楊世艷,何 兵,李明星
(1.瀘州醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院,四川 瀘州 646000;2.瀘州醫(yī)學(xué)院附屬中醫(yī)醫(yī)院超聲影像科,四川 瀘州 646000;3.瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院超聲診斷科,四川 瀘州 646000)
載藥超聲微泡研究進(jìn)展
楊世艷1,2,何 兵1,李明星3
(1.瀘州醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院,四川 瀘州 646000;2.瀘州醫(yī)學(xué)院附屬中醫(yī)醫(yī)院超聲影像科,四川 瀘州 646000;3.瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院超聲診斷科,四川 瀘州 646000)
載藥超聲微泡的靶向治療是當(dāng)前醫(yī)藥領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。載藥微泡進(jìn)入血液循環(huán)后可迅速聚集于靶組織,在超聲作用下微泡產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲孔效應(yīng),能使其有效穿透血管內(nèi)皮屏障,定點(diǎn)釋放內(nèi)部包裹的藥物,使局部濃度大大增高,達(dá)到靶向治療目的。本文就載藥超聲微泡的分類、特點(diǎn)、作用機(jī)制、制備及應(yīng)用等做一簡要綜述。
微氣泡;超聲檢查;造影劑;藥物載體
超聲微泡是指一類直徑在1~8μm、內(nèi)含氣體、外部包有一層膜的微氣泡。自1968年Gramiak等[1]首次將自制的微泡進(jìn)行M型超聲心動圖檢查以來,超聲微泡對比劑已有40多年的應(yīng)用歷史。近年,國內(nèi)外已相繼成功研制蛋白類、表面活性劑類、脂質(zhì)類、多聚體類等多種包膜的超聲微泡。研究[2]表明,超聲微泡能有效增強(qiáng)心、肝、脾、腎、腦等實(shí)質(zhì)性器官的二維灰階成像和彩色多普勒血流信號,明顯提高超聲診斷的特異性和敏感性。隨著醫(yī)藥生物技術(shù)的迅猛發(fā)展以及超聲微泡對比劑研究的不斷深入,研究發(fā)現(xiàn)超聲微泡不僅是一種良好的超聲顯像對比劑,而且是一種重要的藥物傳輸載體[3]。國內(nèi)外已針對載藥超聲微泡的研究取得了很多重要進(jìn)展,本文就目前載藥超聲微泡的分類、特點(diǎn)、作用機(jī)制、制備及應(yīng)用做一簡述和探討。
1.1 超聲微泡根據(jù)其成膜材料的不同,可分為以下幾類
1.1.1 脂質(zhì)體類 脂質(zhì)體類微泡殼膜材料主要為磷脂類:二棕櫚酰磷酯酰膽堿(DPPC)、二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(DSPE)、二花生酰基磷脂酰膽堿(DAPC)等[4],其粒徑很容易做到納米級別,極具穿透力,能穿透血管內(nèi)皮間隙,到達(dá)血管外的組織及細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)超聲靶向成像和治療。脂質(zhì)體類微泡具有穩(wěn)定性好、使用安全、易于靶向修飾、造影效果好、可作藥物的載體及成本低廉、易于商品化等優(yōu)勢,是一種理想的成膜材料。但存在聲學(xué)特性不易控制,聲衰減顯像較明顯,有效增強(qiáng)顯影時間較短等問題。楊健等[5]制備了載多烯紫杉醇的脂質(zhì)超聲微泡,并檢測了其體外尋靶能力。有學(xué)者[6]發(fā)現(xiàn),將表面活性劑、聚合物成分高滲糖類或醇類加到脂質(zhì)類微泡成膜材料中,以冷凍干燥與聲振處理相結(jié)合,制備的微泡濃度和粒徑均較理想,有效增強(qiáng)顯影時間超過30min,不但提高了微泡產(chǎn)率、延長有效增強(qiáng)顯影時間,同時還降低了成本。
