吳睿麒, 梁曉龍

(北京大學(xué)第三醫(yī)院 超聲科, 北京 100191)

藥物如何靶向、高效、可控遞送到病變器官組織中以提高藥效、減少毒副作用，一直是基礎(chǔ)和臨床研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。各類藥物載體的開發(fā)有效地改善了藥物的遞送效率，其中刺激響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)引起廣泛關(guān)注，因?yàn)樵擃愊到y(tǒng)在體內(nèi)循環(huán)時具有較好的穩(wěn)定性，可以有效減少藥物泄漏；當(dāng)?shù)竭_(dá)病變區(qū)域后，可在各種內(nèi)源性或者外源性刺激作用下發(fā)生藥物的定點(diǎn)可控釋放。與其他外源刺激方法如光、熱、磁場等相比，超聲是一種非射線性的機(jī)械波，具有良好的組織穿透性、聚焦性和能量滲透性，同時具有安全無創(chuàng)、操作簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于臨床診斷及治療[1-2]。隨著超聲造影劑的發(fā)展，研究人員開發(fā)了多種超聲響應(yīng)的載體用于藥物的靶向遞送及定點(diǎn)控釋，在腫瘤、心血管疾病、肌骨疾病等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文從超聲增強(qiáng)藥物遞送機(jī)制、超聲響應(yīng)載體類型、超聲增強(qiáng)藥物遞送效果及臨床應(yīng)用前景等方面對超聲在藥物遞送中的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 超聲增強(qiáng)藥物遞送的機(jī)制

超聲增強(qiáng)藥物遞送的機(jī)制主要基于其聲學(xué)效應(yīng)，可以分為機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)包括聲輻射力、空化效應(yīng)、聲致相變等。聲輻射力是聲源引起周圍介質(zhì)振動產(chǎn)生的合力，其通過對微泡、周圍環(huán)境及血管內(nèi)皮細(xì)胞的作用來影響超聲的遞送效率。首先，聲輻射力可以將超聲微泡推向血管壁，促進(jìn)其靶向、粘附和聚集能力，進(jìn)而提高局部藥物濃度。其次，聲輻射力可以破壞微泡并促進(jìn)藥物釋放，使微泡克服流體剪切力，提高被動靶向效果?？栈?yīng)是指超聲造影劑的氣核或空腔在超聲作用下瞬時收縮和膨脹?？栈话惴譃?種，即穩(wěn)定空化和慣性空化。前者是氣泡重復(fù)振蕩而不發(fā)生破裂，它發(fā)生在相對較低的聲強(qiáng)下。在更高的強(qiáng)度下氣泡會充分振蕩，由于慣性導(dǎo)致氣泡劇烈坍塌，產(chǎn)生沖擊波、高溫和自由基，這種空化稱為慣性空化或坍塌空化[2]。慣性空化通常觸發(fā)載體破裂及藥物釋放。超聲作用于靶組織時，微泡收縮膨脹進(jìn)而破裂，藥物從中釋放，同時這些振蕩沖擊會使細(xì)胞膜局部凹陷形成小孔，提高細(xì)胞膜及血管的通透性[3]。超聲本身還可以使細(xì)胞內(nèi)活性氧增加，提高磷脂的流動性，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞對藥物的攝取。大部分載體都是利用超聲的機(jī)械效應(yīng)，如低頻超聲誘導(dǎo)空化作用實(shí)現(xiàn)藥物的控釋，利用該效應(yīng)還可激活載體中攜載的聲敏劑產(chǎn)生活性氧，從而促進(jìn)對活性氧敏感的載體實(shí)現(xiàn)藥物控釋。聲致相變是含惰性氣體的載體可以實(shí)現(xiàn)氣-液態(tài)的相互轉(zhuǎn)變。微泡或納米相變液滴到達(dá)靶向區(qū)域，在超聲輻照下發(fā)生液-氣相變，爆破后釋放藥物。

超聲的另一種能量轉(zhuǎn)化方式是熱效應(yīng)。超聲在介質(zhì)傳播時可引發(fā)質(zhì)子震動，摩擦產(chǎn)生的部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致介質(zhì)溫度上升。超聲可以引起病變區(qū)域局部溫度升高，導(dǎo)致血管通透性明顯增加，進(jìn)而促進(jìn)病變部位對藥物的吸收。超聲與溫敏性的載體聯(lián)合應(yīng)用，通過產(chǎn)生熱能破壞載體的結(jié)構(gòu)促進(jìn)藥物釋放[4-5]。當(dāng)溫度到達(dá)載體的相變溫度時，載體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化釋放藥物。通常利用高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)作為外源刺激觸發(fā)熱敏材料的藥物釋放(圖1[3])。

圖1 超聲微泡作用機(jī)制[3]Fig.1 Mechanism of ultrasonic microbubbles[3]

2 超聲響應(yīng)的藥物遞送載體

全身給藥可能引起毒副作用，給正常器官組織造成負(fù)擔(dān)，因此近年的研究主要集中在藥物的局部遞送。近年來，超聲輔助藥物遞送并增強(qiáng)療效已經(jīng)得到廣泛研究。研究者們開發(fā)不同的藥物遞送載體，并通過超聲觸發(fā)藥物的釋放。本章主要從超聲遞送的載體——超聲微泡、脂質(zhì)體、膠束及納米液滴等介紹超聲對藥物遞送的促進(jìn)作用。

