王治文 姜楠 胡波

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院超聲影像科,湖北 武漢 430060)

心血管血栓栓塞性疾病發(fā)病率較高,患者預(yù)后較差,其中對于外周大血管、心腦血管發(fā)生的動脈內(nèi)血栓栓塞事件,可導(dǎo)致患者肢體及重要臟器不可逆性的損傷,顯著增高致死率和致殘率。任何導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷、血流狀態(tài)以及凝血功能異常的因素均可導(dǎo)致心血管系統(tǒng)的血栓栓塞。目前臨床上主要是采用藥物或介入的方法治療血栓。然而,臨床常規(guī)治療方法存在著治療效果欠佳、治療應(yīng)用局限等問題[1],其中溶栓藥物治療需在急診治療有限的溶栓窗口期內(nèi)開展,無法實現(xiàn)栓塞區(qū)域的針對性聚集,在可能無法達到良好治療效果的同時,還存在全身性系統(tǒng)性出血等并發(fā)癥風(fēng)險[2];介入治療或外科血栓切除的方式能保證大血管及血管主要分支的大面積血栓栓塞的治療效果,但對于微小血管栓塞、組織血管網(wǎng)功能的恢復(fù)以及器官組織微血管灌注等方面仍是目前臨床難以解決的問題。這些問題導(dǎo)致了患者在血管血栓栓塞性事件發(fā)生后,重要組織器官缺血的情況仍存在,嚴重影響了患者的預(yù)后。與之相比,超聲聲學(xué)溶栓療法在具有簡便、無創(chuàng)等優(yōu)勢的同時,可通過設(shè)計應(yīng)對溶栓的超聲響應(yīng)性納米載體如微泡等,并增加其在栓塞區(qū)域內(nèi)的靶向聚集作用,從而增強超聲聲學(xué)溶栓治療效果,為微血管灌注治療及組織血管功能恢復(fù)提供了可能性。這種治療方式能減少溶栓藥物使用量,降低并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險,為血栓栓塞性疾病的治療提供了新的途徑,是心血管血栓栓塞性疾病治療方式的創(chuàng)新,具有較大的臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化潛力?；诖?本文就超聲聲學(xué)療法進行心血管血栓栓塞性疾病的治療機制、影響因素及治療方式等研究進展進行綜述。

1 超聲聲學(xué)溶栓的起源及溶栓機制

在20世紀90年代,已有研究[3]運用超聲介導(dǎo)微泡開展溶栓的相關(guān)試驗,研究發(fā)現(xiàn)超聲具有一定的溶栓效果,在加入超聲響應(yīng)性納米載體如微泡后,溶栓效果獲得進一步增強,表明通過超聲介導(dǎo)微泡溶栓的方法具有臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的可行性,可作為臨床治療血管血栓栓塞性疾病的創(chuàng)新治療方法。發(fā)展至今,越來越多的研究者投入其中,設(shè)計研究了多種以超聲為主導(dǎo)的聲學(xué)溶栓治療方式,尤其是在超聲聲學(xué)模式參數(shù)調(diào)節(jié)及超聲響應(yīng)性納米載體上的探索與創(chuàng)新,在能顯著提高血管內(nèi)血栓清除效率[4]的同時,還可獲得綜合治療的效果,在臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中不斷前進。

目前研究表明,超聲聲學(xué)溶栓的機制主要有以下幾個方面。(1)熱效應(yīng):超聲作用部位通過吸收超聲能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能[5],該升溫現(xiàn)象可增強纖維蛋白溶解酶的活性,促進血栓內(nèi)纖維蛋白的溶解,從而使血栓結(jié)構(gòu)裂解,有助于溶栓。(2)空化效應(yīng):空化效應(yīng)是指在聲波的作用下液體中的微泡發(fā)生振動、生長和崩裂的動力學(xué)過程[6]。根據(jù)聲壓的高低,空化效應(yīng)分為穩(wěn)定空化和瞬態(tài)空化:穩(wěn)定空化為微泡在較低聲壓下發(fā)生的穩(wěn)定振蕩破裂,持續(xù)時間長;瞬態(tài)空化為微泡在較高聲壓下迅速增大并破裂,持續(xù)時間短[7]。穩(wěn)定空化為超聲持續(xù)發(fā)揮溶栓效應(yīng)起了關(guān)鍵作用[8]。空化效應(yīng)溶栓的機制在于微泡破裂時產(chǎn)生的能量可毀損血栓,增加血栓的間隙,有利于更多微泡或藥物進入血栓內(nèi)部持續(xù)發(fā)揮作用[9],并有助于周圍液體形成微射流,微射流能破壞血栓交聯(lián)結(jié)構(gòu),從而進一步實現(xiàn)溶栓[10]。(3)機械效應(yīng):超聲除了本身可通過機械振動松解纖維蛋白結(jié)構(gòu)[11],還能激發(fā)微泡破裂產(chǎn)生機械剪切力、破壞纖維蛋白網(wǎng)來加速血栓溶解[12],并且避免纖維蛋白和血小板重新組裝,具有良好的溶栓療效[13]。(4)促進干細胞歸巢:在超聲的波動將血細胞推向血管壁的基礎(chǔ)上,超聲介導(dǎo)微泡聯(lián)合輸注骨髓間充質(zhì)干細胞可使細胞靶向傳遞至血管栓塞部位,從而誘導(dǎo)血管生成,改善血流灌注,減少梗死面積[14]。

