聲動力治療的研究進展

張 政 楊丹丹 張 欣 付啟航 岳 悅 濮雄鷹 李銘杰 顧 欣 徐陽陽

聲動力療法（sonodynamic therapy，SDT）最初起源于光動力療法（photodynamic therapy，PDT），具體是指利用超聲波對生物組織有較強的穿透能力，尤其是聚焦超聲能無創傷地將聲能聚焦于深部組織，并激活一些聲敏藥物（如血卟啉）產生抗腫瘤效應［1］。SDT既具有PDT的無創腫瘤治療效果，又具有深層次穿透能力，可以對解剖部位較深的病灶進行精準治療，為臨床治療提供了新的選擇。近年來，隨著對SDT的深入探索，其原理被逐漸揭開。活性氧的積聚、空化效應的產生、細胞凋亡水平的增加均為SDT的臨床實驗提供了細胞水平的支持［2］。與此同時，SDT聯合光動力、化療、熱療等治療方式彌補了單一治療方式的不足，使治療效果得到進一步提升。本文就SDT的機制、醫學研究進行綜述。

一、SDT機制

SDT是一種新型的治療方式，目前尚未大量應用于臨床，其機制仍在探索中。經過近20年的研究，關于SDT的機制比較認可的主要有活性氧（reactive oxygen species，ROS）機制、超聲空化效應、凋亡機制。①ROS：作為一種活性的含氧化學物質，包括過氧化物、自由基、離子和單態氧，在細胞損傷或死亡中起著關鍵病理作用。聲敏劑可以特異性地富集于腫瘤細胞中，通過體外超聲波能量的作用，誘發腫瘤細胞內產生大量ROS，破壞腫瘤細胞，繼而達到治療疾病的目的［2］。②超聲空化效應：是一種物理作用，其在物理學中的解釋為：存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發生的生長和崩潰的動力學過程。當細胞膜接收到超聲波能量時，可以誘導空化效應的產生。隨著空化效果增強，機械壓力不斷增強，最終對細胞膜造成物理損傷［3］。研究［4］表明，超聲波可以改變細胞膜的通透性，使聲敏劑更易進入病灶細胞。③凋亡機制：半胱氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）是一種與凋亡相關的蛋白酶，其在細胞凋亡中起著重要的作用。研究［5］表明SDT可以上調FAS/FASL的表達，導致細胞內Caspase-8和Caspase-3的增加，進而激活外源性凋亡通路誘導細胞凋亡。Bcl-2為一種抑癌基因，具有顯著抑制細胞凋亡的作用。有研究［6］表明，SDT可以通過下調Bcl-2基因的表達，從而改變下游Bcl-2家族蛋白的表達水平，促進細胞凋亡。Ca2+相關凋亡通路也是近些年來研究熱點。SDT不僅可通過增加細胞內Ca2+水平，降低線粒體膜電位，改變線粒體通透性，促進細胞色素C和凋亡因子的釋放，進而促進細胞的凋亡［7］；還可能通過破壞腫瘤血管系統，使腫瘤血管擴張和出血，尤其對新生血管的內皮細胞產生損傷，從而影響腫瘤血供，加快腫瘤凋亡［8］。

二、SDT的應用

1.肝癌：肝癌是全球范圍內發病率最高的惡性腫瘤之一，也是導致腫瘤相關死亡的第三大原因。傳統的放、化治療會對機體產生極大傷害。SDT為肝癌的治療提供了新的選擇。Li等［6］通過SDT分別從體內和體外兩個層面對hep-G2肝癌細胞進行治療，結果發現SDT上調了p53和Bax的表達，下調Bcl-2的表達，導致Caspase-3的激活，最終引發細胞凋亡。對照組和SDT組荷瘤小鼠在治療后第11天的腫瘤體積分別為（959.2±82.1）mm3、（294.4±31.4）mm3，兩組小鼠的生存時間分別為（25.0±0.6）d、（35.3±1.1）d，差異均有統計學意義（均P＜0.01）。結果表明SDT體外治療可以通過激活Caspase-3蛋白促進細胞凋亡；體內治療可以抑制腫瘤生長，延長荷瘤小鼠的存活時間。Wang等［8］經體外研究發現，SDT可以降低H22肝細胞癌的線粒體膜電位，進而導致細胞凋亡的產生。腫瘤細胞經SDT治療60 s后，繼續胞孵育培養2 h，細胞存活率由82.6%降低至59.4%。此外，另有研究［9］報道表明SDT對肝癌荷瘤小鼠也具有治療效果。