2.1 超聲微泡

超聲微泡是最常見的藥物載體，它不僅可以作為臨床使用的造影劑，還可用于輔助藥物遞送。超聲微泡的直徑通常在1～5 μm，外殼通常由脂質(zhì)、白蛋白等生物相容性良好的材料制成，可以維持載體的穩(wěn)定。氣體核心由水溶性低的惰性氣體構(gòu)成，如全氟化碳等。超聲微泡常與超聲靶向微泡破壞(UTMD)技術(shù)相結(jié)合，其優(yōu)勢包括超聲造影劑安全性高，對人體無毒副作用；可以在靶向部位釋放藥物；微泡破裂產(chǎn)生的空化效應(yīng)可以增加細(xì)胞膜和血管壁的通透性，促進(jìn)藥物深層遞送。此外，還可以通過調(diào)節(jié)超聲參數(shù)，如頻率、占空比、輻照時間等進(jìn)行藥物的時空控釋。因此超聲微泡作為藥物載體具有安全、高效、可控等優(yōu)勢。藥物主要通過3種方式載入微泡：1)藥物載入微泡殼層中；2)藥物與微泡通過靜電吸附或共價結(jié)合的方式載入微泡表面；3)藥物分子直接作為微泡殼層材料。Nakaya等[4]將藥物載入超聲微泡內(nèi)部，評估了超聲微泡對兔關(guān)節(jié)炎模型的治療效果，結(jié)果表明超聲能增強(qiáng)滑膜細(xì)胞對藥物的吸收，進(jìn)而增強(qiáng)抗炎療效。Zhao等[5]將基因療法與UTMD技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，通過靜電作用將siRNA吸附在卟啉微泡表面，卟啉微泡聯(lián)合UTMD顯著增加了siRNA的局部積累，對于三陰性乳腺癌具有顯著療效。由于微泡直徑較大，不易通過一些致密的組織間隙，如血腦屏障、實(shí)體瘤組織?；谶@類問題，研究人員也開發(fā)了微泡向納米泡轉(zhuǎn)化的體系。Chen等[6]提出一種基于卟啉/喜樹堿-氟尿苷三聯(lián)體微泡(PCF-MBs)的高效聯(lián)合治療策略，該微泡具有高載藥量、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，不僅可以作為造影劑，還能實(shí)現(xiàn)化學(xué)光動力的聯(lián)合治療。PCF-MBs在超聲作用下轉(zhuǎn)化為納米顆粒，使化療藥物在腫瘤內(nèi)部大量積累，避免了全身毒副作用。PCF-MBs在克服結(jié)直腸癌和其他癌癥耐藥性方面具有良好的應(yīng)用前景。

以上相關(guān)研究表明，超聲微泡是一種安全有效的藥物遞送載體，既具有造影成像功能，又可以遞送藥物，具有重要的臨床應(yīng)用價值。主要優(yōu)點(diǎn)包括：微泡能在超聲引導(dǎo)下遞送藥物，靶向至特定組織從而減少毒副作用；保護(hù)藥物如蛋白質(zhì)、核酸的變性或降解；通過超聲的空化作用增強(qiáng)細(xì)胞對藥物的攝取。但超聲微泡仍存在一些局限性：由于超聲微泡具有較大的尺寸，因此不容易滲出血管。微泡會被體內(nèi)單核巨噬細(xì)胞吞噬溶解，導(dǎo)致微泡在肝、脾、肺等重要器官的積累增加。此外，超聲微泡穩(wěn)定性不足，可能在體外破裂而影響療效。針對這些問題，未來研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化配方，通過提高穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)尺寸、電荷反轉(zhuǎn)、靶向技術(shù)等降低微泡在體內(nèi)網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的捕獲和清除率，并開發(fā)其他超聲響應(yīng)載體，以進(jìn)一步彌補(bǔ)超聲微泡的不足。

2.2 脂質(zhì)體

脂質(zhì)體具有良好的生物相容性，是最常見的藥物遞送載體之一，至今已有60多年的發(fā)展歷史。脂質(zhì)體粒徑通常在100～200 nm以內(nèi)，由磷脂雙分子層構(gòu)成，親水端位于脂質(zhì)體的內(nèi)外表面，因此脂質(zhì)體內(nèi)部可包裹親水性藥物；而疏水端位于脂質(zhì)體雙層膜之間，可包裹親脂性藥物。目前Doxil、Caelyx等多種脂質(zhì)體制劑已被批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，是安全有效的藥物遞送載體。

超聲響應(yīng)的脂質(zhì)體是近幾年的研究熱點(diǎn)。研究表明超聲可以觸發(fā)脂質(zhì)體釋放藥物，通過改變超聲參數(shù)及脂質(zhì)體的組成成分可調(diào)控藥物的釋放效率。部分研究者將聲敏劑與脂質(zhì)體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超聲響應(yīng)性藥物釋放。Rwei[7]等研發(fā)了一種可按需緩解局部疼痛的麻醉劑遞送載體，以安全的方式控制患者神經(jīng)阻滯的時間、強(qiáng)度和持續(xù)時間。他們將麻醉劑河豚毒素(TTX)載入脂質(zhì)體親水區(qū)，原卟啉IX (PPIX)作為聲敏劑載入疏水區(qū)，在超聲作用下刺激PPIX產(chǎn)生活性氧(ROS)，與脂質(zhì)體膜發(fā)生反應(yīng)促進(jìn)麻醉劑的釋放(圖2)。其優(yōu)勢包括可以重復(fù)超聲觸發(fā)藥物釋放、按需給藥，并且沒有全身毒性和不良反應(yīng)，可為患者提供個性化的治療方案，最大限度地減少藥物用量。Qu等[8]制備了一種超聲響應(yīng)的脂質(zhì)體，可突破血腦屏障(BBB)治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤，極大促進(jìn)了腦內(nèi)給藥。他們將聲敏劑二氫卟酚(Ce6) 結(jié)合到脂質(zhì)體上，羥氯喹(HCQ)載入脂質(zhì)體親水區(qū)，利用UTMD可逆地破壞血腦屏障，使藥物在最佳時間窗口積累在腦腫瘤中，實(shí)現(xiàn)超聲診斷治療一體化。

