HIFU技术中的超声空化及空化增强效应研究进展（精）

Progress of ultrasonic cavitation and cavitation -induced enhancement effect

in high intensity focused ultrasound

REN X i ao -l ong , ZH O U X i ao -dong *

(D ep ar tment o f Ultr asound , X ij ing H osp ital , the Four th M ilitar y M edical Univ er sity , X i ' an 710032, China [Abstract] U ltr asonic cav itation is o ne of pr edo minant mechanisms in high intensit y focused ultr asound (H IFU tr eatment. Eff icient ly -induced ultr asonic cav itation can be used to increase the co agulat ed vo lume and enhance the ther apeutic efficiency

of H IFU. Recent studies hav e show n that micro bubble co ntr ast ag ents ar e impo rtant facto rs in enhancing the therapeut ic ef -ficiency o f H IFU. T hey have po tent ial to act as cav itation nuclei and ar e likely to low er t he tissue damag e thr eshold and cause a g reater coag ulated vo lume. A long with the development of H IFU efficiency enhancement studies, HIF U will be mo re effec -t ive and pow erful in clinical tumo r tr eat ment.

[Key words] H ig h intensity focused ultraso und; Contrast media, microbubbles; Cav itation; Imag e enhancement

HIFU 技术中的超声空化及空化增强效应研究进展

任小龙综述, 周晓东*审校

(第四军医大学西京医院超声科, 陕西西安 710032

[摘 要] 超声空化效应是高强度聚焦超声(HI FU 治疗中的重要效应之一, 有效诱导并且利用超声空化效应可以增加HIF U 辐照后的组织凝固范围和提高HIF U 疗效。微泡造影剂被确认为是提高H IFU 疗效的一种重要增效剂, 其作用就是作为超声空化效应的空化核, 降低聚焦超声对组织的损伤阈值从而可以扩大组织的凝固范围。随着对H IFU 增效作用的研究进展, H IFU 技术必将更加高效、安全, 成为临床治疗肿瘤的有力武器。[关键词] 高强度聚焦超声; 造影剂, 微泡; 空化效应; 图像增强

[中图分类号] R445. 1 [文献标识码] A [文章编号] 1003-3289(2006 02-0310-03

[基金项目]本课题为国家自然科学基金资助项目(30570489 。[作者简介]任小龙(1970- , 男, 甘肃人, 博士, 副主任医师。研究方向:超声诊断及介入治疗。E -mail:renxiaolong70@hotmail. com [通讯作者]周晓东, 第四军医大学西京医院超声科, 710032。E -mail:zhoux d@fmm u. edu. cn

[收稿日期]2005-07-10 [修回日期]2005-10-10

近年来, 高强度聚焦超声(high -intensit y focused ult ra -sound, H IFU 作为一种治疗深部肿瘤的无创技术, 日益受到人们的重视。目前, H IFU 技术已经应用于肝脏、肾脏、胰腺、直肠、前列腺、乳腺、骨骼、皮肤、子宫等部位的肿瘤治疗。其中经直肠治疗前列腺癌是国外H IFU 技术临床应用的主要领域, 近年来在实际临床中积累了许多新方法和新思路[1]。自上世纪90年代以来, 我国学者利用H IFU 技术对肝癌、乳腺癌以及其他一些恶性肿瘤做了大量的临床实验及组织学和病理学等方面的研究, 并获得了较为理想的结果。结果表明, H IFU 技术对腹盆腔进展期恶性实体肿瘤、子宫肌瘤和前列腺肥大是一种安全有效的治疗技术。无创、没有化疗和放疗的副作用。成为继手术、放化疗之后的又一种新型、有效的肿瘤治疗手段。作为临床肿瘤治疗的一种新技术, H IFU 正在