2 超聲聲學(xué)溶栓治療的必要條件及影響因素

在聲學(xué)溶栓作用機制的基礎(chǔ)上,超聲聲學(xué)溶栓治療具有一定的必要條件,主要包括超聲聲學(xué)參數(shù)的控制與調(diào)節(jié),以及超聲響應(yīng)性納米載體的選取、設(shè)計與制備。這些必要條件的選取與設(shè)置均對超聲聲學(xué)溶栓的療效具有決定性的影響。

2.1 超聲聲學(xué)參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)

超聲聲學(xué)溶栓治療過程中,可調(diào)節(jié)的聲學(xué)參數(shù)包括聲壓、頻率、機械指數(shù)(mechanical index,MI)、脈沖長度等。通過優(yōu)化這些超聲參數(shù),可使超聲介導(dǎo)超聲響應(yīng)性納米載體發(fā)揮溶栓治療作用的效率獲得提高。

2.1.1 超聲聲壓與輻照頻率

通過共同調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)某暵晧号c輻照頻率能實現(xiàn)及增強溶栓效果。當(dāng)頻率<0.04 MHz或>2 MHz時,若在聲壓范圍較寬或不精確控制聲壓的情況下,超聲聯(lián)合微泡無法實現(xiàn)有效的溶栓作用;當(dāng)頻率在0.25～1.05 MHz范圍內(nèi),且聲壓>1.2 MPa時即可出現(xiàn)溶栓作用[15]。這表明在一定的輻照頻率范圍內(nèi),提高聲壓有助于超聲溶栓治療作用,其原因是在于發(fā)揮溶栓作用的聲壓需高于微泡空化閾值,同時較高的聲壓能誘導(dǎo)產(chǎn)生連續(xù)空化效應(yīng)[16]。

2.1.2 MI與脈沖長度

超聲設(shè)備MI的調(diào)節(jié)與溶栓治療過程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機械效應(yīng)以及血管內(nèi)生物學(xué)效應(yīng)等均具有較大的相關(guān)性。其中,低MI超聲(0.8)能誘導(dǎo)特定類型微泡產(chǎn)生穩(wěn)定空化效應(yīng)并增強血管內(nèi)溶栓效率[17];高MI超聲(1.1～1.3)能促進血管內(nèi)皮細胞釋放NO,擴張微血管并改善組織灌注,從而獲得促進血栓溶解與清除的生物學(xué)效應(yīng)作用[18]。此外,在超聲溶栓治療時宜選用長脈沖模式,這是因為在短脈沖條件下微泡穿透血栓的聲壓閾值會增大,導(dǎo)致微泡進入血栓的難度增加、破壞纖維蛋白網(wǎng)的空化作用減弱[19],最終引起溶栓效果不佳。因此,通過對超聲MI模式及脈沖長度模式參數(shù)的選擇與調(diào)節(jié),能為超聲溶栓治療方法的設(shè)計與優(yōu)化提供新的思路。

2.1.3 不同血栓性疾病的超聲參數(shù)

在診治不同血栓性疾病時,使用的超聲參數(shù)主要是頻率的不同。當(dāng)用超聲對不同血栓性疾病進行診斷時,越表淺的如外周血管選用穿透性差但空間分辨率更高的高頻率超聲探頭,越深層的如腹部血管選用穿透性強但空間分辨率相對欠佳的低頻率超聲探頭。而在外周血管、冠狀動脈血栓性疾病的多個治療研究[20-21]中,頻率一般選用2 MHz左右,在腦血管溶栓中,由于有顱骨的屏障作用,頻率需在1 MHz或更低,超聲才能克服顱骨的影響傳入腦內(nèi),在目標血管處產(chǎn)生清晰的焦點發(fā)揮作用。