圖2 復(fù)合脂質(zhì)體示意[7]Fig.2 Schematic illustration of the composite liposomes[7]

回聲脂質(zhì)體是另一類超聲響應(yīng)性載體，脂質(zhì)體內(nèi)部含有氣體(圖3)，其相比于微泡脂質(zhì)體的粒徑較小，更容易進(jìn)入組織間隙。此外，其還可以通過空化作用提高組織和細(xì)胞的滲透性，增強(qiáng)細(xì)胞對納米粒子的攝取。回聲脂質(zhì)體主要有2種結(jié)構(gòu)：一種是在親水區(qū)含有2個腔室，分別包載藥物和氣體(圖3(a))；另一種是在親水區(qū)含有單層脂質(zhì)包裹的氣體(圖3(b))[9]。Huang等[10]將藥物和氣體同時包封在脂質(zhì)體內(nèi)，脂質(zhì)體內(nèi)氣體主要由空氣、全氟化碳或氬氣構(gòu)成。該脂質(zhì)體對超聲敏感，可在短時間內(nèi)釋放藥物，在診斷及治療上都具有較好的應(yīng)用前景。研究人員[11-12]還開發(fā)了新型聚乙二醇 (PEG) 改性的氣泡脂質(zhì)體，以提高基因遞送轉(zhuǎn)染效率，脂質(zhì)體內(nèi)部含有全氟丙烷氣體，可進(jìn)行超聲成像。超聲誘導(dǎo)氣泡脂質(zhì)體的空化作用，大大提高質(zhì)粒 DNA的轉(zhuǎn)染效率，是一種安全高效的藥物遞送方式。

綜上，脂質(zhì)體是藥物遞送的有效載體，超聲響應(yīng)的脂質(zhì)體能提高藥物遞送效率，在疾病的診斷及治療中有一定的前景。脂質(zhì)體的優(yōu)勢包括：載體具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，具有良好的生物相容性和低毒副作用；可以同時包載親水和疏水性藥物；脂質(zhì)體粒徑更小，更容易穿過血管抵達(dá)病變區(qū)域。盡管脂質(zhì)體載體表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，但多數(shù)脂質(zhì)體仍然處在臨床試驗(yàn)階段，脂質(zhì)體載體也存在一定局限性。首先，脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，容易引發(fā)藥物泄漏；其次，脂質(zhì)體載藥量較低，研究人員通過主動載藥(如pH梯度法、硫酸銨梯度法等)提高載藥效率，但此方法可能改變藥物結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響藥物釋放。為了更好實(shí)現(xiàn)藥物遞送，未來研究應(yīng)提高脂質(zhì)體穩(wěn)定性、優(yōu)化載體結(jié)構(gòu)，例如改良配方制備更高穩(wěn)定性的脂質(zhì)體；提高脂質(zhì)體載藥量，如調(diào)整藥脂比、對藥物進(jìn)行修飾、凍干脂質(zhì)體等，以提高脂質(zhì)體的藥物遞送效率，更好地發(fā)揮藥物的臨床治療效果。

圖3 回聲脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)示意[9]Fig.3 Schematic illustration of the echo liposomes structure[9]

2.3 膠束及納米液滴

聚合物膠束是常用的藥物載體，膠束通常由兩親性嵌段聚合物分子構(gòu)成，聚合物分子可以在水溶液中自組裝成藥物載體(圖4[13])。膠束中的藥物包封可有效降低游離藥物的全身濃度，并通過增強(qiáng)滲透和保留 (EPR) 效應(yīng)向腫瘤靶向給藥，從而減少對正常組織的毒副作用。

圖4 膠束及納米相變液滴結(jié)構(gòu)示意[13]Fig.4 Schematic illustration of the micelles and nano-phase change droplets structure[13]

目前膠束主要用于腫瘤藥物的遞送，超聲可作為外源性刺激觸發(fā)膠束釋放藥物。首先，超聲的機(jī)械作用可以引起聚合物化學(xué)鍵斷裂或結(jié)構(gòu)變化，藥物進(jìn)而從膠束中釋放。超聲的熱作用也可增加膠束內(nèi)藥物外滲到腫瘤組織中[14]。Gao等[15]使用聚合物膠束包裹阿霉素，靶向治療小鼠卵巢癌腫瘤，與對照組相比，局部超聲照射導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞中的藥物積累增加，超聲增強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)的藥物攝取和細(xì)胞殺傷效果，膠束結(jié)合腫瘤局部超聲照射導(dǎo)致腫瘤生長速率顯著降低。Gupta 等[16]研究了超聲聯(lián)合聚合物膠束對腫瘤復(fù)發(fā)和耐藥性的影響。他們研究了載有紫杉醇 (PTX)的膠束對小鼠胰腺癌的藥物遞送效果，結(jié)果表明膠束的性能與膠束核的彈性物理狀態(tài)有關(guān)。具有彈性核的膠束有更好的治療效果，因?yàn)槌暷艽龠M(jìn)藥物擴(kuò)散及共聚物的生物降解，實(shí)現(xiàn)藥物充分釋放。

作為藥物載體，膠束具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：可以作為難溶藥物的載體；親水外殼可以避免被巨噬細(xì)胞迅速清除，延長了在體內(nèi)的循環(huán)時間；通過EPR效應(yīng)增強(qiáng)藥物在腫瘤的被動聚集；聚合物膠束的多種表面修飾為克服生物屏障提供了優(yōu)勢。然而，目前大部分聚合物膠束仍處于基礎(chǔ)研究階段，距臨床應(yīng)用還有一定距離。原因包括聚合物膠束的設(shè)計較復(fù)雜，難以工業(yè)化生產(chǎn)；材料的生物相容性和降解能力存在不足；藥物載體不能完全滿足臨床需求等。當(dāng)然，聚合物膠束有很大的發(fā)展空間，通過材料優(yōu)化、配方篩選、生產(chǎn)工藝改進(jìn)等有望進(jìn)一步推動該藥物遞送系統(tǒng)向臨床轉(zhuǎn)化。