成为国内外治疗肿瘤的热点之一。

1 H IFU 无创治疗肿瘤的机制

上世纪50年代人们就发现, 如果超声束携带足够能量且高度集中, 就可使局部组织中的温度升高引起组织坏死且不损伤周围组织。研究表明, H IFU 消融组织是通过热效应和空化效应来实现的。与传统的热疗不同, H IFU 能在1秒钟内使靶组织温度迅速升高至65 以上, 导致蛋白变性, 使靶组织发生不可逆凝固性坏死而逐渐被机化、溶解吸收或纤维化[2, 10]。其显著特点是对靶区组织起直接破坏杀伤作用, 而不损伤周围正常组织。研究表明:在空间上, 从凝固性坏死中心向外, 温度梯度十分陡峭。而组织病理学发现, 凝固性坏死区与其以外的区域有一条清楚的边界, 不超过50 m, 仅含5~7层细胞。说明H IFU 对组织的损伤具有很高的精确性和可控性, 具有刀的特征。在深部组织准确定位是H IFU 成功治疗肿瘤的关键, 亦是H IFU 无创性热切除肿瘤的基础。2 超声空化效应的产生及其生物学效应

超声空化是超声生物学的重要效应之一, 是指液体中存在的微小气泡在超声波作用下产生的振荡、膨胀、收缩以至内爆等一系列动力学过程。液体中存在的微小气泡称为空化

310 中国医学影像技术2006年第22卷第2期 Chin J M ed Imaging Techn ol, 2006, Vol 22, No 2

负压相时, 存在于液体中的空化核迅速膨胀, 随即又在正压相下突然收缩以致崩溃, 当气体的体积收缩到极小时, 其温度可高达数千度, 气泡中的水蒸汽被分解为H +和OH -自由基, 自由基又迅速与其他成分发生化学反应。此外在空化泡崩溃时还伴随有声致发光、冲击波及高速射流等现象的发生, 这也是超声空化产生生物效应的物理基础[3, 11]。

超声空化效应是有效集聚能量的一种方式。它能把声场中低能量密度变换为气泡内部及其周围高能量密度。能量被聚焦到极小的体积内, 在气泡爆裂和振动时产生强烈的作用,

并能引起机体、细胞以及微生物的损伤和破坏作用[3]

。实验证明, 空化效应可以完全抑制细胞的生长, 改变细胞膜的脂质双分子层结构, 增加细胞膜的通透性, 增加化疗药物的细胞毒性; 损伤细胞DNA, 使其单、双链断裂, 促进细胞凋亡; 通过以上作用, 达到抑制细胞增殖的目的[3,6]。研究发现, 卵巢癌细胞受非致死剂量超声辐照后, 观察其超微结构发现大部分受辐照细胞形态学变化不明显, 部分细胞线粒体肿胀、嵴断裂, 胞浆内出现空泡, 分析认为非致死剂量超声可能通过空化效应而致卵巢癌细胞线粒体损伤。

3 H IFU 治疗过程中的超声空化效应

对H IFU 治疗肿瘤的空化效应研究目前正处于探索阶段。有人用H IFU 照射大鼠肝癌组织, 发现靶区内肉眼可见直径0. 5~1. 5m m 的空洞, 镜下见组织内有形状不规则的直径0. 02~0. 2m m 的空泡存在, 认为这种空泡就是空化效应

的结果。Clarke 等[5]

在光镜下观察经H IFU 辐照后狗的肝和前列腺组织, 也发现在大片坏死组织中包含着一些由空化作用产生的空泡。继而许多学者在不同的组织类型中发现了同样的现象, 从而肯定了H IFU 治疗过程中空化效应的存在以及其对细胞超微结果的破坏作用。H IFU 治疗肿瘤即刻, 肿瘤细胞在光镜下尚无明显病理变化的时候, 电镜下已出现完整性破坏的超微结构变化, 胞浆内存在着较多电子密度均匀、大小不等的小泡样结构, 部分小泡融合为较大空泡。一些空泡样结构边缘有少许残留嵴, 认为可能是极度肿胀的线粒体。

已有研究表明, 65 为一次性灭活肿瘤细胞的最佳温度, 但有人用声强3328W 的超声辐照膀胱癌细胞株悬浮液6s, 当悬液内温度为44. 7 时, 活细胞存活率仅为0. 007%,因此作者提示H IFU 致死肿瘤细胞机制主要不是热效应, 而是空化效应[8]