1.1.2 蛋白類 蛋白類微泡多以人血白蛋白為其主要囊材,其粒徑為3~7μm,能隨血流分布至全身,靜脈注射微量便可顯示良好造影效果。但存在穩(wěn)定性差、價格昂貴、尺寸較大、產(chǎn)生異種蛋白免疫反應(yīng)及產(chǎn)量較少等問題。若加入一些表面修飾物,如糖類物質(zhì),形成糖蛋白或蛋白聚糖,能提高微泡產(chǎn)率、穩(wěn)定性及耐熱性,降低成本,改善其不足,并有利于常溫保存和運(yùn)輸。杜永峰等[7]通過超聲空化法制備出含蔗糖白蛋白微泡,發(fā)現(xiàn)當(dāng)蔗糖濃度達(dá)到40%,微泡半衰期可延長到50 d以上,96%的微泡尺寸分布在2~5μm,4℃下保存半年微泡數(shù)量和尺寸無明顯變化。
1.1.3 表面活性劑類 表面活性劑由于本身具有良好的起泡性,因而廣泛用于微泡的制備研究中。常用的是非離子表面活性劑Tween及Span系列,其能與多種類型的表面活性劑聯(lián)用。這類微泡雖然濃度大小適宜,但存在不穩(wěn)定、存放時間短、不宜包裹分子量小的氣體等缺點(diǎn)。王仁奎[8]以Span60和Tween80為成膜材料,以氮?dú)鉃閮?nèi)部填充氣體,采用超聲空化,所制備包裹諾氟沙星磁靶向微泡平均粒徑為2.5μm,向高脂喂養(yǎng)的兔子注入靶向載藥微泡能夠準(zhǔn)確診斷腹主動脈中脂肪斑塊的位置,并在超聲指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)藥物的定點(diǎn)釋放。
1.1.4 多聚體類 多聚體類微泡多以合成的聚合物或天然大分子,如聚乳酸—羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙二醇(PEG)、多聚糖等為殼膜材料,成膜微泡的平均粒徑為1~5μm。此類微泡外殼較厚,也比較硬,抗壓性較好,造影持續(xù)時間較長。但需要較高聲強(qiáng)的超聲脈沖才引起微泡的非線性振動或破裂,從而對比成像,易造成細(xì)胞溶解、毛細(xì)血管破裂、局部滲出、出血或黏膜淤血等生物學(xué)效應(yīng)[9]。 李奇林等[10]采用復(fù)乳法制備乳酸羥基乙酸共聚物微泡,所制備的微泡平均粒徑1.2μm,常溫干燥儲存10周后,濃度、粒徑及pH值均無明顯變化。
1.2 超聲微泡根據(jù)靶向性質(zhì)不同分為以下2類:①被動靶向,也稱作自然靶向,是載藥微泡進(jìn)入體內(nèi)被肝脾中的巨噬細(xì)胞在調(diào)理素的協(xié)同作用下將其作為外界異物截留并清理與吞噬而產(chǎn)生的體內(nèi)分布特征[11]。微泡外殼本身的化學(xué)和電荷特性也可使微泡滯留于病灶部位,從而在一定程度上使微泡具備一定的靶向特性。但該機(jī)制缺乏高度的靶向性和特異性,結(jié)合能力低,因此限制了其在靶向?qū)Ρ瘸暢上窦夹g(shù)及藥物靶向運(yùn)輸中的應(yīng)用。②主動靶向,通過對超聲微泡的外殼進(jìn)行特殊處理,在微泡表面連接上特異的抗體或配體(多糖、多肽等)[12-13],使微泡能不需要白細(xì)胞的介導(dǎo),直接結(jié)合到病灶部位細(xì)胞所表達(dá)的特異性抗原或受體上,即可達(dá)到靶向顯影、靶向輸藥及靶向治療的目的。此外,利用分子橋的作用,將疾病相關(guān)的單克隆抗體與微泡相結(jié)合,從而間接地使微泡與病變部位表達(dá)的相關(guān)抗原結(jié)合,也可達(dá)到靶向目的。由于這一機(jī)制具有高度靶向性和特異性,同時又避免了吞噬細(xì)胞對微泡的破壞,因此,成為研制和開發(fā)無創(chuàng)性靶向超聲微泡的主要方式。
