肿瘤的声动力学治疗.

肿瘤的声动力学治疗

【关键词】声动力；血卟啉；肿瘤

0 引言

肿瘤是一种常见、多发病，其中恶性肿瘤是严重危害人类健康的一类疾病，其死亡率仅次于心血管疾病而居第2位。鉴于目前对肿瘤的病因和发病机理不清楚，有关肿瘤的治疗方法都不能从根本上解决问题。人们不断探索新的肿瘤治疗方法，超声激活声敏剂治疗恶性肿瘤的声动力学治疗(sonodynamic therapy,SDT)就是其中之一。

1 声动力治疗的来源及发展

SDT是在光动力治疗(photodynamic therapy,PDT)的基础上建立和发展起来的。1978年美国的Dougherty等［1］提出激光与血卟啉结合有明显的抗肿瘤作用，并将用激光激活血卟啉治疗肿瘤的方法称为光动力。由于激光的组织穿透能力有限，使其在深部肿瘤的治疗应用上受到限制。超声可以到达深部组织，1989年Umemura等［2］通过生物体内和体外的实验研究表明，在血卟啉存在条件下，超声诱导肿瘤细胞坏死比无血卟啉时明显增多，由此他提出了声动力治疗的概念。

1990年Yumita等［3］利用超声波结合血卟啉对接种了S180细胞的鼠进行了抗肿瘤效应测定。结果表明单独使用血卟啉没有抗肿瘤作用，单独超声波有微弱的抗肿瘤作用，二者结合对肿瘤细胞的抑制率达到了74%。Umemura等［4］通过向S180细胞悬液内加入活性氧捕捉剂组氨酸，血卟啉增强超声对肿瘤细胞损害作用受到抑制，而加入自由基捕捉剂甘露醇损害作用不受影响。推测超声波激活血卟啉，产生了单线态氧，增强了对肿瘤细胞的损伤。1991年张伊力等［5］证明超声频率为1.8MH，声强为0.7～1W/cm2，血卟啉浓度为100～200 μg/ml时， S180细胞杀伤率达95%以上，对在体S180肿瘤的增长抑制率达57.52%，大大高于同样强度的单纯超声或同样浓度的血卟啉的肿瘤细胞的杀伤作用，为SDT的临床应用提供了实验基础。

Tachibana等［6］给小鼠按30mg/kg注射光卟啉Ⅱ后，用210kHz，

1.3W/cm2的超声波对小鼠肝部进行照射，结果表明，使用光卟啉Ⅱ后，超声波最大破坏深度平均为5.7mm，而单独使用超声波的最大破坏深度为3.0mm。

Sasaki等［7］于1998年对移植到小鼠肾部位的Walker256肿瘤进行了抗肿瘤实验，实验采用了二次谐波技术，所使用的超声波频率分别为0.5MHz和

1.0MHz。实验结果表明，超声波强度低于8W/cm2或的浓度低于

1.0mg/kg时，均不能产生明显的抗肿瘤效应。

2002年Abe等［8］利用癌胚抗原的抗体与镓卟啉的类似物结合，形成，作用于癌胚抗原阳性的胃肠道肿瘤细胞，经超声激发后，肿瘤细胞受到明显抑制，其作用较单独超声作用或超声联合的抑制效果都强。因此认为抗体与卟啉物质的结合有靶向作用，是未来声动力治疗的新方向。

2 声动力治疗的机理

2.1 超声的热效应

SDT杀死或抑制肿瘤细胞的部分机理是通过超声的热效应来实现的。当超声通过生物组织时，其能量因吸收而衰减。吸收具有指数特征。组织因吸收超声能量而温度升高，温度升高的程度决定于组织的吸收系数和组织通过的血流量。肿瘤组织受到超声辐照后，由于癌细胞体积较大，排列又很密集，且其吸声系数约为正常组织细胞的两部，因此大部分超声能量被肿瘤细胞核所吸收，癌组织温度升高。加之癌组织血管生长紊乱，血流缓慢，其温度升高不能通过血流向周围组织扩散，导致癌组织对热的敏感性高于正常组织。超过42.5℃～43℃的温度可使癌细胞的pH值降低，DNA、RNA、蛋白质的合成受到抑制，细胞膜的通透性增高，溶酶体活性增加，癌细胞结构遭到破坏，癌细胞死亡。