。而且空化效应的作用强大, 能直接将肿瘤细胞撕裂成碎片状, 使其失去增殖、浸润、转移的能力, 促成恶性肿

瘤良性化, 最后被机体逐渐吸收[8,9]

。

同时, 空化效应对肿瘤组织的直接破坏作用减轻了机体的肿瘤负荷, 使肿瘤/宿主优势得以改善, 激发了机体免疫系统的抗肿瘤效应。有人用H IFU 治疗兔Brow n -pierce 瘤, 结果发现随原发灶愈合, 转移灶也自行消退。H IFU 的空化效应一方面可能增加膜脂流动性, 使镶嵌在细胞膜脂质双层中的肿瘤抗原暴露增加, 另一方面使肿瘤细胞破裂, 细胞浆和细胞核内的肿瘤抗原充分暴露和释放, 使细胞膜蛋白表达率增高, 从而改变了肿瘤细胞的免疫原性, 加强了机体对肿瘤组织的免疫反应。并且在H IFU 治疗肿瘤的过程中, 可促进肿瘤(H , , 高机体免疫功能。同时CD4/CD8比例也有明显变化, 提示H IFU 治疗可以诱发宿主细胞免疫功能加强[12]。4 H IFU 利用超声空化效应增效研究

H IFU 技术的发展受到了许多因素的制约。治疗时间过长, 对较大血管的破坏作用有限, 以及可能的残存病灶都是临床亟待解决的重要问题, 因此提高H IFU 的治疗效率成了一个非常重要的研究课题。

研究发现, 某些物质的存在可以提高H IFU 的治疗效率。从细胞外的卟啉或其衍生物的激活、红细胞的聚集以及微泡造影剂的注射, 逐渐给H IFU 的增效研究提供了依据, 其核心就是空化效应的诱导及其生物学效应的有效利用[4, 8, 9, 16]。微泡造影剂被确认为是增加H IFU 辐照后凝固范围和提高H IFU 疗效的一种重要增效剂, 其作用就是作为超声空化效应的空化核, 增加组织对超声波的吸收从而可以更加升高组织温度。因此, 微泡造影剂的使用可以同时加强超声的热效应和空化效应。另外, 加热微泡造影剂的脂质可以促进自由基的产生, 而自由基的产生在过热温度的作用下可以增加组织坏死的体积, 而且在体和离体试验都证实造影剂能够降低组织损伤的阈值[7,16]。Yu 等[4]通过对40只新西兰兔80个肾脏的研究发现, 注射微泡造影剂组其H IFU 治疗效果明显比对照组增强, 其组织坏死率(cm 3/s 较对照组增加了3. 1~3. 4倍, 且病理证实两组焦域内均无存活组织。这说明微泡造影剂可以提升H IFU 的治疗效果, 而且坏死组织和周边存活组织的界线清晰。另外, 治疗区的周边可以看见出血和充血, 这说明, 超声具有破坏血管的能力, 而且微泡造影剂可以增强这种能力。有报道认为, 即使是诊断剂量的超声, 在使用微泡造影剂的情况下, 如果时间足够长, 就可以引起毛细血管的破裂。我们可以用这一特性来破坏一些诸如肿瘤的主要供血血管以达到治疗恶性肿瘤的目的。最近, 有学者研究发现, 微泡造影剂可以促进H IFU 对血管内膜的损害以及促进凝血的发生, 因而在闭塞静脉曲张以及肿瘤血管中有着非常好的应用前景[17, 20]。Keneko 等[16]的研究发现, 加入声学造影剂Levovist 后, H IFU 对兔肝脏组织所产生的坏死范围较无造影剂组扩大2. 8倍, 且两组病理学变化相同。2003年Sokka 等[13]报道了在M RI 引导下以新西兰兔作为动物模型, 用微泡造影剂增强聚焦超声热效应的体内实验, 实验发现造影剂增强组的组织升温速度明显比对照组快, 组织损伤面积约为对照组的2~3倍, 在形状上更类似球形, 离探头的距离更近。国内有人进行了H IFU 联合超声造影剂对治疗兔肝焦域效应的影响研究, 发现造影剂增强治疗组不论超声灰度改变还是焦域体积均较单纯H IFU 治疗组明显增大, 认为超声造影剂可能通过声压使微泡破裂致空化作用增强, 改变动物体内生物组织对入射超声的反应, 既有利于实时监控H I -FU 的治疗效果, 又可显著增强其疗效。

