?1445–1452.

[25] WU?Q，?YOU?L，?NEPOVIMOVA?E，?et?al.?Hypoxia-inducible?factors：?master?regulators?of?hypoxic?tumor?immune?escape[J].?J?Hematol?Oncol，?2022，?15（1）：?77.

[26] YUNNA?C，?MENGRU?H，?LEI?W，?et?al.?Macrophage?m1/m2?polarization[J].?Eur?J?Pharmacol，?2020，?877：?173090.

[27] ZHANG?Q，?BAO?C，?CAI?X，?et?al.?Sonodynamic?therapy-assisted?immunotherapy：?a?novel?modality?for?cancer?treatment[J].?Cancer?Sci，?2018，?109（5）：?1330–1345.

[28] CHENG?D，?WANG?X，?ZHOU?X，?et?al.?Nanosonosensitizers?with?ultrasound-induced?reactive?oxygen?species?generation?for?cancer?sonodynamic?immunotherapy[J].?Front?Bioeng?Biotechnol，?2021，?9：?761218.

[29] JU?D，?YAMAGUCHI?F，?ZHAN?G，?et?al.?Hyperthermotherapy?enhances?antitumor?effect?of?5-aminolevulinic?acid-mediated?sonodynamic?therapy?with?activation?of?caspase-dependent?apoptotic?pathway?in?human?glioma[J].?Tumour?Biol，?2016，?37（8）：?10415–10426.

[30] WAN?Q，?ZOU?C，?HU?D，?et?al.?Imaging-guided?focused?ultrasound-induced?thermal?and?sonodynamic?effects?of?nanosonosensitizers?for?synergistic?enhancement?of?glioblastoma?therapy[J].?Biomater?Sci，?2019，?7（7）：?3007–3015.

[31] SUN?X，?GUO?S，?WANG?W，?et?al.?Potential?involvement?of?the?18?kDa?translocator?protein?and?reactive?oxygen?species?in?apoptosis?of?thp-1?macrophages?induced?by?sonodynamic?therapy[J].?PLoS?One，?2018，?13（5）：?e0196541.

[32] SUEHIRO?S，?OHNISHI?T，?YAMASHITA?D，?et?al.?Enhancement?of?antitumor?activity?by?using?5-ala-mediated?sonodynamic?therapy?to?induce?apoptosis?in?malignant?gliomas：?significance?of?high-intensity?focused?ultrasound?on?5-ala-sdt?in?a?mouse?glioma?model[J].?J?Neurosurg，?2018，?129（6）：?1416–1428.

[33] HUANG?J，?LIU?F，?HAN?X，?et?al.?Nanosonosensitizers?for?highly?efficient?sonodynamic?cancer?theranostics[J].?Theranostics，?2018，?8（22）：?6178–6194.

[34] XI?F，?FENG?Y，?CHEN?Q，?et?al.?Microbubbles?ultrasonic?cavitation?regulates?tumor?interstitial?fluid?pressure?and?enhances?sonodynamic?therapy[J].?Front?Oncol，?2022，?12：?852454.

[35] XU?Z?Y，?WANG?K，?LI?X?Q，?et?al.?The?abcg2?transporter?is?a?key?molecular?determinant?of?the?efficacy?of?sonodynamic?therapy?with?photofrin?in?glioma?stem-like?cells[J].?Ultrasonics，?2013，?53（1）：?232–238.

[36] VANERIO?N，?STIJNEN?M，?DE?MOL?B，?et?al.?Biomedical?applications?of?photo-?and?sono-?activated?rose?bengal：?a?review[J].?Photobiomod?Photomed，?2019，?37（7）：?383–394.

[37] ZHANG?Y，?YE?J，?LI?Z，?et?al.?Recent?progress?in?sono-photodynamic?cancer?therapy：?from?developed?new?sensitizers?to?nanotechnology-based?efficacy-enhancing?strategies[J].?Acta?Pharm?Sin?B，?2021，?11（8）：?2197–2219.

（收稿日期：2022–08–24）

（修回日期：2022–09–28）