在載藥超聲微泡中,應(yīng)用最為廣泛的是脂質(zhì)體類微泡。作為藥物載體,微泡結(jié)合超聲技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)局部定位給藥、保護(hù)藥物活性基團(tuán)、延長藥物半衰期、延緩藥物在體內(nèi)的釋放、減少給藥次數(shù)和劑量,降低藥物不良反應(yīng)的目的[14]。不同包膜的載藥微泡具有各自的特點(diǎn),與白蛋白類、表面活性劑類及多聚體類微泡相比,脂質(zhì)體類微泡具有更多優(yōu)勢,原因在于脂質(zhì)體類微泡具有以下特性:①靶向性。超聲微泡經(jīng)不同的方法處理后,能選擇性地靶向于特定器官,達(dá)到靶向給藥治療的目的。②提高靶組織藥物濃度。將具有較大不良反應(yīng)的藥物如阿霉素包裹于超聲微泡中,在靶器官局部釋放可達(dá)到提高靶組織藥物濃度、延緩藥物釋放、減少劑量、減少給藥次數(shù),以及提高藥物療效的目的。③使用安全。脂質(zhì)體微泡的外殼磷脂膜在體內(nèi)可以生物降解,對人體無毒無害。④穩(wěn)定性好。脂質(zhì)體類微泡化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,常溫下可保存數(shù)月不變,適用于工業(yè)化生產(chǎn)。⑤顯著增強(qiáng)超聲造影效果。類脂類成分形成膜后在水介質(zhì)中會形成液晶雙層,其分子幾何形狀中疏水和親水部分大小接近,研究發(fā)現(xiàn)這種含有脂質(zhì)體類的微泡能顯著增強(qiáng)造影效果[2]。⑥傳輸效率高。脂質(zhì)體微泡因其殼的固有特性,還可以在其表面裝配不同的抗體或配體,實(shí)現(xiàn)靶向顯影與治療,從而能有效提高藥物的傳輸效率。另外,微泡破裂時產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和高速微射流在血管壁或生物屏障上形成暫時性的微孔,也可以增強(qiáng)藥物傳輸。⑦降低機(jī)體免疫反應(yīng)。大部分藥物,如蛋白類、多肽類藥物在給藥后,由于機(jī)體的排斥可能引起免疫排斥反應(yīng),若將這些藥物包裹于超聲微泡中后再給藥,可使機(jī)體免疫排斥反應(yīng)降低到最低限度,并使藥物的生物適應(yīng)性及穩(wěn)定性達(dá)到最佳。
3.1 空化效應(yīng) 在超聲波的作用下,微泡可向血管壁移動,增加對血管的黏附力,微泡在超聲波的作用下會先后產(chǎn)生“擴(kuò)大—收縮—崩潰”的動力學(xué)過程,稱為超聲空化效應(yīng)。微泡在低聲壓下產(chǎn)生對稱性的壓縮和膨脹而不發(fā)生破裂,微泡沿其平均半徑做周期非線性振蕩運(yùn)動,在振動過程中引發(fā)輻射壓力和微射流,從而影響其周圍的細(xì)胞、生物大分子等,并產(chǎn)生一定的生物學(xué)效應(yīng),稱為穩(wěn)態(tài)空化。微泡在高聲壓下急劇膨脹和收縮,最終導(dǎo)致微泡破裂,使聲能瞬間大量釋放,并產(chǎn)生巨大的瞬時壓力和強(qiáng)烈的沖擊波及微射流,在周圍微小空間內(nèi)形成高溫、高壓環(huán)境,引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變、微生物和機(jī)體的損傷和破壞[15],此稱瞬態(tài)空化。