随着超声空化效应研究的深入, 其在肿瘤治疗过程中的作用引起重视。许多研究发现, 空化效应可以明显促进细胞转染以增加基因和药物传递, 从而开辟新的基因疗法[3,17]。而Feril 等[14]对粒单核细胞淋巴瘤U937细胞悬液中加入微, , 发

311 中国医学影像技术2006年第22卷第2期 C hin J M ed Imagin g T echnol, 2006, Vol 22, No 2

现超声诱导的细胞凋亡明显增强, 细胞死亡数量也明显增加。

并认为超声空化效应起到了决定性的作用。因此, 在肿瘤的超声治疗过程中, 空化效应将会起到非常重要的作用。

目前, 又有学者将H IFU 应用到了超声止血这样一个全新的领域。V aezy 等[19]通过动物实验研究发现, 实质器官和血管损伤后, 应用H IFU 一分钟内就可使中等量到大量的出血得以明显控制, 甚至在应用大量肝素的情况下, H IFU 的止血效应依然十分显著。作者认为, 超声空化效应在H IFU 止血过程中起到了非常重要的作用。首先, H IFU 的热效应使组织在1秒钟内温度超过70 , 而空化效应可以导致组织结构破坏并且可以释放凝血诱导组织因子, 组织因子可以增强和加速血凝块的形成; 同时H IFU 可以激活血小板, 这在凝血过程中起着非常重要的作用[18,19]。

近来, 国内外对于H IFU 治疗中加入声学造影剂以增强治疗效果在开启血脑屏障、肝脏肿瘤治疗、周围血管的破坏以及超声止血等方面进行了一些基础研究和动物实验, 都表明声学造影剂增强了H IFU 的损伤效应。在同样的损伤状况下, 有造影剂参加的H IFU 辐照组只需要较低的辐照强度、较短的辐照时间就可以造成理想的组织损伤和产生较大的凝固范围, 而且对靶点周围的组织没有或是轻微损伤[7,9]。这些研究显示, 使用微泡造影剂后, 较短的时间就可以达到同样的要求, 因此, H IFU 的治疗时间有望缩短, 对大血管和组织的破坏作用将有望得以更加彻底。5 问题与展望

随着对H IFU 技术空化效应及其生物学效应的进一步研究, 许多问题还有待解决。比如影响空化效应的各种因素及其可控性研究; 空化效应参与后不同组织的实际焦阈大小、能量囤积、治疗安全性、治疗效果等因素的影响规律研究; 以及相应的病理生理学及其分子生物学研究等等。以明确针对于不同的组织目标, H IFU 治疗肿瘤的最佳方式和剂量, 寻找最佳治疗温度点及其理论根据。相信随着研究的不断深入, H IFU 这种绿色的外科技术会克服现有的弱点及局限, 更加高效、安全、普及, 成为临床治疗肿瘤的有力武器。

[参考文献]

[1] C han ssy CG, Th uroff S. H igh -inten sity focu sed u ltras ou nd in lo -caliz ed prostate cancer[J ]. J Endou rol, 2000, 14(3 :293-299. [2] C hen WS , Lafon C, M atu la T J, et al. M echanism s of lesion for -mation in hig h inten sity focused ultrasound th erapy[C]. Seattle, W ashington:Second Internation al S ymposium on Th erapeutic Ul -trasound. 2002:30.

[3] M iller DL, Pislaru SV, Greenleaf JE, et al. S on oporation:m e -chan ical DNA delivery by u ltrasonic cavitation [J]. S om at C ell M ol Genet, 2002, 27(1-6 :115-134.

[4] Yu TH , Wang GY, H u K, et al. A microbubble agen t improves the

th erapeutic efficiency of high in tensity focu sed ultrasound:a rabbit k idney study[J]. Ur ol Res , 2004, 32(1 :14-19.