納米液滴是一類具有相變功能的乳劑，表面可由磷脂、蛋白質(zhì)等包覆，內(nèi)部通常含有液態(tài)全氟化碳(圖4)。在超聲刺激下穩(wěn)定的液態(tài)核會相變?yōu)闅鈶B(tài)并發(fā)生體積膨脹，從而實(shí)現(xiàn)超聲造影功能，同時在相變過程中釋放攜帶的藥物。納米液滴廣泛用于超聲介導(dǎo)下的藥物遞送、診斷成像、增強(qiáng)熱消融等。通過改變超聲功率、作用時間、成分比例等可調(diào)整納米液滴的大小和外滲效率，從而提高藥物遞送效率[17]。Rapoport 等[18]報道了負(fù)載紫杉醇的全氟化碳納米液滴，在靜脈注射2 h后，約有 50% 的注射劑量保留在體內(nèi)。使用1 MHz的治療性超聲輻照可觸發(fā)納米液滴向氣泡轉(zhuǎn)變，納米液滴汽化形成微泡后可以在體內(nèi)循環(huán)和長期滯留，并在腫瘤組織中被動積累；在乳腺癌和胰腺癌動物模型中，載有紫杉醇的納米液滴聯(lián)合超聲顯著抑制腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。Liu等[19]制備了一種殼聚糖/全氟己烷納米液滴用于Dickkopf-2(DKK-2)基因的控釋。納米液滴表面帶正電，可以吸引表面帶負(fù)電的基因形成納米復(fù)合物。納米液滴與超聲結(jié)合后釋放基因，通過細(xì)胞膜上的納米級孔進(jìn)入前列腺癌細(xì)胞，進(jìn)一步抑制了癌細(xì)胞的增殖。納米液滴的生物安全性良好，可以實(shí)現(xiàn)超聲響應(yīng)的納米向微米級的轉(zhuǎn)變，載藥效率高，但過高的相變聲壓可能引發(fā)組織出血等并發(fā)癥，較大氣泡也有栓塞血管的風(fēng)險。此外，納米液滴也存在穩(wěn)定性不足的問題，難以長期保存。因此，后續(xù)研究需要進(jìn)一步優(yōu)化納米液滴的作用條件，為其臨床轉(zhuǎn)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.4 無機(jī)納米粒子

超聲響應(yīng)的無機(jī)載體主要有介孔硅納米粒子、納米金顆粒、量子點(diǎn)等。相比于有機(jī)納米粒子，無機(jī)納米粒子具有合成方法簡單、粒徑均一等優(yōu)點(diǎn)。金納米粒子具有多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括用于成像、熱消融和放射治療增敏以及藥物遞送[20]等。但金屬載體降解及代謝困難，因而在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用受限。介孔硅是研究最為廣泛的無機(jī)納米載體(圖5[21])，它是由二氧化硅構(gòu)成的孔隙載體，平均粒徑約200 nm，孔隙直徑約2～6 nm。介孔硅具有穩(wěn)定性高、比表面積大、藥物吸附量高等優(yōu)勢，是藥物遞送的理想載體。Kang 等[22]開發(fā)了一種超聲觸發(fā)的介孔硅藥物遞送系統(tǒng)，可以改變腫瘤細(xì)胞內(nèi)的藥物分布，顯著提高細(xì)胞核的藥物積累。體內(nèi)外結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲結(jié)合介孔硅載體可以延長藥物在腫瘤內(nèi)的滯留時間，顯著提高荷瘤小鼠的治療效果，為腫瘤藥物遞送及克服癌癥的耐藥性提供新思路。超聲引發(fā)的空化效應(yīng)可以增強(qiáng)藥物釋放，研究人員制備了有疏水孔道的介孔硅載體，疏水孔道中可裝載疏水藥物紫杉醇和氣體。作為超聲空化核，該遞送體系聯(lián)合超聲可以顯著抑制 4T1腫瘤的生長達(dá)3倍以上[23]。Qi 等[24]開發(fā)了一種具有超聲活化的麻醉藥物遞送系統(tǒng)，他們將藥物封裝在介孔硅內(nèi)，通過超聲實(shí)現(xiàn)麻醉劑按需釋放，達(dá)到持續(xù)鎮(zhèn)痛的效果。結(jié)果表明超聲觸發(fā)2 h后可釋放約50%的藥物，12 h內(nèi)釋放達(dá)90%以上，這種超聲響應(yīng)的介孔硅載體有望應(yīng)用于臨床局部麻醉。

超聲結(jié)合無機(jī)納米粒子遞送藥物具有EPR效應(yīng)好、成本低、易改性和修飾等優(yōu)點(diǎn)，但進(jìn)入臨床試驗(yàn)的無機(jī)納米粒子較少，無機(jī)材料難降解、體內(nèi)毒副作用較大、靶向性不足是主要的限制因素，此外，無機(jī)納米粒子的應(yīng)用仍局限于腫瘤治療領(lǐng)域。未來需要進(jìn)一步提高無機(jī)納米粒子的安全性和降解能力，并與主動靶向配體結(jié)合，同時將載體的超聲響應(yīng)與pH、活性氧等微環(huán)境相結(jié)合，減少藥物不良反應(yīng)，促進(jìn)藥物遞送系統(tǒng)的發(fā)展。

