聲動力療法的研究進展

周 玉，代佳音，畢良佳

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院口腔科，哈爾濱 150001)

癌癥是全世界人類死亡的主要原因之一，癌癥患者數量正在迅速增加，預計在2038年將達到2 200萬例[1]。目前癌癥治療主要方法，包括手術、化療、放療和免疫療法。傳統方法雖不斷改善，但仍存在自身局限性。手術治療難以完全清除癌細胞以及無法治愈轉移性腫瘤?；熀头暖熞欢ǔ潭壬峡梢杂行⑺腊┘毎?，但同時會損傷正常組織。此外，在長期化療和放療期間癌細胞會產生耐受性。免疫療法是一種有效癌癥治療法，但成本過高，有可能引起細胞因子風暴[2-4]。因此，找到一個有效、安全和低成本的治療方法變得極為需要。聲動力療法(sonodynamic therapy，SDT)是從光動力療法(photodynamic therapy，PDT)衍生發展起來的新技術，PDT由于組織穿透性差在一些疾病中的應用受限,SDT的優勢在于可以在軟組織中緊密聚焦，穿透深度可達10 cm[5]，在體外和體內均可產生明顯的抗癌作用[6]。同時SDT協同其他治療效果顯著。現對聲動力療法的研究進展進行綜述。

1 SDT可能的功能機制

SDT在體外和體內的各種生物系統中的機制已得到廣泛研究。SDT的最終性能取決于多種不同因素，包括聲敏劑的類型、暴露頻率和強度。因此，研究結果的詳細機制難以確定[7]。目前，SDT機制可能包括超聲空化效應、自由基和單線態氧的產生和超聲誘導癌細胞凋亡。

1.1 超聲空化效應 超聲空化效應是一種獨特的物理現象，超聲產生的聲能可以迅速增加機械壓力，導致組織液中產生微泡[8]。聲孔效應是指超聲在特定的強度和頻率作用下，細胞周圍的微泡通過其振蕩產生的機械效應,這種機械振蕩使細胞膜瞬時形成微孔，半衰期為10 min，微孔直徑為幾納米至150 nm不等。因此，聲孔效應更容易破壞細胞膜，增加微血管通透性增強和藥物轉運[9]。Escoffre等[10]已成功將聲孔效應用于改善核酸向腫瘤、骨骼肌和腎臟的遞送效率。這些特性使聲孔效應成為基因和藥物傳遞的一種創新的方法[9]。在該聲孔效應的作用下，附著于腫瘤細胞表面的聲敏劑將從基態被激活成激發態，并且當激活聲敏返回到基態時，被釋放能量可以轉移到環氧中以產生大量的活性氧，這些活性氧可在隨后導致細胞毒性[11]。

1.2 自由基和單線態氧產生 除了超聲空化外，SDT過程中的機械壓力可以誘導細胞和組織的損傷。聲化學效應也通過SDT在細胞中發揮重要作用[12]。在慣性空化過程中，崩塌的微泡導致高溫和高壓，從而產生高強度的剪切和沖擊波，引起聲化學反應(稱為聲化學效應)[13]。自由基和單線態氧是最關鍵的聲化學物，兩者都是高反應性試劑，均可以氧化周圍底物，從而在靶細胞上引起不可修復的損傷。一旦產生足夠的高反應性物質，就開始一系列生理過程，如線粒體膜電位降低、細胞骨架收縮、染色質濃縮、膜破裂及DNA斷裂。這些生物反應都會導致細胞凋亡[14]。超聲介導聲敏劑所產生的自由基與微泡周圍氧分子發生反應后產生過氧自由基和烷氧自由基。過氧化物酶體和烷氧基自由基均可引起膜脂質過氧化，從而導致細胞膜不穩定性，導致細胞對剪切和超聲損傷更敏感[15]。單線態氧是慣性空化產生的另一個活性氧類，是聲動力學反應過程中的主要介質。在單線態氧生成過程中，有三個基本要素，包括超聲敏劑、低頻超聲和氧分子[14]。與PDT的過程類似，聲敏劑在通過超聲空化接收聲能后從基態激活到激發態。然后活化的聲敏劑返回基態并釋放能量，直接與周圍的基態三重態氧接觸，產生激發態單線態氧。單線態氧可以作為一種高反應活性劑激活氧化反應并誘導周圍細胞和組織中不可逆的細胞損傷[12]。單線態氧的成分最常見方法是使用組氨酸、甘露醇和超氧化物歧化酶進行自由基清除實驗。在該實驗中，可以觀察到組氨酸的保護作用，而不能由甘露醇或超氧化物歧化酶誘導。這些結果表明單線態氧是造成SDT誘導的細胞毒性的原因[16]。

