超声激活血卟啉抗肿瘤疗法的研究现状

超声激活血卟啉抗肿瘤疗法的研究现状∗朱杰孙润广陕西师范大学物理学与信息技术学院应用声学所生物物理研究室西安 710062摘要：首先介绍了超声作用的物理机理和血卟啉及其衍生物的化学结构及物理化学性质，对超声激活血卟啉抗肿瘤疗法(声动力学疗法)近15年国内外的试验进展情况进行了总结，对比了不同参数超声系统对不同细胞系肿瘤的作用效果。

重点探讨了超声激活血卟啉抑制肿瘤增殖的物理、化学和生物学机理，着重介绍了单线态氧机制和自由基理论，并对今后的基础研究和临床实践进行了展望。

关键词：超声；血卟啉；肿瘤；单线态氧；自由基；杀伤效应；中图分类号：R312 文献识别号：A超声激活血卟啉抗肿瘤的声动力学疗法（Sonodynamic Therapy, SDT）是在光动力学疗法的基础上发展起来的一种抗肿瘤方法，即利用超声激活血卟啉及衍生物(Hematoporphyrin Derivatives,HpD)后产生的一系列反应来杀伤肿瘤细胞。

SDT 的理论基础是超声波对生物组织有较强的穿透能力，可以无创伤地聚焦于组织深部，激活优先聚集并长时间滞留在肿瘤组织中的光敏性物质从而杀伤肿瘤细胞。

声动力学疗法可用于诊断、定位以及治疗肿瘤，因其无创伤、设备简单、操作方便，并且可用于不同深度、不同部位的肿瘤治疗而倍受学者关注，并在近年取得了迅速的发展。

一、超声作用的物理机理超声是一种机械波，其主要物理学作用包括机械作用、热作用和空化作用：机械作用是超声的原发效应，也是超声最基本的效应，超声波在传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化，压力变化引起了机械效应；超声波在介质中传播时引起质点振动，由于传播介质存在着内摩擦，部分的声波能量会被介质吸收转变为热能从而使介质的温度升高，此为超声的热作用；空化是一定强度的超声波在液体中传播时，液体中由于涡流或其它物理作用，致使某些地方形成局部的暂时负压区，从而引起液体或固-液界面断裂，形成微小的空泡或气泡，称为空化泡。

空化泡分为瞬时空化泡和稳定空化泡，空化泡有初生、发育和随后闭合的过程，当其闭合时，会产生微激波，在局部造成高温高压并伴随发光[1]。

二、血卟啉及其衍生物介绍血卟啉结构式为C34H38O6N4，其衍生物具有共同的卟啉核心环—四个吡咯大环结构，因侧链不同而形成不同结构的卟啉类衍生物。

血卟啉及其衍生物HpD为光敏性物质,在光刺激下能发生能态跃迁并发出特征荧光，同时将部分能量传递给周围分子。

血卟啉衍生物有近二十种，其中经检测光照后单线态氧的荧光量子产率和快混合技术鉴定认为血卟啉、原卟啉、羟乙基乙烯基次卟啉等是最有效的组分[2]。

血卟啉可在肝、肾、脾、肺、皮肤、肌肉等组织中选择性聚集并滞留，正常组织中的血卟啉衍生物在数小时后基本清除；但肿瘤组织却因血流灌注和血管通透性增大，大分子容易溢出，血卟啉衍生物容易自联成聚合物并与血清成分一起漏出血管到达肿瘤组织间液，从而结合于肿瘤细胞表面；且细胞表面有许多特异受体易摄取血卟啉，血卟啉衍生物一旦被癌细∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(20272035); 教育部科学技术研究重点项目(104167)作者简介：朱杰(1980- )男,土家族,湖南张家界人,硕士,助研,陕西物理学会会员,主要从事分子生物物理与理论生物物理研究。