綜上所述，超聲響應(yīng)的微納米載體可以顯著提高藥物遞送效率，但相關(guān)微納米材料的臨床轉(zhuǎn)化仍然面臨挑戰(zhàn)，諸如商業(yè)化生產(chǎn)困難、材料重復(fù)性差、體內(nèi)安全性需要進(jìn)一步考察等。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化載體的配方和制備方法，提高載體的超聲響應(yīng)性能和體內(nèi)可降解性，為實(shí)現(xiàn)臨床成果轉(zhuǎn)化打好基礎(chǔ)。盡管當(dāng)前超聲觸發(fā)的藥物遞送體系仍存在一些不足，但隨著研究的深入，其必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 介孔硅結(jié)構(gòu)示意[21]Fig.5 Schematic illustration of mesoporous silicon structure[21]

3 超聲增強(qiáng)藥物遞送效果

超聲由于具有機(jī)械作用、熱效應(yīng)等基本特性，再聯(lián)合各類超聲響應(yīng)的藥物載體，在藥物遞送中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。超聲可以提高藥物的遞送靶向性，通過在病變組織給予特定強(qiáng)度的超聲照射，載體中攜帶的相關(guān)藥物即可以定點(diǎn)、定時釋放，提高局部藥物濃度以達(dá)到靶向治療、減少毒副作用的目的。Shakeri-Zadeh 等[25]將載有5-氟尿嘧啶 (5-Fu)的納米膠囊通過磁性靶向至小鼠結(jié)腸腫瘤中，在靜脈注射納米膠囊后，超聲輻照可以進(jìn)一步增加納米粒子在腫瘤組織的積累，從而增加藥物的靶向效率，表明通過超聲的空化作用誘導(dǎo)細(xì)胞膜開放對于藥物靶向遞送具有很好的應(yīng)用價值。Cui等[26]利用UTMD輔助間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)向血腦屏障(BBB)遷移，對腦缺血小鼠進(jìn)行低強(qiáng)度超聲經(jīng)顱照射，同時注入脂質(zhì)微泡和MSCs，結(jié)果證實(shí)對缺血區(qū)超聲照射可以實(shí)現(xiàn)MSCs從腦血管向?qū)嵸|(zhì)的遷移，腦半球內(nèi)MSCs數(shù)量也顯著高于未超聲組，表明超聲可以成功遞送MSCs至腦缺血靶區(qū)，并改善神經(jīng)功能。Yang等[27]通過聚焦超聲將自然殺傷(NK)細(xì)胞靶向遞送至實(shí)體瘤內(nèi)。NK細(xì)胞是人體抵御腫瘤的第一道防線，在腫瘤細(xì)胞免疫治療中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但它們難以從血液循環(huán)中進(jìn)入腫瘤，治療效率受阻。因此，研究人員使用基因改造的NK-92MI細(xì)胞，通過聚焦超聲及微泡促進(jìn)細(xì)胞向卵巢腫瘤浸潤，實(shí)現(xiàn)靶向遞送及治療。

超聲可以促進(jìn)藥物在靶組織的均勻分布，增強(qiáng)藥物的滲透性。Snipstad等[28]研究超聲介導(dǎo)的藥物遞送機(jī)制，腫瘤組織具有多種生物屏障，且腫瘤核心區(qū)和邊緣區(qū)血管形態(tài)不同，納米粒子的遞送通常是異質(zhì)且不均勻。他們將載藥微泡靜脈注射到小鼠體內(nèi)，用不同聲壓和脈沖的超聲照射腫瘤，并對腫瘤組織內(nèi)的納米載體的分布進(jìn)行成像。結(jié)果表明高強(qiáng)度聲壓可以使微泡完全破裂，腫瘤對藥物的攝取提高了3倍，并且對正常組織沒有損傷。超聲還可以顯著促進(jìn)納米粒子在腫瘤內(nèi)的灌注，實(shí)現(xiàn)均勻滲透。Ho等[29]通過UTMD聯(lián)合抗血管治療改善藥物在腫瘤的滲透。利用聚焦超聲及脂質(zhì)微泡遞送阿霉素。他們發(fā)現(xiàn)多次超聲刺激可以破壞特定大小的腫瘤血管，導(dǎo)致均勻的抗血管作用，進(jìn)而促進(jìn)藥物在腫瘤的均勻滲透，顯著提高聯(lián)合治療的療效。Wang等[30]利用超聲促進(jìn)溶栓藥物對血栓的滲透。常規(guī)溶栓藥物如組織纖溶酶原激活劑(tPA)可用于治療血管阻塞，但面臨生物利用度低、脫靶副作用、血栓滲透有限等挑戰(zhàn)，他們開發(fā)了一種遞送tPA的多孔磁性微泡體系，藥物被磁性引導(dǎo)至血栓，然后通過超聲觸發(fā)藥物釋放。與傳統(tǒng)的 tPA 注射治療相比，在靜脈血栓形成的小鼠模型中該體系使殘余的血栓減少了 67.5%，超聲作用下tPA對血栓的穿透深度可達(dá)數(shù)百微米。

超聲觸發(fā)的藥物遞送系統(tǒng)可以將診斷與治療相結(jié)合，其特有的作用機(jī)制增強(qiáng)了藥物遞送效果。未來可通過調(diào)節(jié)超聲頻率、占空比、超聲時間、脈沖長度等參數(shù)，優(yōu)化治療條件，達(dá)到體內(nèi)藥物定點(diǎn)、定量、靶向釋放的效果。

4 超聲藥物遞送臨床應(yīng)用前景

4.1 腫瘤治療

惡性腫瘤至今仍嚴(yán)重威脅人類的健康，其臨床治療仍面臨很多挑戰(zhàn)。惡性腫瘤的常用治療手段包括手術(shù)切除、化療、放療、免疫治療等。但藥物到達(dá)腫瘤需要經(jīng)過3層屏障：血液屏障、組織屏障及細(xì)胞屏障，如何突破腫瘤屏障，實(shí)現(xiàn)藥物的深層遞送一直是研究的難點(diǎn)。