2.2 超聲響應(yīng)性納米載體的選取、設(shè)計與制備

超聲響應(yīng)性納米載體在超聲聲學(xué)作用的介導(dǎo)下,能增加血管內(nèi)的血栓溶解與清除作用,從而獲得良好的超聲溶栓治療效果,基于這類載體對于超聲波的高度敏感性,它們能被聲學(xué)效應(yīng)觸發(fā)激活并通過空化效應(yīng)、機械效應(yīng)或生物學(xué)效應(yīng)等在靶向治療區(qū)域內(nèi)發(fā)揮作用。因此,對于超聲響應(yīng)性納米載體的選取、設(shè)計與制備,是超聲聲學(xué)溶栓治療的關(guān)鍵與重點,是溶栓治療中的重要組成部分。

依據(jù)超聲響應(yīng)性納米載體的性質(zhì),目前研究主要集中在微米級氣泡(微泡)、納米級氣泡(納泡)及相變納米粒等物質(zhì)。上述超聲響應(yīng)性納米載體的氣泡包裹厚度、粒徑大小及靶向性等特性均對溶栓效果具有較大的影響:薄殼(4 nm)微泡比厚殼(700 nm)微泡更能促進溶栓作用,這是由于微泡外殼厚薄不同導(dǎo)致壓縮性及彈性存在差異,導(dǎo)致薄殼微泡對于超聲聲學(xué)作用的響應(yīng)顯著優(yōu)于厚殼微泡[22];粒徑更小的納泡基于滲透性強的優(yōu)勢,在溶栓過程中相比微泡更容易破壞血栓的纖維蛋白網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2],而以液體相存在于血液循環(huán)內(nèi)的相變納米粒由于粒徑更小,滲透性更強,在通過超聲輻照作用后可充分發(fā)揮空化效應(yīng)[23]。因此,氣泡表殼越薄、粒徑越小,則溶栓效果更好。

根據(jù)上述超聲響應(yīng)性納米載體的特性,除了保證氣泡表殼相對較薄、粒徑較小以外,可通過靶向性設(shè)計使其富集于血栓處發(fā)揮作用,從而提高超聲溶栓效果,目前嘗試提高靶向性的研究方法有:(1)導(dǎo)管技術(shù):通過導(dǎo)管直接將微泡輸送至治療區(qū)域,并結(jié)合超聲輻照作用,能顯著提高血栓栓塞處的溶栓效率,其溶栓率高于傳統(tǒng)導(dǎo)管定向輸送的溶栓藥物治療[24],這可減少溶栓藥物使用劑量,實現(xiàn)更安全有效的治療;(2)分子間特異性結(jié)合:在超聲響應(yīng)性納米載體的表殼上添加特殊小分子,使其在超聲溶栓治療過程中與血栓的某些成分特異性結(jié)合以實現(xiàn)靶向性,目前研究已在可靶向血栓中血小板糖蛋白Ⅱb/Ⅲa受體的RGD肽[13]、可靶向血栓中纖維蛋白的CREKA肽[25]等方面進行了探索,均在血管血栓栓塞處獲得了良好的靶向性聚集作用;(3)磁性物質(zhì)引力作用:通過在血栓處增加磁場,吸引所制作的具有磁性的微泡[26],能顯著增強血栓的靶向性,從而獲得更好的溶栓治療效果。

2.3 其他因素

除了以上超聲聲學(xué)參數(shù)模式的調(diào)節(jié)與控制、超聲響應(yīng)性納米載體的選取、設(shè)計與制備等對于超聲聲學(xué)溶栓治療效果的影響之外,血栓類型、栓齡、探頭的操作等也是不可忽視的影響因素。其中,相對于光滑的血栓塊,微泡更容易穿透粗糙的血栓塊發(fā)揮溶栓作用[27];血栓栓齡與超聲溶栓效果成反比[28];超聲探頭若能將發(fā)射的聲束垂直于血栓栓塞血管長軸,則可獲得更好的溶栓效果[28]。

3 超聲聲學(xué)溶栓治療的臨床前期研究

3.1 外周血管溶栓

由于外周血管位于淺表組織內(nèi),與冠狀動脈、腦血管溶栓相比挑戰(zhàn)性更小,可行性與安全性更高,因此研究者們較早嘗試開展超聲溶栓治療外周血管栓塞的相關(guān)研究,通過不斷探索與發(fā)展,目前超聲溶栓在外周大血管栓塞治療中血管再通率較高,溶栓成功率具有保障,在超聲聲學(xué)療法的臨床轉(zhuǎn)化上具有較大的潛力。