E-mail: zhujieacademic@胞捕获，就很难通过细胞膜逸出，故可在肿瘤中滞留较长时间。

三、声动力学疗法的试验进展1989年，Umenura首次报道了用超声激活血卟啉进行杀伤瘤细胞和抑制肿瘤生长的初步尝试，并将此方法称为声动力学疗法。

十五年来，国内外有许多学者就超声激活血卟啉的声参量的选取、肿瘤系的选择、抗肿瘤的效果、作用机理等进行了大量的研究，并取得了一定的成效[3-22]。

Umenura研究小组[3-4]研究了超声激活血卟啉(HP)杀伤肿瘤细胞的机理：在有、无HP和有、无活性氧捕获剂的情况下，用超声照射小鼠S180细胞悬浮液，HP对超声杀死肿瘤细胞的增强效应可以用组氨酸抑制，但不能被甘露醇抑制，用重水代替普通水可以使杀伤效应加倍。

在类似的超声条件下，在生理盐水中可观察到声致发光，并且它的谱成分可以激活HP 分子。

他们也研究了镓卟啉复合物ATX-70对超声损伤瘤细胞的增强效应，80µＭ的镓卟啉能将2MHz超声所致的空气饱和悬浮液中的S180细胞的杀伤率提高4倍，而同浓度的HP只能提高2倍。

他们还讨论了超声激活HP的机理，提出了是声致高温激活HP还是声致发光激活HP这样一个问题。

Yumita等[5-6]指出单独使用超声仅有一定的抗癌作用，而单独使用血卟啉则没有抑癌作用，但当二者联合作用时，几乎所有的癌细胞都被破坏，从而提示超声激活血卟啉的抗癌作用为一协同效应。

他们还研究了超声结合血卟啉对S180肉瘤的作用，指出在静脉注入血卟啉（HpD）60min后，HpD在血浆中几乎无法测出，而在肌肉组织中的浓度尚不足肿瘤组织中的1/3，并且在整个过程中，HpD在肿瘤组织中的聚集明显高于其它正常组织，这便是血卟啉在肿瘤组织的特异滞留现象。

另外，他们还通过Tempo的ESR谱研究证实了超声激活HP效应并认为单线态氧是超声激活HPD后产生的活性氧的主要成分。

他们也通过实验证实了超声结合血卟啉处理导致鼠红细胞的脂质过氧化，进而揭示了超声激活血卟啉对细胞膜系统过氧化的普遍性。

Tachibana等[7]利用超声激活卟啉II对HL60肿瘤细胞的杀伤效应进行了研究。

实验表明，细胞杀伤率与声强有密切关系，声强愈大杀伤率愈明显。

进一步的研究揭示了光敏剂卟啉II 在超声激活后对鼠肝组织的作用，超声激活卟啉II使肝组织损伤深度达57mm，从而使组织的损伤度提高了近两倍，进一步验证了Yumita的研究结果。

Jeffer[8]和Kesser[9]研究小组采用比胎盘蓝染色法更为精确的集落形成法研究了超声激活HPD对培养液中鼠科白血病细胞L1210的作用：当HPD存在于培养液中时才能增加超声对细胞的杀伤力，在细胞内时超声对细胞的活性没有改变，且一定量的HPD对光细胞杀伤率和超声细胞杀伤率的影响没有相互关系，进而提出了超声引起的细胞损伤仅仅发生在空化核存在的场合的论点。

在国内，陕西师范大学的马玉英、刘全宏、齐浩、尚志远课题组自1991年以来陆续使用不同频率的超声及组合和各种光敏剂对不同细胞系肿瘤细胞进行了离体和在体试验，极大地丰富了声动力学试验资料。

马玉英等[10-11]研究了超声、血卟啉以及超声结合血卟啉对离体和在体S180肉瘤的作用，通过对肿瘤细胞亚显微结构变化的观察以及线粒体琥珀酸脱氢酶、细胞内脂酶活性变化的检测，为超声激活血卟啉治疗肿瘤的研究提供了部分定量指标和形态学依据，为筛选最适超声频率、强度以及最佳血卟啉浓度，以及声动力学疗法抗肿瘤的生物学机制的研究奠定了良好的基础。

刘全宏等[12-14]探讨了低强度超声激活血卟啉对在体S180肉瘤细胞的杀伤作用，分别从癌组织生长状况、超微结构等方面进行研究。

结果表明：超声激活血卟啉对肿瘤生长的抑制作用明显大于其他实验组。

他们还研究了SW-480细胞，声照时间在30s至90s区间细胞具有明显凋亡特征，提示超声激活血卟啉杀伤癌细胞机制中可能存在诱导肿瘤细胞凋亡的作用。

他们用不同声强的超声研究了血卟啉对艾氏腹水肿瘤细胞的杀伤作用和诱导肿瘤细胞凋亡现象，电镜图像显示：细胞微绒毛减少，细胞器受损并发现肿瘤细胞有核物质凝集、趋边排列以及凋亡小体的形成等细胞凋亡特征。