圖6 喜樹堿-氟尿苷微泡聯(lián)合超聲誘導(dǎo)的微納米轉(zhuǎn)換用于腫瘤原位治療示意[31]Fig.6 Schematic illustration of micro-to-nano conversion of Janus camptothecin-floxuridine MBs combined with ultrasound for in situ tumor therapy[31]

近年來超聲輔助腫瘤診斷和治療為腫瘤的藥物深層遞送提供了新的方向。Liang等[31]合成了一種兩親性的喜樹堿-氟尿苷(CF)偶聯(lián)物微泡用于腫瘤的藥物遞送(圖6)。CF微泡(CF-MBs)作為超聲(US)造影劑可以靶向定位腫瘤，并監(jiān)測藥物的分布和釋放情況。同時CF-MBs在超聲作用下轉(zhuǎn)化為CF 納米粒子(CF-NPs)，細(xì)胞膜和血管的滲透性增強(qiáng)，腫瘤部位積聚的CF-NPs數(shù)量顯著增加。超聲處理的CF-MBs在腫瘤處的藥物積累量是單純CF-MBs或CF-NPs的數(shù)倍，腫瘤生長抑制率顯著提高。Lee等[32]利用HIFU增強(qiáng)肺癌的藥物遞送效率。A549 肺腫瘤富含膠原蛋白和透明質(zhì)酸，通過HIFU對腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)進(jìn)行重塑，細(xì)胞周圍血流量增強(qiáng)。結(jié)果表明HIFU能促進(jìn)阿霉素的遞送，腫瘤細(xì)胞攝取藥物量明顯增加。此外，超聲還可以協(xié)同氣體治療改善腫瘤的藥物遞送，Zhang等[33]將NO供體L-精氨酸(L-arginine，LA)與化療結(jié)合治療胰腺癌，HIFU作為外源性刺激可控制NO的釋放，顯著抑制Panc-1腫瘤的生長。腫瘤免疫是近年來研究的熱點(diǎn)，超聲還可以與免疫相結(jié)合促進(jìn)疾病治療，特別是增強(qiáng)腫瘤疫苗的遞送效果。腫瘤疫苗以多肽、腫瘤組織、重組DNA等為治療性免疫原，激活免疫細(xì)胞的特異性反應(yīng)從而殺死腫瘤細(xì)胞。Oda等[34]利用超聲微泡將腫瘤相關(guān)抗原多肽導(dǎo)入樹突狀細(xì)胞(dendritic cell, DC)中，由于超聲可以促進(jìn)細(xì)胞轉(zhuǎn)染，有利于將腫瘤抗原導(dǎo)入DC細(xì)胞中，顯著抑制了黑色素瘤的轉(zhuǎn)移。綜上所述，超聲輔助腫瘤的藥物遞送是一種很有前景的策略，可以增強(qiáng)實(shí)體腫瘤藥物遞送的深度。目前，超聲輔助藥物遞送的基礎(chǔ)研究涉及乳腺癌、肺癌、肝癌、結(jié)腸癌等疾病，在腫瘤藥物遞送方面取得了一定的研究成果。超聲輔助腫瘤治療的局限性主要集中于超聲觸發(fā)腫瘤內(nèi)部產(chǎn)生ROS，可能加劇腫瘤內(nèi)部的缺氧，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞增殖及耐藥性增強(qiáng)。未來需要優(yōu)化及開發(fā)聲敏劑材料，同時解決腫瘤乏氧問題，超聲聯(lián)合多種療法有望進(jìn)一步改善腫瘤的療效。

4.2 心血管疾病治療

心血管疾病是全球性難治型重大疾病。UTMD作為一種安全無創(chuàng)的藥物遞送技術(shù)，可以通過向心肌組織遞送藥物或轉(zhuǎn)染基因治療心血管疾病、保護(hù)心臟功能，為心血管疾病的治療帶來新的曙光。

Kopechek等[35]構(gòu)建陽離子脂質(zhì)微泡靶向遞送MicroRNAs，同時將分子治療劑靶向遞送至小鼠心臟，抑制高血壓引起的心臟肥大，保護(hù)心臟的收縮功能，為病理性心臟肥大引起的高血壓提供新的治療思路。Huang等[36]通過超聲微泡轉(zhuǎn)染基因治療大鼠的自發(fā)型高血壓，G 蛋白偶聯(lián)受體激酶4型 (GRK4)在長期控制血壓和鈉排泄方面發(fā)揮著重要作用，利用UTMD 靶向遞送GRK4 siRNA至腎臟，UTMD介導(dǎo)的基因遞送有效降低了自發(fā)性高血壓大鼠的GRK4表達(dá)并降低了血壓。

血管血栓是冠狀動脈疾病的主要原因，研究表明，超聲溶栓技術(shù)與纖維蛋白溶解劑聯(lián)合應(yīng)用是有效的治療方法。靜脈注射超聲微泡可以增強(qiáng)溶栓作用，同時遞送纖溶藥物促進(jìn)血管再通[37-39]。Li等[40]構(gòu)建了血栓誘導(dǎo)的冠狀動脈無復(fù)流動物模型，利用超聲微泡遞送纖溶酶激活劑，結(jié)果表明，富含血小板和紅細(xì)胞的微血栓可以通過超聲與微泡的聯(lián)合治療來解決，該療法可以有效改善冠狀動脈無復(fù)流的預(yù)后。Guan等[41]構(gòu)建一種可靶向血栓的微泡，有望實(shí)現(xiàn)診斷治療一體化。他們構(gòu)建了兔血栓模型，探索RGDS靶向四肽修飾的微泡聯(lián)合尿激酶的治療效果。結(jié)果表明，治療后血栓的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，血栓完全溶解，該靶向微泡是一種安全有效的溶栓制劑。此外，血栓栓塞后還會引發(fā)缺血及再灌注損傷，為解決這一問題，Zhong等[42]利用超聲觸發(fā)氣體治療，將載有硫化氫的微泡局部遞送至血栓，結(jié)果表明通過超聲控制硫化氫局部釋放，大血栓的血栓面積、凝塊質(zhì)量都顯著降低，血栓的再通率、血流速度和后肢灌注等相應(yīng)增加，微泡治療后活性氧和細(xì)胞凋亡也明顯降低。這種超聲觸發(fā)的硫化氫遞送系統(tǒng)可以有效溶解白色及紅色血栓，同時對骨骼肌缺血再灌注損傷也有較好的緩解作用。