無論是外周靜脈或外周動脈的血栓栓塞,超聲聲學(xué)療法均能展現(xiàn)良好的治療效果。在確保溶栓療效的同時,超聲溶栓還在外周動脈或靜脈血栓栓塞治療基礎(chǔ)上進行了針對性的優(yōu)化。對于動脈血栓栓塞,有研究[29]通過設(shè)計制備硫化氫微泡來局部釋放硫化氫產(chǎn)生抗炎抗氧化作用,緩解外周動脈缺血再灌注損傷;對于靜脈血栓栓塞,有研究[30]在注射尿激酶基礎(chǔ)上加用超聲介導(dǎo)微泡進行深靜脈溶栓,獲得了良好的治療效果;也有研究[31]創(chuàng)新地設(shè)計出磁性微泡用于治療股靜脈血栓,發(fā)現(xiàn)與常規(guī)溶栓藥物治療相比,殘留血栓減少了67.5%,但磁性微泡的局限在于其靶向性極度依賴于磁場,離磁場越遠,靶向能力越弱,因此深部血管的磁場響應(yīng)性需進一步探究和優(yōu)化。

目前對外周動靜脈的超聲溶栓治療研究已取得了較大進展,但為了使其能在臨床中進行廣泛應(yīng)用,需在未來對患者進行大樣本研究,突出其非侵入性、簡便等優(yōu)勢,證實其可行性。

3.2 冠狀動脈溶栓

在外周血管血栓栓塞的超聲溶栓治療研究不斷往前推進的同時,以超聲聲學(xué)療法開展冠狀動脈溶栓具有創(chuàng)新性優(yōu)勢,其研究關(guān)注點從僅單純關(guān)注溶栓治療效果,逐漸發(fā)展至冠狀動脈微循環(huán)功能恢復(fù)及心肌缺血再灌注等綜合治療效果等方面的研究探索。在此研究方向的要求下,設(shè)計制備的超聲響應(yīng)性納米載體需具有更強的滲透性,能及時改善微循環(huán)缺氧狀態(tài)的能力,以及保護心肌避免或減輕缺血再灌注損傷的能力。

然而目前研究還停留在溶栓及缺血缺氧等方面的研究,進一步的研究仍較少。為了增加治療方法在血栓中的滲透性,有研究[32]通過設(shè)計制備具有相變能力的超聲響應(yīng)性納米載體,通過添加具有靶向增強作用的環(huán)狀RGD肽,最終以較好的靶向作用及溶栓滲透治療作用實現(xiàn)冠狀動脈內(nèi)的超聲溶栓治療。本課題組Hu等[8]及Jiang等[33]更進一步關(guān)注到冠狀動脈微循環(huán)血栓栓塞的治療以及微循環(huán)梗阻導(dǎo)致心肌缺血缺氧所致的嚴重后果,設(shè)計制備具有穩(wěn)定空化效應(yīng)從而產(chǎn)生持續(xù)溶栓作用的聲敏感型相變納米粒,以及具備低流量供氧作用的載過氧化氫相變納米粒,在模擬冠狀動脈的人工血管模型實驗中取得了良好的治療效果,為治療冠狀動脈微循環(huán)血栓栓塞以及改善冠狀動脈局部微循環(huán)缺血缺氧提供了新思路。

在基礎(chǔ)實驗研究展現(xiàn)較大應(yīng)用潛力的基礎(chǔ)上,目前已有一些研究團隊進行了超聲聲學(xué)療法治療冠狀動脈血栓的臨床前期研究,獲得了具有治療效果的研究證據(jù)。通過超聲介導(dǎo)微泡聯(lián)合冠狀動脈介入治療與僅行介入治療的急性心肌梗死患者相比,聯(lián)合治療的患者無論在治療冠狀動脈微循環(huán)灌注受損、隨訪6個月時心功能表現(xiàn)及左心室重塑情況均優(yōu)于僅行介入治療的患者[34];而通過高MI超聲介導(dǎo)微泡溶栓與介入治療相比,也獲得了較好的治療效果,表現(xiàn)為梗死面積相對更小、血管再通更多[35]。因此,目前臨床前期研究已表明,超聲聲學(xué)療法在展現(xiàn)良好的冠狀動脈溶栓治療效果的同時,還能改善心肌梗死患者的預(yù)后,不僅能作為輔助的治療方式存在,還可能成為獨立存在的、有效治療冠狀動脈血管栓塞的、創(chuàng)新性無創(chuàng)治療方法,證實了超聲聲學(xué)療法治療冠狀動脈血管栓塞的可行性和安全性,具有廣闊的發(fā)展前景,但目前相關(guān)的臨床研究證據(jù)尚且不足,仍需進一步開展大樣本量的臨床多中心隨機對照研究,通過嚴格及合理的臨床研究設(shè)計深入探索,為臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供更多可靠的證據(jù)。