研究中首次发现声化学激活血卟啉在对艾氏腹水肿瘤细胞杀伤的同时，也能诱导艾氏腹水肿瘤细胞发生凋亡，提示在声动力疗法中并存着对癌细胞的直接杀伤和通过诱导癌细胞凋亡的两种抗癌途径。

他们还比较了超声激活血卟啉对在体的腹水型艾氏腹水瘤细胞(EAT)和S180细胞的抑制作用，扫描电镜结果显示：对艾氏腹水瘤细胞和S180细胞均有明显的杀伤效果，且通过对损伤不同形态的比较得出S180细胞膜较艾氏腹水瘤细胞膜对于声动力疗法更为敏感。

齐浩[15]和尚志远等[16-20]对血卟啉、单频超声、复频超声、超声加血卟啉对肿瘤细胞Ｋ562、S180、LiBr、SW180在不同溶液环境下的杀伤作用进行了对比，结果表明复频超声较之单频超声能更有效的激活血卟啉杀伤肿瘤细胞。

从声化学角度解释为：在复频作用下,两种频率的超声各自产生空化过程，当各自空化泡内爆时，会产生许多新的空化核，这些空化核不仅维持该频率的自身再空化，同时也为另一种频率的空化提供更多空化核，况且复频叠加时，声场的频率成分也更丰富，所以空化效应较之单频有所增强，杀伤率也比单频高。

四、声动力学疗法的理论研究综合上述实验，学术界对SDT法的抗癌机理提出了多种假设，主要有膜脂过氧化或去极化产生单线态氧、自由基造成细胞损伤和诱导细胞凋亡机制：单线态氧机制：这是基于光动力学疗法的实验研究提出的，在SDT的实验研究中发现二者可能有相似的机制，认为血卟啉及其衍生物在超声作用过程中可能产生了单线态氧，它虽然仅维持若干纳秒，但其光敏损伤以数小时计，单线态氧有很强的生物和化学活性，可引起肿瘤细胞的结构严重受损而死亡[21]。

自由基理论：该理论认为反应中除了产生单线态氧外，还可能产生多种自由基，如：-OH、O-2、HpD-等。

-OH的反应活性很高，几乎能与所有生物分子反应，激光拉曼光谱研究表明，DNA分子的光敏反应引起的链断裂很可能是-OH作用的结果；O-2是氧毒性的主要因素，可以损伤重要的生物大分子，造成机体损伤；HpD-也可引发一系列的反应，造成细胞损伤[22]。

从细胞凋亡机制上来讲，最后，声化学激活血卟啉启动了癌细胞凋亡途径，通过诱导癌细胞发生凋亡达到治疗癌症的效果[14]。

但从细胞形态结构上来讲，微绒毛是恶性肿瘤细胞扩大表面积、增强细胞内外物质交流的一种形态学适应，其改变必然影响癌细胞的分化和增殖；另外，内质网、高尔基体、线粒体、核膜等膜性细胞器的破损必然影响细胞内外环境的稳定，而核物质的聚集、染色质的丢失都导致基因表达障碍，从而使细胞的正常代谢紊乱，调控功能丧失，最终导致细胞死亡[14]；总之，超声激活血卟啉对肿瘤细胞的杀伤作用涉及到理化因子和生物个体的复杂性等众多因素，所以，丰富和完善这一理论尚需进行深入研究。

五、结论各国学者对声动力疗法的作用机理开展了多学科的研究工作，并取得了一定的成果，但对于其确切作用机制尚没有定论，因而单线态氧机制与自由基理论的可行性仍是一个值得深入探讨的课题；另外，针对血卟啉衍生物的开发工作亦是十分有意义的工作；最后，细胞的凋亡是机体维持自身平衡的一种基本生理机制，恶性肿瘤的发生不仅涉及细胞增殖与分化的异常，还与细胞凋亡机制失常有关，因此，诱导肿瘤细胞发生凋亡或许为解释肿瘤的治疗机理提供了一种新思路。