2.2 超声的空化效应

大量的实验结果提示，SDT中超声激活血卟啉的抗癌效果大大高于单纯超声热效应的抗癌结果，因此其机理可能更主要地与超声的空化作用激活聚集在癌组织的血卟啉产生单线态氧有关，超声激活血卟啉产生活性氧的假设已为电子自旋共振(ESR)检测技术所证实。超声辐照过程中，当声压与组织液的静压力之和很小时，癌组织内原有的及超声波辐照时产生的一些小气泡会生长，反之则会缩小，故超声导致气泡在组织液中呈呼吸式的振动。在超声强度比较低时，这种振动是缓慢而有规律的，通常都产生破坏力，即稳态空化。即使在稳态空化的情况下，超声的机械作用也会使癌组织内的亚微气泡因定向扩散而逐渐增大，当其增大到接近超声波波长时，就发生了共振。共振频率决定于气泡的原始半径及组织液的静压力以及其他物理常数。气泡越小，共振频率越大。共振时的大幅度振动，导致微射流，使气泡周围的应力增加，并在癌组织内产生相对振荡。当超声的强度超过空化阈时，气泡振动加剧。当声压与静压力的合力趋近于零时，气泡的直径增大；当声压的方向改变时，在很大的合力作用下，气泡猛烈收缩(内爆)，以致破裂成许多小气泡，产生强烈的冲击波和局部的高温，即瞬态空化。因癌组织本身含有空化借以开始生长的亚微气泡(空化核)，空化阈较低，易发生在超声声强最大处。理论计算和实验研究表明，瞬态空化泡闭灭时，形成局部热点(hotspot)，其温度可达5 000K以上，温度变化率达109/s，压力高达数百乃至上千个大气压。在超声激

活血卟啉的实验中，瞬态空化可在局部产生6 000～7 000K的高温，出现声致发光现象，并伴有强大的射流及多种物理和化学效应。

血卟啉(HPD)分子结构(见图1)是四个吡咯大环结构，形成Pπ共轭体系，很容易接受光能或热能而产生电子跃迁。超声激活血卟啉及杀伤肿瘤细胞的过程可用下式表示：

HPD+E→1HPD*

1HPD*→3HPD*

3HPD+3O2→1O2+HPD

E为超声空化过程中产生的能量，1O2为单线态氧。

在此条件下，血卟啉分子足以被激活而产生单线态氧，它是一个亲电子性很强的氧化剂，对癌细胞的破坏主要通过以下几方面实现：破坏癌细胞的脂质和细胞膜，导致膜通透性增强、线粒体膨胀、溶酶体酶的释放等损伤；癌细胞内蛋白质变性，并影响酶活性；使癌细胞核酸分子的完整性和结构受到破坏，导致染色体出现变异。超声空化和单线态氧损伤肿瘤细胞示意图［］，见图2。

图1 血卟啉分子结构示意图（略）

图2 超声空化和单线态氧损伤细胞示意图（略）

2.3 声致发光

声致发光能否激活血卟啉产生单线态氧，还有争议。Miyoshi等［12］研究发现：在10～25度范围内，镓卟啉衍生物介导的声动力学效应随温度升高而增强，而既往研究证实，水溶液的声致发光强度随温度升高而减弱；

介导的声动力学效应在氧浓度约20%时最强，随氧浓度的升高而减弱，接近100%时完全消失，这与单线态机制是矛盾的；采用新型自旋捕捉剂DRD156在声动力学实验中未检测到单线态氧的产生；只有当位于细胞外时才能产生声敏作用；表面活性剂CTAB能模拟产生声动力效应。作者认为声动力效应与声致发光无关，并推测声动力效应与声敏剂来源的过氧基产生有关。Jeffers等［14］研究了非毒性浓度的DMF、MMF、DMSO对培养人早幼粒细胞白血病细胞的声动力学效应，并将这种毒性效应归功于超声空化产生某些来源于这些物质的、未知的、短期存活的活性物。在氮饱和的DMF、MMF、DMSO水溶液中检测到碳为中心的自由基，空气饱和的水溶液中检测到相应的过氧基。超声处理后肿瘤细胞的脂质过氧化水平明显提高。

3 SDT的临床应用展望

与PDT相比，SDT有许多优点：SDT对深部肿瘤的治疗无须通过内镜，操作