2.乳腺癌：目前，使用SDT進行體內體外治療乳腺癌的研究較多。鐘曉文等［10］在體外應用SDT治療MDA-MB-231人乳腺癌細胞，治療后可使腫瘤細胞凋亡率達68.33%。Zhang等［11］使用負載血卟啉單甲醚的脂質體作為SDT的聲敏劑對MCF-7乳腺癌細胞進行治療，治療20 d后發現MCF-7細胞中有大量ROS蓄積，MCF-7細胞的生長得到了很好的抑制。有學者［12］以5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作為聲敏劑，從體內和體外兩個層面證實了SDT對EMT6乳腺癌細胞的治療效果，并得出了SDT治療的靶點在線粒體上，其機制主要為線粒體膜氧化，產生ROS，進而達到治療乳腺癌的目的。有學者［13］對乳腺癌荷瘤小鼠治療發現，SDT可以顯著抑制小鼠腫瘤的生長，其抑瘤率可高達70%。

3.腦膠質瘤：Chen等［14］研究表明，SDT不僅可以增加凋亡蛋白Caspase-3、Bcl-2、Bax的表達，還可增強替莫唑胺（TMZ）治療腦膠質瘤的療效。結果顯示，SDT聯合TMZ使用可抑制NHE1蛋白的表達，進而抑制膠質瘤細胞的遷移；電鏡下可見細胞核縮小，核膜形態特征改變，核染色質濃縮，線粒體腫脹、空泡化，線粒體嵴和膜消失，大量液泡被格式化等大量病理學改變。研究［15］表明，SDT還可通過誘導自噬體的增多，達到抑制腦膠質瘤細胞增殖目的。在活體層面，因血腦屏障的存在，作為大分子水溶性的聲敏劑通常需借助納米材料，才能透過血腦屏障特異性地與腫瘤結合。Liang等［16］通過納米材料運載聲敏劑原卟啉（PpIX）透過血腦屏障，增加聲敏劑在腫瘤組織內的累積。結果顯示，SDT可以在不降低小鼠體質量的前提下，顯著抑制C6腦膠質瘤荷瘤小鼠腫瘤生長速度，起到了良好的治療效果。

4.骨肉瘤：是一種起源于間葉組織的惡性腫瘤，主要患病人群為兒童。晚期骨肉瘤的治療存在著放化療不敏感、化療藥耐藥、腫瘤復發等諸多問題，是臨床面臨的難點問題。SDT的出現為骨肉瘤的治療提供了新的選擇。錢貴賓等［17］通過細胞體外實驗證實5-ALA可特異性地富集于U2-OS人骨肉瘤細胞，并通過外部超聲刺激促進了細胞內ROS的產生；MTT法檢測到細胞存活率大幅下降。Xiong等［18］以華卟啉鈉（DVDMS）作為聲敏劑，對S180肉瘤的荷瘤鼠進行體內實驗也發現了類似的結果：腫瘤體積在SDT治療下減小、癌細胞凋亡增加，且SDT治療效果與短時間內治療次數呈正相關。

5.白血病：Hu等［19］使用DVDMS作為聲敏劑，研究發現華卟啉鈉（DVDMS）可特異性、快速富集在人白血病細胞（K562、U937）中，而對正常組織不產生富集。可見，SDT可以特異性地殺傷白血病細胞，而對正常細胞諸如小鼠外周血單核細胞、脾淋巴細胞未表現出毒性。

6.牙周炎：SDT對牙齦卟啉單胞菌生物膜具有殺傷作用，并且在此過程中，可引發脂質過氧化反應，導致丙二醛的釋放，最終達到治療牙周炎的目的。研究［20］證實，以血卟啉單甲醚為聲敏劑的SDT可成功治療牙周炎大鼠，且未發現不良反應的發生。

7.動脈粥樣硬化：巨噬細胞在體內參與炎癥反應和脂質代謝，對于動脈粥樣硬化的發展起到關鍵作用。巨噬細胞吞噬游離膽固醇酯化形成的脂滴成為泡沫細胞，泡沫細胞分泌炎癥因子、促進斑塊進展，是動脈粥樣硬化斑塊的特征性標志［21］。王巍等［22］通過細胞水平研究發現，5-ALA介導的SDT可以使泡沫細胞和巨噬細胞凋亡，從而達到治療動脈粥樣硬化的目的。王立民等［23］采用姜黃素介導通過SDT治療活體動脈粥樣硬化小鼠，發現在主動脈上TIMP-1表達增加，MP-2和TMP-9表達降低。促炎性細胞因子干擾素γ和腫瘤壞死因子α表達降低，抗炎性細胞因子轉化生長因子（TGF）-β和白介素10表達增加，從而達到治療動脈粥樣硬化的目的。