超聲載藥系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)心肌梗死的精準(zhǔn)治療。缺血性心肌的干細(xì)胞治療是一種有效療法，但移植的干細(xì)胞在嚴(yán)重缺血條件下的存活率較低，治療存在較大挑戰(zhàn)。Sun等[43]將骨髓干細(xì)胞(BMSCs)精確遞送至缺血心肌并提高其活性，通過UTMD對脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白2 (PHD2)shRNA 修飾的 BMSCs 進(jìn)行心肌靶向移植，結(jié)果表明超聲靶向移植的干細(xì)胞存活增加、心肌細(xì)胞凋亡減少、梗死面積減小、血管密度增加且心臟功能得到明顯改善。這種超聲輔助遞送基因的方法顯著促進(jìn)移植細(xì)胞的歸巢和活性，并增加了梗塞心肌血管的生成，從而改善了心臟功能，為提高急性心肌梗死后干細(xì)胞治療提供一種有前景的策略。超聲微泡還可以促進(jìn)干細(xì)胞向缺血心肌的歸巢，通過促進(jìn)新生血管形成、心肌細(xì)胞增殖來改善心功能[44]。Hinkel等[45]利用超聲微泡將antimiR分子有效遞送至大動物心肌細(xì)胞內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)有效抗心肌纖維化(圖7)。他們對豬進(jìn)行短暫的左冠狀動脈經(jīng)皮閉塞，構(gòu)建豬心力衰竭模型，超聲控制局部遞送antimiR-21之后評估心肌功能，結(jié)果顯示治療后心臟纖維化和肥大減少，心臟功能顯著改善。

超聲輔助心臟藥物遞送具有靶向、可控、兼具成像及治療等優(yōu)勢，但國內(nèi)外的相關(guān)研究仍處于細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)階段，距離臨床應(yīng)用仍有一定的距離。超聲結(jié)合心血管疾病的大部分研究涉及微泡UTMD技術(shù)，UTMD的治療參數(shù)需要進(jìn)一步明確。超聲應(yīng)用的局限性還包括輻照過強(qiáng)對心肌細(xì)胞的損傷、抑制細(xì)胞增殖、組織出血溶血等。隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和超聲輔助藥物遞送領(lǐng)域的研究不斷深入，超聲輔助心血管藥物遞送的相關(guān)研究逐步優(yōu)化，研究成果必將更好地服務(wù)于臨床[2]。

圖7 超聲微泡局部遞送antimiR-21有效抑制心肌纖維化[45]Fig.7 Local delivery of antimiR-21 by ultrasound microbubbles effectively inhibits myocardial fibrosis[45]

4.3 突破血腦屏障

血腦屏障(BBB)是藥物向腦內(nèi)遞送的主要屏障，它是一種特殊的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞系統(tǒng)，可以阻止血流中的有害物質(zhì)進(jìn)入大腦，同時為大腦提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)[46]。正是因?yàn)锽BB的存在，藥物難以滲透到大腦中。研究表明，超聲可以無創(chuàng)、有效地打開血腦屏障，將藥物局部遞送至特定區(qū)域，在治療腦卒中、阿爾茨海默癥、腦腫瘤等腦疾病中具有重要的臨床應(yīng)用前景[47-48]。超聲處理后藥物通過多種途徑進(jìn)入毛細(xì)血管，主要包括胞吞作用、內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)開口、打開部分緊密連接、自由通過受傷的內(nèi)皮細(xì)胞(使用更高功率的超聲)等[49]。

惡性膠質(zhì)瘤是一種中樞神經(jīng)的侵襲性腫瘤，5年生存率較低。由于血腦屏障和腫瘤屏障，腫瘤部位的藥物積累水平低，藥物滲透不均勻。Liu等[50]開發(fā)一種S1PR靶向脂質(zhì)體遞送系統(tǒng)(S1P/JS-K/Lipo)，該系統(tǒng)用于遞送一氧化氮 (NO) 前藥 JS-K，并使用1-磷酸鞘氨醇(S1P)信號分子作為活性靶向脂質(zhì)配體，在超聲作用下JS-K形成NO氣泡，顯著促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞死亡，成功實(shí)現(xiàn)血腦腫瘤屏障穿透和多組分藥物的腫瘤靶向遞送。Zhao等[51]將UTMD與西蘭肽(CGT)納米粒子聯(lián)合用于治療惡性膠質(zhì)瘤。結(jié)果表明，結(jié)合UTMD后化療藥物穿透血腦屏障的效率明顯提升，CGT在腫瘤內(nèi)的含量增加3倍以上，腎臟清除率顯著降低，說明UTMD顯著增強(qiáng)藥物向膠質(zhì)瘤組織的遞送效率。

需要指出的是，超聲雖然能可逆性地打開血腦屏障，使藥物遞送到腦內(nèi)，但同時它也是一把雙刃劍，超聲的空化作用及聲孔效應(yīng)可能損傷毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，造成一定程度的腦損傷，因此超聲突破血腦屏障的安全性需要深入研究。今后研究應(yīng)明確超聲治療參數(shù)、藥物載體、使用劑量等因素對血腦屏障開放程度的影響，合理應(yīng)用超聲輔助遞送技術(shù)，進(jìn)而提高藥物在腦部病變組織的靶向遞送效果[57]。