1.3 SDT誘導癌細胞的凋亡 細胞凋亡又稱程序性細胞死亡，是一種受基因控制的主動性細胞自殺過程，為生理性細胞死亡的一種形式。研究表明，細胞凋亡可以由低強度和低頻超聲誘導，并且可以通過聲動力學敏感性，化學治療劑藥性進一步增強。已經在HL-60、K562和U937白血病細胞中證實超聲誘導的細胞凋亡[17-18]。目前，超聲誘導細胞凋亡的詳細機制尚不完全清楚。有報道指出SDT可通過體內細胞凋亡影響血管生成[19]。SDT聲動力效用可能破壞腫瘤部位內的血管和血管內皮，導致血管中的血栓形成，進而影響血液營養供應。由于葡萄糖和氧氣不能充分傳遞到腫瘤血管，血液血管系統會形成缺氧區域，從而通過氧化應激誘導癌細胞凋亡[20-21]。超聲誘導的細胞凋亡的另一個機制是通過調節相關的基因表達[22]。當人類髓單核細胞淋巴瘤細胞系U937細胞在頻率為1.0 MHz超聲作用下，通過下調193個基因和上調201個基因誘導細胞凋亡,下調基因與細胞生長、增殖和發育有關，而上調的基因與細胞運動和細胞死亡有關[23]。除了上述兩種機制外，許多研究人員還發現，SDT對參與癌細胞凋亡的信號通路有直接影響[24]。在超聲作用下線粒體-半胱氨酸蛋白酶信號通路在細胞凋亡中被打開，從而加速促凋亡蛋白的表達[25-26]。許多研究證實，SDT誘導的細胞凋亡影響了Ca2+依賴途徑。通常，微泡活動會改變癌細胞內的Ca2+水平，這可能與細胞膜損傷和恢復膜功能所需的時間有關[27]。在一些情況下，在超聲作用后可以觀察到細胞內Ca2+水平升高。Ca2+水平的上調表明超聲處理細胞的膜破裂并完全失去其完整性，這與SDT誘導的細胞凋亡有關，因為Ca2+可以促進這一過程[28]。

2 聲敏劑

聲敏劑的使用對SDT至關重要。每個聲敏劑都需要對超聲具有足夠的敏感性，并且對靶區域具有相對高的特異性。理想的聲敏劑對健康組織具有低毒性。目前，根據它們的生物學功能和化學結構聲敏劑可以分為卟啉化合物、酮類化合物、抗腫瘤藥物、非甾體抗炎藥及其他聲敏劑五類[29]。大多數敏化劑可以優先聚集在腫瘤組織中，但部分敏化劑在其他正常組織中也有分布，正常組織內敏化劑一旦被超聲激活會產生能量，從而會損傷正常組織。為了避免正常組織在SDT過程中受到最小損傷，超聲可以將敏化劑聚集到與腫瘤位置匹配的組織深度。即超聲源和靶向組織之間正常組織內最好不存在敏化劑，一旦超聲作用后，聲敏劑在腫瘤區域被激發，產生活性氧類，對癌細胞產生殺傷作用[11]。

3 SDT聯合其他癌癥治療方法協同作用

SDT的抗腫瘤作用通常局限于抑制腫瘤生長而不是縮小腫瘤[30]。多種輔助治療的聯合治療已成為癌癥治療的熱點。SDT與其他癌癥治療方法的結合作為一種新的腫瘤治療策略，顯示出巨大的潛力。因此，SDT很有可能成為臨床治療癌癥的輔助方法。目前，研究表明，SDT聯合化療、免疫、PDT、高溫等療法可獲得顯著的協同作用。

3.1 SDT聯合化療 在癌癥的綜合治療過程中，先用化療藥物治療，使腫瘤縮小后再手術。而化療藥物耐藥性極大地限制了臨床廣泛應用。為了提高癌癥對化療藥物的敏感性，首先，超聲波可以選擇性地改善癌細胞中化療藥物的攝取，從而減少對正常細胞和組織的毒性作用[4]。SDT可激活線粒體-胱天蛋白酶信號通路[25]，下調ATP結合盒轉運蛋白[31]的表達水平，有利于提高癌細胞對化療藥物的敏感性，從而提高細胞凋亡率。納米聲敏劑如TiO2納米顆粒可用于加載和靶向遞送化療藥物，以提高化療對癌癥的治療效果[32]。Wang等[33]評估了阿霉素與原卟啉介導的低強度超聲聯合應用對白血病耐藥K562/DOX細胞的療效。在一定條件下，細胞的死亡比例顯著增加。McEwan等[34]制備了一個載氧微泡平臺，用于攜帶聲敏劑玫瑰紅或抗代謝物5-氟尿嘧啶結合SDT和抗代謝物靶向治療胰腺癌。結果表明，SDT與抗代謝物聯合治療顯著抑制三種不同胰腺癌細胞系(BxPc-3、MIA PaCa-2和PANC-1)的增殖。此外，載氧微泡平臺可以將O2有效輸送到腫瘤微環境，從而提高依賴于O2治療的效果。總之，化學療法結合外部超聲，提供了一種更具針對性的方法，相比單獨應用抗代謝藥物的全身給藥療效更好。