3.3 腦血管溶栓

超聲在腦部血管的溶栓治療具有特殊性和挑戰(zhàn)性,因其需克服顱骨及血腦屏障的阻擋。目前可運用中低頻率超聲克服顱骨的阻擋,并將超聲信號清晰聚焦于顱內(nèi)[20-21];同時,還能通過聚焦超聲介導(dǎo)微泡的作用有效打開血腦屏障[36]。因此,前期研究為腦卒中的顱內(nèi)血管超聲聲學(xué)溶栓治療奠定了基礎(chǔ),已有研究[37]表明通過超聲介導(dǎo)微泡治療的方法,能增強顱內(nèi)腦血管溶栓作用,還可改善神經(jīng)功能預(yù)后。

因此,目前超聲聲學(xué)療法為腦卒中的臨床治療提供了一種具有可行性的治療策略,在臨床上已證實了超聲治療可改善患者大腦中動脈的閉塞[38],但亦有研究[39]發(fā)現(xiàn)微泡劑量與腦出血的發(fā)生具有相關(guān)性。為了增加其安全性和有效性,需確認微泡的安全用量范圍、該項技術(shù)是否對腦組織存在潛在影響及空化效應(yīng)等作用機制是否損害神經(jīng)元等,后續(xù)需進行更全面的探索,使其在臨床中能更好、更可靠地應(yīng)用。

4 研究展望

超聲聲學(xué)療法相較于目前的臨床溶栓治療,適宜于有血液系統(tǒng)疾病、近期有活動性出血及長期服用抗凝藥物而不能使用溶栓藥物或不能耐受有創(chuàng)手術(shù)等具有相關(guān)禁忌證的患者,凸顯出高效、無創(chuàng)、安全、簡便的優(yōu)勢,并能對溶栓治療過程進行動態(tài)監(jiān)測,目前在外周血管、冠狀動脈、腦血管的溶栓效果和安全性都得到了相應(yīng)的證實,為心血管血栓栓塞性疾病的治療提供了一種新的選擇方式,具有較好臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的潛力與廣闊的前景。近年在常規(guī)超聲介導(dǎo)超聲響應(yīng)性納米載體進行溶栓的基礎(chǔ)上,研究者們還引入溶栓藥物、磁性作用、光熱作用等方式,通過開展多形式、多模態(tài)、多功效的溶栓治療,從而提高溶栓效率。在超聲聲學(xué)溶栓方向的研究不斷取得進展的同時,從基礎(chǔ)研究過渡到臨床前期研究仍存在諸多挑戰(zhàn)或尚未明確需深入探索的地方,例如超聲介導(dǎo)超聲響應(yīng)性納米載體在溶栓過程中的具體機制,尤其是對于血栓及血管內(nèi)皮細胞的物理學(xué)效應(yīng)及生物學(xué)效應(yīng)的作用機制,通過對其不斷探索能有助于優(yōu)化改進超聲聲學(xué)溶栓療法,以獲得更好的治療效果;此外,人體體內(nèi)環(huán)境對于超聲溶栓的摸索與驗證至關(guān)重要,需應(yīng)對復(fù)雜的人體內(nèi)部環(huán)境、循環(huán)特點及生物相容性與安全性來構(gòu)建與優(yōu)化超聲聲學(xué)療法,尋找及制備符合條件的新型超聲響應(yīng)性納米載體。超聲聲學(xué)療法也并非適用于所有血栓性疾病的人群,微泡成分過敏為其應(yīng)用的禁忌證。另外,現(xiàn)有超聲波的穿透性不足限制了其應(yīng)用,例如由于人體肋骨和肺組織對超聲波的衰減,使其在肺栓塞中的治療應(yīng)用極少,未來制備出更具穿透性的超聲儀器是拓展其應(yīng)用的關(guān)鍵。在超聲聲學(xué)療法溶栓后,可能存在破碎栓子阻塞遠端血管或局部血栓再形成等并發(fā)癥,這仍是未來需攻克的方向。隨著超聲溶栓研究方向的不斷深入探索,極具潛力的超聲聲學(xué)療法將有望成為應(yīng)對心血管血栓栓塞性疾病的創(chuàng)新性治療策略。