3.2 聲孔效應(yīng) 聲孔效應(yīng)是超聲微泡破壞后實(shí)現(xiàn)靶向釋藥,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)診斷與治療的主要機(jī)制。聲孔效應(yīng)是指微泡崩潰瞬間釋放的能量在內(nèi)皮細(xì)胞膜上形成沖擊波及微射流,產(chǎn)生巨大的切應(yīng)力,從而擊穿周圍組織的細(xì)胞壁,產(chǎn)生可逆或不可逆的小孔,同時增加了細(xì)胞膜的通透性。這種膜通透性的增加與膜上出現(xiàn)暫時性開放小孔有關(guān),并與微泡破壞過程中產(chǎn)生自由基并伴隨活性氧族生成有關(guān),還可能與空化時產(chǎn)生的熱量作用于細(xì)胞的磷脂雙分子層,使其流動性改變有關(guān)[16]。如果這種小孔屬于可逆的非致死性聲孔,則在其開放的瞬間可使細(xì)胞外的藥物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),并達(dá)到靶向顯影與治療的目的。
制備靶向脂質(zhì)超聲微泡,關(guān)鍵是讓微泡在結(jié)合藥物的同時不影響微泡的聲學(xué)特性。超聲微泡載藥的方法主要有以下方式:①藥物經(jīng)靜電吸附作用直接黏附在微泡的外殼膜上,如帶負(fù)電荷基團(tuán)的藥物易黏附于帶正電荷的脂質(zhì)體微泡表面,其在血液循環(huán)中不穩(wěn)定;②非共價結(jié)合在微泡表面,如某些藥物能以靜電吸附方式非共價鍵結(jié)合在微泡表面;③將藥物嵌入微泡外殼膜雙分子層中間,這種結(jié)構(gòu)能增加微泡的穩(wěn)定性;④有些藥物可以和氣體一起包被在微泡內(nèi)部,這種方式不影響微泡表面結(jié)合靶向配體;⑤疏水性藥物可以混合在脂質(zhì)體微泡油脂層內(nèi),會形成一層薄膜包繞在微泡內(nèi)部,其外包被著一層穩(wěn)定的膜,這種結(jié)合方式可連接抗體或配體用于靶向釋藥。目前,國內(nèi)外常用的載藥超聲微泡的制備有以下幾種方法:機(jī)械振蕩法、聲振空化法、高壓均質(zhì)法、薄膜水化法、冷凍干燥法、噴霧干燥法[17]。
5.1 腫瘤治療 靶向載藥微泡經(jīng)靜脈注入血液后,可通過血液循環(huán)迅速聚集于腫瘤靶器官,在超聲波的動態(tài)監(jiān)測下,可直觀監(jiān)測微泡到達(dá)腫瘤靶組織的情況。同時利用一定強(qiáng)度的超聲在腫瘤靶區(qū)的體表定位輻照,超聲介導(dǎo)微泡的空化效應(yīng)會導(dǎo)致微泡在腫瘤靶組織內(nèi)破裂,微泡所攜帶的藥物會迅速釋放到腫瘤靶區(qū),實(shí)現(xiàn)靶向釋藥的目的。另外,超聲介導(dǎo)微泡破裂產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲孔效應(yīng),不但可使供應(yīng)腫瘤的微血管栓塞,阻斷腫瘤供血,而且可直接損傷腫瘤細(xì)胞,促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的改變,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡,更能增加藥物的吸收,提高藥物的療效。康娟等[18-19]研究發(fā)現(xiàn),載多西紫杉醇脂質(zhì)微泡,在超聲波的作用下能在兔肝內(nèi)定位釋放,不但能抑制兔VX2肝癌的微血管生成,還能延緩?fù)肰X2肝癌的增殖,促進(jìn)其凋亡。
5.2 溶栓治療 攜帶溶栓藥物的微泡在高能低頻超聲作用下產(chǎn)生的瞬時空化效應(yīng)可使血栓易于軟化、溶解[20],它使溶栓劑易于向血栓內(nèi)部滲透。將超聲微泡作為溶栓藥物的傳遞系統(tǒng),能較好地監(jiān)控治療過程中的溶栓和出血現(xiàn)象,大大降低治療風(fēng)險,解決了靶向載藥和出血監(jiān)控等瓶頸問題。Wu等[21]在體外實(shí)驗(yàn)中將尿激酶結(jié)合在MRX-408微泡的外殼上,當(dāng)微泡與血栓表面黏附后,利用超聲波照射使微泡破裂,釋放出尿激酶,從而使血栓軟化,加速溶解。