3.2 SDT聯合免疫治療 與傳統療法相比，免疫療法因毒性最小且安全性極佳已成為一種治療癌癥的新策略。Gc蛋白衍生的巨噬細胞活化因子天然存在于人體內，具有多種功能，如活化巨噬細胞和抗腫瘤活性。基于Gc蛋白衍生的巨噬細胞活化因子的免疫療法可以與許多其他療法組合使用。目前的案例研究表明，Gc蛋白衍生的巨噬細胞活化因子和SDT可以與轉移性癌癥患者的常規療法聯合使用，特別是在治療方案因毒性因素而受到限制的情況下。臨床學者向1例55歲女性乳腺癌患者肌內注射第二代高劑量Gc蛋白衍生的巨噬細胞活化因子0.5 mL，每周2次，共21次。在接下來3個月內進行了19次SDT治療。胸部CT水平面顯示SDT治療后患者右肺部胸腔積液和結節陰影完全消失[35]。另外一些學者發現SDT介導血卟啉衍生物殺傷腫瘤細胞，促進細胞表面鈣網蛋白表達并引起免疫應答。實驗結果顯示在SDT作用下H22荷瘤小鼠體內出現功能性抗腫瘤免疫效應。同時，該方法還具有免疫記憶功能，可防止初次腫瘤消除后腫瘤再一次復發[36]。這些結果表明SDT對免疫應答有重要作用。

3.3 SDT結合PDT(sonophotodynamic therapy,SPDT) SPDT是一種安全、無毒、無創的新型方法，該治療使用特定波長的光和特定頻率的超聲來激活特異聚集于腫瘤細胞內敏化劑，從而在腫瘤區域產生機械、聲化學和光化學活性PDT[37]，已逐漸應用于治療各種癌癥。然而，激光的低穿透能力限制了PDT的廣泛應用[5]。與PDT相比，在SDT中可以容易地穿透深層組織層的超聲波，從而彌補了PDT的主要局限性。Liu等[38]研究中卟啉鈉介導的SPDT與單獨的SDT或PDT相比細胞毒性更強，并且在4T1異種移植小鼠模型中極大地抑制了腫瘤生長。此外，卟啉鈉介導的SPDT對荷瘤小鼠的體重和主要器官沒有明顯影響。結果表明，通過SDT和PDT的組合，卟啉鈉可以增強腫瘤治療效果并降低對正常組織的毒性。Miyoshi等[39]分別使用TiO2納米粒子和5-乙酰丙氨酸作為聲敏劑和光敏劑，用于SDT和PDT聯合治療癌癥。將幾種組合形式應用于動物腫瘤模型和分別口服0.2%-TiO2納米顆粒和1 mmol/L 5-乙酰丙氨酸，然后進行超聲和激光照射，并獲得最強的抗腫瘤效果。

3.4 SDT結合高溫療法 高溫療法是一種將腫瘤溫度升高到超生理水平(40～44 ℃)的方式，加熱腫瘤區域使癌細胞失活的現象，是一種很有前途的癌癥療法，然而高溫療法對抗腫瘤有輕微作用。SDT作為癌癥治療方法顯示出巨大的潛力，高溫療法是否可以提高SDT的功效，Ju等[40]對潛在的機制進行初步探索得出：與單獨的SDT相比，5-乙酰丙氨酸介導的SDT聯合高溫療法在體外和體內均顯著抑制人神經膠質瘤的生長。高溫療法顯著增強5-乙酰丙氨酸介導的SDT對細胞凋亡和活性氧類細胞內產生的誘導作用[40]。結果表明，SDT與高溫療法相結合可作為癌癥治療的有效策略。

3.5 SDT結合沖擊波療法 沖擊波是一種聲壓縮波，具有高振幅和快速的壓力變化，一個高壓相隨后一個低壓相。研究已證實，SW可以激活聲敏劑，以最大限度減少超聲產生的熱效應[41]。僅用沖擊波抑制腫瘤生長時無明顯的效果[42]，而沖擊波和聲敏劑的結合可抑制腫瘤生長，從而產生聲動力學效應。Foglietta等[43]在Mat B-Ⅲ同系大鼠乳腺癌模型中研究了沖擊波介導SDT的抗癌作用。在用5-乙酰丙氨酸和沖擊波處理后，SDT處理組觀察到腫瘤大小顯著減小。結果表明，沖擊波顯著提高了SDT的抗癌作用，從而表明沖擊波介導的SDT可以作為一種創新和有效的癌癥治療方法。

4 小 結

與傳統治療方式相比，SDT具有非侵入性，深部腫瘤穿透力強，裝置操作簡單，精確度高，對正常組織毒性作用小等特點。盡管有許多優點，但未來SDT仍有一些值得考慮的問題：SDT用于癌癥治療的具體機制尚不清楚，有些仍存在爭議。只有依據充足，才能控制空化類型，在不同情況下為腫瘤治療產生不同的生物學效應。超聲對特定腫瘤的參數如頻率、強度和照射時間仍然需要進一步研究。此外，SDT與其他治療方法的組合顯示出較高的優勢。