三、SDT的聯合應用

盡管SDT表現出良好的治療效果，但是由于腫瘤的生長機制復雜，單一的治療方式難以達到最佳的治療效果。多種方式聯合治療在腫瘤治療中展現出極大地潛力。

1.聲光動力治療（sono-photodynamic therapy，SPDT）：玫瑰紅是一種光聲敏劑，同時也是一種免疫增強劑，可以刺激免疫物質產生以達到抗腫瘤的目的［24］。Liu等［25］通過兩親性的多肽為載體包裹玫瑰紅，制成新的納米材料，并將其命名為PARN。研究發現，相比單純的光動力治療或SDT，以PARN介導的SPDT可以顯著抑制荷瘤小鼠腫塊的生長，促進腫瘤細胞凋亡和ROS的產生，增強了腫瘤壞死因子和白介素6的分泌。且發現這種聯合治療并不會對心、肺、肝、腎等重要臟器產生損傷。Kenyon等［26］通過SPDT對晚期乳腺癌患者進行治療，發現該療法延長乳腺癌患者生存時間的同時，并未產生明顯的副作用。

2.SDT聯合化學療法：化療是腫瘤治療的主要方法之一，但長期使用化療藥物會使腫瘤產生耐藥型，從而影響治療效果、增加腫瘤遠處轉移的風險。Chen等［27］研究發現，相比單純使用化療藥物，化療藥物TMZ聯合SDT可以降低C6腦膠質瘤細胞中基質金屬蛋白酶-2的表達，從而降低了腫瘤細胞轉移的能力。不僅如此，該研究還表明SDT可以增強腫瘤對于化療藥物TMZ的敏感性，提升化療藥物的治療效果。Wu等［28］研發了一種可以裝載化療藥物的納米載體HPCID，其裝載阿霉素和SDT聯合治療可以加速ROS的產生，從而顯著抑制4T1乳腺癌細胞的生長；經體內實驗證實，聯合治療可以顯著降低荷瘤小鼠肺轉移風險，同時并未觀察到明顯的毒性作用。

3.SDT聯合熱療：熱療是腫瘤治療的一種輔助療法，其通過將腫瘤局部溫度提升到40～43℃，但未提高周邊正常組織的溫度。研究［29］表明其可以改變腫瘤細胞的血供和氧合、抑制DNA修復、阻止細胞周期進程和促進細胞凋亡的作用。此外，熱療聯合SDT也可以增強SDT效果。Chen等［30］使用二氧化硅作為納米載體，聯合導熱材料石墨烯和聲敏劑玫瑰紅制作出了新的納米材料nrGO@MSN-ION-PEG-RB，在超聲的作用下，其可以使腫瘤局部溫度升高，提高腫瘤組織ROS的產量，降低空化閾值。腫瘤組織深部通常呈低氧狀態，聯合治療尤其可以增強腫瘤深部組織ROS的產生，增強了SDT的治療效果。Ju等［31］研究發現，熱療聯合SDT可以在提高腫瘤區域ROS產生的同時，降低線粒體膜電位，擾亂腫瘤組織的能量代謝，從而達到抑制腫瘤生長的目的。

四、總結及展望

總之，SDT作為一種有效、安全、無侵入的治療方式，已經得到了眾多學者的認可，其治療機制也隨著研究的深入逐漸被人們認識。SDT不僅可以對腫瘤產生較好的抑制效果，對炎癥、動脈粥樣硬化等良性疾病也展現出了治療效果。聯合方式治療使SDT的潛在治療價值進一步被發掘，為疾病的治療提供了新選擇。但是由于聲波的衍射、散射等特性，病變區域外的正常組織難免會受到超聲的照射和細胞毒性的影響，這將會對治療產生負面影響。如何最大可能的降低副反應的產生，是SDT以后研究的重點和難點，也是該療法大規模應用于臨床的阻礙。目前聲敏劑多為光敏劑發展而來，其在治療過程中難免會產生光毒性和受到其他物理因素的干擾，這將為治療帶來諸多變量及不確定性。設計出一種僅對超聲敏感的聲敏劑，也是以后研究的方向。此外，各實驗機構在進行聲動力測試時，超聲強度、超聲頻率、單次治療時長、治療周期、聲敏劑的選擇、長期治療的安全性等方面尚未形成統一的標準，這也是下一步需要研究和完善的地方。