5.3 炎癥治療 在炎癥病變區(qū),血管內(nèi)皮細(xì)胞高表達(dá)整合素類分子,白細(xì)胞聚集并表達(dá)特異性分子,通過制備靶向這些分子的超聲微泡,不僅能使炎癥靶向顯影,評價炎癥的嚴(yán)重程度,而且可利用微泡攜帶抗炎藥物靶向傳輸至炎癥部位,再給予超聲輻照,通過超聲對微泡的空化效應(yīng)破壞微泡,使得藥物在病變局部釋放出來,不僅能提高藥物在病變局部的濃度,提高治療效果,而且還可減少藥物的不良反應(yīng)。Villanueva等[22]將抗ICAM-1抗體共價連接在全氟丁烷微泡的脂質(zhì)外殼上,這種微泡可選擇性結(jié)合于表達(dá)黏附分子的活化內(nèi)皮細(xì)胞,使炎癥的靶向顯影具有更高的針對性和選擇性。魏武然等[23]研究發(fā)現(xiàn),超聲微泡可有效促進(jìn)大鼠前列腺局部對舍尼通的吸收,對非細(xì)菌性前列腺炎的治療起明顯促進(jìn)作用。
5.4 其他疾病的治療 載藥超聲微泡除了應(yīng)用于常見的腫瘤、血栓及炎癥的治療外,還能應(yīng)用于多種疾病的治療。田新橋等[24]研究發(fā)現(xiàn),超聲微泡靶向遞送酸性成纖維細(xì)胞生長因子(aFGF)可有效改善糖尿病心肌病大鼠的左心室功能。金琳等[25]研究發(fā)現(xiàn),超聲微泡介導(dǎo)雷帕霉素可抑制兔腹主動脈球囊損傷術(shù)后新生內(nèi)膜增生及增高p27、降低VEGF表達(dá)。
利用超聲微泡作為抗腫瘤藥物的載體,具有高載藥量、穩(wěn)定性較好、靶向性好、無免疫原性、可修飾、相對無創(chuàng)、同時還可增加療效及減輕不良反應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn),在腫瘤的診斷和治療方面有很大的發(fā)展?jié)摿?。但在?yīng)用微泡傳送抗腫瘤藥物時,仍然存在一些有待研究的問題及難點(diǎn):①提高載藥微泡的載藥量和包封率。②提高微泡的穩(wěn)定性和顯影時間。③尋找能主動識別腫瘤特異性標(biāo)志物的配體,并使其與微泡偶聯(lián),以進(jìn)一步提高其靶向性。④安全性有待提高,超聲在破壞微泡引起細(xì)胞膜穿透性增強(qiáng)的同時也有可能導(dǎo)致周圍正常細(xì)胞和組織的損傷[26]。這通常是由于相對較高的微泡濃度、較長時間的超聲脈沖和較高的超聲強(qiáng)度導(dǎo)致的。另外,成膜材料的安全性研究也有待提高,如Tween80,雖然常用于制備表面活性劑類微泡以及用于中藥注射劑的增溶等,但研究表明[27]經(jīng)靜脈注射會引起溶血、血壓下降及過敏反應(yīng),目前已禁用于靜脈注射。⑤超聲微泡的部分制備方法,僅適用于實(shí)驗(yàn),無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)。
隨著國內(nèi)外對載藥超聲微泡研究的不斷深入及醫(yī)藥生物技術(shù)的迅猛發(fā)展,超聲微泡在重大疾病治療方面必將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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2014-06-06)
10.3969/j.issn.1672-0512.2015.01.035
瀘州市—瀘州醫(yī)學(xué)院聯(lián)合基金(2013LZLY-K61);瀘州市2011年指導(dǎo)性項(xiàng)目(瀘市科[2012]177號);瀘州醫(yī)學(xué)院附屬中醫(yī)醫(yī)院院內(nèi)基金(2011-342);瀘州醫(yī)學(xué)院2010年青年基金(瀘醫(yī)院[2010]108號)。
楊世艷,E-mail:lyysy2010@126.com。