[5] Clark e RL, ter H aar GR. T em perature rise recorded durin g lesion

formation by high inten sity focused ultrasound [J ]. Ultrasound

M ed Biol, 1997, 23(2 :299-306.

[6] Yuh EL, S hulman S G, M eh ta S A, et al. Delivery of sys temic che -motherapeutic agent to tu mors by u sing focused ultras ou nd:study in a murine model[J]. Radiology, 2005, 234(2 :431-437.

[7] M elodelima D, Chapelon JY, Th eillere Y, et al. Combin ation of

thermal and cavitation effects to generate deep lesions w ith an en -docavitary applicator usin g a plane transdu cer:ex vivo studies[J]. Ultrasoun d M ed Biol, 2004, 30(1 :103-111.

[8] Zhang W L, Qiao T Y, Liu C, et al. Experimen tal study on high

focused ultrasound in the treatm ent of bladder can cer cells and VX2rabbit kidn ey tum or s[J]. J Ultrasound Clin M ed, 2000, 2(4 :1993-1995.

[9] M iller M W, Everbach EC, C ox C, et al. A comparison of the he -molytic potential of Optis on and Albun ex in wh ole hum an blood in vitro:acou stic pressu re, ultrasoun d -frequency, donor and passive cavitation d etection consideration s[J]. U ltras ou nd M ed Biol, 2001, 27(5 :709-721.

[10] Gignoux BM , Scoazec J Y, Curiel L, et al. Hig h inten sity focused

ultrasonic destruction hepatic parenchyma [J ]. Ann C hir, 2003, 128(1 :18-25.

[11] Kes havarzi A, Vaezy S, Noble M L, et al. T reatm ent of u terine

leiomyosarcoma in a xenograft nud e mou se m odel u sing h igh -in -tens ity focused u ltras ound:a potential treatment m odality for re -curr ent pelvic dis ease[J]. Gynecol On col, 2002, 86(3 :344-350.

[12] Fu M , Lai CD, Zh ou P, et al. Experimental study on the immu -nity of s olidified H 22liver tumor vaccine in mice treated by H IFU [J]. J Ultrasound in M ed, 2001, 3(1 :1-3.

[13] Sok ka SD, King R, H ynynen K. M RI -gu ided gas bubble en -hanced ultras ou nd heating in in vivo rabbit th igh[J]. Ph ys M ed Biol, 2003, 48(2 :223-241.

[14] Feril LB J r, Kondo T , Zh ao QL, et al. Enh ancement of ultra -sound -induced apoptosis and cell lysis by ech o -contrast agents [J]. Ultrasoun d M ed Biol, 2003, 29(2 :331-337.

[15] Unger EC, M atsun aga T O, M cCreery T , et al. T herapeutic ap -plications of microbubbles [J ]. Eu r J Radiol, 2002, 42(2 :160-168.

[16] Ken eko Y, M aru yama T , T ak egami K, et al. Use of a microbub -ble agent to increas e th e effects of high in tensity focu sed ultra -sound on liver tissu e[J]. Eur Radiol, 2005, 15(7 :1415-1420.

[17] Evan CU , Evan H , M ani V, et al. Gene delivery using ultra -sound contrast agents [J ]. E chocardiography, 2001, 18(4 :355-361.

[18] Poliachik SL, Chan dler WL, Ollos RJ. T he relation betw een cav -itation an d platelet aggregation during exposure to high -inten sity focused u ltras ou nd[J ]. U ltrasound M ed Biol, 2004, 30(2 :261-269.

[19] Vaezy S, M artin R, Crum L, et al. H igh in tensity focu sed ultra -sound:a m ethod of hemos tasis [J]. Ech ocardiography, 2001, 18(4 :309-315.

[20] H w ang JH , Brayman AA, Reidy M A, et al. Vas cular effects in -duced by com bined 1-M Hz ultrasoun d and microbubble contrast agent treatm ents in vivo[J]. U ltras ound M ed Biol, 2005, 31(4 :553-564.

312 中国医学影像技术2006年第22卷第2期 Chin J M ed Imaging Techn ol, 2006, Vol 22, No 2

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/507a0730dcccda38376baf1ffc4ffe473368fdf8.html