圖8 超聲介導(dǎo)的微陽離子微泡促進(jìn)小鼠腦部基因轉(zhuǎn)染[54]Fig.8 Ultrasound-mediated slightly cationic microbubbles facilitate gene transfection in the murine brain[54]

4.4 骨骼肌肉疾病治療

骨骼肌肉疾病涉及骨軟骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部位的急慢性損傷，常導(dǎo)致疼痛和功能障礙，影響患者的生活質(zhì)量。近年來隨著超聲在肌骨疾病診療的廣泛應(yīng)用，超聲輔助肌骨藥物遞送也逐漸發(fā)展起來，實(shí)現(xiàn)了疾病診斷、藥物靶向輸送的一體化治療。

Wang等[58]利用超聲微泡遞送辛伐他汀，延緩了家兔骨關(guān)節(jié)炎(OA)的進(jìn)展，表明UTMD結(jié)合藥物治療顯著促進(jìn)了軟骨細(xì)胞外基質(zhì)合成，提高蛋白聚糖、Ⅱ型膠原的表達(dá)。Xiang等[59]利用超聲微泡遞送基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α (SDF-1α)，SDF-1α可以促進(jìn)干細(xì)胞歸巢，超聲微泡聯(lián)合生長因子可促進(jìn)更多的干細(xì)胞遷移至軟骨，細(xì)胞活力良好，為OA 提供一種有前景的治療方法。研究人員還利用UTMD技術(shù)治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)，RA會導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形，糖皮質(zhì)激素作為一種常用藥物需要大劑量長期使用，且療效不明顯，臨床應(yīng)用受限。Wang等[60]制備了負(fù)載地塞米松磷酸鈉的脂質(zhì)體，利用UTMD觸發(fā)納米粒子釋放藥物，有效緩解大鼠關(guān)節(jié)腫脹、骨侵蝕和炎癥(圖9)。因此，超聲靶向藥物遞送是治療RA的一種較有前景的策略。

超聲可協(xié)同骨軟骨損傷治療。骨軟骨的再生修復(fù)是臨床上面臨的挑戰(zhàn)之一，特別是大面積骨軟骨缺損，自體取骨存在出血感染、供體受損等缺陷。近幾年組織工程技術(shù)發(fā)展迅速，研究表明組織工程技術(shù)可以聯(lián)合超聲促進(jìn)藥物釋放，提高基因轉(zhuǎn)染效率，促進(jìn)骨軟骨修復(fù)。Li等[61]將骨形態(tài)發(fā)生蛋白7(BMP7)包裹在微泡內(nèi)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)附著在微泡表面，修復(fù)大鼠股骨缺損，結(jié)果證實(shí)超聲能觸發(fā)BMP2和BMP7釋放，促進(jìn)骨缺損愈合。Gong等[62]制備具有血管化能力和骨誘導(dǎo)生物活性的生物材料，并開發(fā)載有血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的聚乳酸微泡，與UTMD相結(jié)合用于骨修復(fù)的血管生成和成骨誘導(dǎo)。該遞送系統(tǒng)顯著促進(jìn)大鼠顱骨缺損的骨再生和血管化，具有一定的臨床轉(zhuǎn)化潛能。

超聲還可以輔助肌肉組織的藥物遞送。Tang等[63]利用超聲微泡遞送cDNA，將胰島素樣生長因子-1(IGF-1)基因轉(zhuǎn)染至大鼠損傷跟腱部位。治療后的大鼠跟腱最大負(fù)荷、強(qiáng)度及極限應(yīng)力均有顯著提高，為超聲增強(qiáng)的肌腱損傷基因治療提供了依據(jù)。

綜上所述，超聲穿透性高、操作便捷、診療一體化的優(yōu)勢，使其在骨骼肌肉疾病的遞送領(lǐng)域大有可為，但目前超聲在骨骼肌肉系統(tǒng)的藥物遞送領(lǐng)域研究較少，未來可以將超聲載體與組織工程支架結(jié)合，為骨關(guān)節(jié)炎、骨軟骨缺損等疾病的治療帶來新的見解和思路。

圖9 靶向脂質(zhì)體聯(lián)合超聲治療大鼠類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[60]Fig.9 Targeted liposomes combined with ultrasound in the treatment of rheumatoid arthritis in rats[60]

5 結(jié)語與展望

超聲介導(dǎo)的藥物遞送體系在各類疾病的診斷和治療中具有廣闊的應(yīng)用前景，與其他刺激響應(yīng)性方法相比，超聲的組織穿透力深、可控性高，并且能實(shí)現(xiàn)診斷治療一體化，但它在臨床轉(zhuǎn)化上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。藥物遞送的關(guān)鍵包括載藥效率高、防止藥物泄漏、避免藥物失活、保證藥物到達(dá)特定部位釋放等。因此，理想的超聲介導(dǎo)藥物遞送體系需具備以下特點(diǎn)：1)載體性能穩(wěn)定，能避免藥物在體內(nèi)失活或提前泄漏；2)載藥量高，能在靶組織積聚，具有合適的循環(huán)半衰期；3)良好的生物相容性，無毒副作用；4)對超聲響應(yīng)具有可重復(fù)性和預(yù)測性。除載體外，藥物遞送還受到超聲參數(shù)、靶細(xì)胞類型、細(xì)胞微環(huán)境等因素的影響，因此要確立超聲參數(shù)對不同靶組織的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，避免超聲機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)等對正常組織造成損傷，從而進(jìn)一步提高超聲介導(dǎo)的藥物遞送的靶向性和安全性。