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超声介导载药微泡靶向治疗肿瘤的研究进展_李擎

Progress of targeted therapy 

for malignant tumor byultrasound-targeted drug

-loadedmicrobubbles 

destructionLI Qing,

TANG Shao-shan*(Department of Ultrasound,Shengjing Hospital of China Medical University,Shenyang1

10004,China)[Abstract] Ultrasound-targeted drug-loaded microbubbles destruction(UTMD)is a promising strategy for drug delivery.The microbubbles encapsulated drug by phospholipids or block copolymer are long circulating,sustained releasing,and tar-geted releasing when destroyed by ultrasound irradiation.Ultrasound irradiation also enhances drug absorption in the ab-sence of cell damage by induction endocytosis and pore formation,providing a novel noninvasive and effective therapy formalignant tumor.The mechanism,research and application progresses of UTMD were reviewed in this article.[Key 

words] Ultrasonics;Targeted therapy;Microbubbles;Drug delivery systems超声介导载药微泡靶向治疗肿瘤的研究进展

李 擎 综述,唐少珊* 审校

(中国医科大学附属盛京医院超声科,辽宁沈阳 110004

)[摘 要] 超声介导载药微泡靶向药物释放(UTMD)是一种新兴的靶向给药方法,以声学微泡包裹药物后,经局部超声辐照,

可实现缓释及靶向给药的双重作用。同时,超声辐照可促进组织细胞内吞作用并产生声孔作用,在不破坏细胞的情况下增加靶组织对药物的摄取。UTMD为治疗肿瘤等疾病提供了一种安全且可有效减少全身不良反应的给药方法。本文对UTMD应用于肿瘤治疗的作用机制、研究及应用进展进行综述。[关键词] 超声学;

靶向治疗;微泡;药物释放系统[中图分类号] TB559;R445.1 [文献标识码] A [文章编号] 1672-8475(2012)01-0055-

04[基金项目]沈阳市科学技术计划项目(f102051-

17)。[作者简介]李擎(1986—),女,辽宁沈阳人,在读硕士。研究方向:腹部超声诊断与治疗。E-mail:zz7lee@g

mail.com[通讯作者]唐少珊,中国医科大学附属盛京医院超声科,110004。E-mail:tangss@sj-hospital.org

[收稿日期]2011-06-12 [修回日期]2011-09-

06 超声介导载药微泡靶向药物释放技术(ultra-sound-targeted drug

-loaded microbubbles destruc-tion,UTMD)是静脉注入载药微泡后,在指定部位行超声辐照,超声波产生惯性空化致体内载药微泡破裂,同时对周围组织产生生物学效应,实现局部释放药物并增加组织对药物的摄取。

1 UTMD的作用机制

UTMD的作用基于声空化效应(acoustic cavita-tion

)。超声在介质中以纵波形式传播,形成密集相和稀疏相,交替向前传递,即正压区和负压区。当介质为液体时,

在液体内形成小气泡并随着声压变化膨胀、压缩以致崩塌的现象称为声空化。声波较弱时,气泡在“膨胀—压缩”交替中仍保持正常形态,称为稳定空化;当声波达到一定强度,气泡压缩速度过快,在其内产生内聚“微骇波”,使其难以保持球形,并在崩塌后将能量以冲击波形式释放,称为惯性空化。液体产生空化所需的最低声压或声强称为空化阈值。常规条件下,人体组织液空化阈值较高,而声学微泡内包裹气体将构成稳定存在的空化核,空化核数量的增加可显著降低组织液空化阈值。超声空化将产生高温效应、

放电效应、发光效应和压力效应等[

1]

。以上效应作用于组织细胞,可一过性破坏血管内皮细胞间连接、在细胞膜及细胞核膜上同时产生声孔、

增加细胞膜钙离子内流、降低跨内皮细胞电阻抗(transendothelial electrical re-

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sistance,TEER)、促进细胞内吞作用,提高血管内皮细胞通透性的同时增加细胞对药物的摄取量[2-5]。

2 载药微泡的制备

理想的载药微泡应具有安全无毒、粒径小且均匀、包封率高、载药量大、体内稳定性好并易被超声击破等特点。微泡的物理性质受包封材料、成像气体、成泡环境等因素的影响。

磷脂和聚合物是载药微泡的两种主要包封材料。磷脂具有较高的生物相容性和稳定性,广泛应用于药物载体。Unger等[6]采用声振法以磷脂包裹紫杉醇(paclitaxel,PTX)及空气的声学微泡,平均粒径为2.9μm。聚合物是一种新型包封材料,稳定性更好[7]。由亲水端和疏水端构成的两嵌段共聚物因结构简单、易于分析和改造而被广泛使用[8]。亲水端(如PEG)可避免微泡被网状内皮系统识别,延长其体内半衰期,可连接靶向基团(单克隆抗体、叶酸、多糖及多肽等)制成靶向微泡;疏水端是药物主要增容部位,主要分为聚酯类、聚氧丙烯类和聚氨基酸类。根据溶解度参数理论选择相容性较高的药物和疏水端聚合物组合,可有效提高微泡的载药量和稳定性[9]。另有研究者[10]将药物溶于脂类溶剂后通过聚合物材料封装,获得了较高的载药量。有以聚合物(PEG-PLLA、PEG-PCL等)包裹PTX及同样具有气液相变性质的全氟戊烷(PFP)或PFCE,可制成纳米级载药微泡[11-12]。PFCE微泡粒径为200~350nm,小于PFP微泡(592.6nm,73%),体外稳定性更好。纳米级微泡可通过肿瘤血管壁,直接接触肿瘤细胞,提高药物的利用率。但与磷脂相比,聚合物微泡更难被超声击破。

将特异性配体耦联至载药微泡表面可制成靶向载药微泡[13]。此种微泡可主动结合到靶组织相应受体上,对提高乏血供肿瘤的治疗效果有较好的应用前景。3 超声辐照方式及参数对UTMD的影响

如何在正常组织损伤最少的条件下局部释放最大药物浓度,即优化超声辐照方式及参数,是载药微泡应用于临床前需要解决的问题。

超声辐照方式及参数的研究一方面针对微泡自身声学性质,另一方面则是不同辐照参数产生生物学效应对增强肿瘤组织药物摄取及细胞活性的影响。

Smith等[14]研究表明,脂质微泡可被超声诊断仪线阵探头发出的脉冲波击破,随着脉冲持续时间延长或稀疏声压升高,击破阈值迅速下降。Rapoport等[15]研究聚合物(PEG-PLLA和PEG-PCL)外壳包裹PFP的载药纳米颗粒的空化效应,发现聚焦超声辐照时微粒同时发生稳定空化和惯性空化,而经非聚焦超声辐照后微粒仅发生稳定空化,即不发生崩塌。

微泡联合超声辐照产生空化效应可一过性破坏细胞间连接、产生声孔效应、促进细胞内吞作用,提高血管内皮细胞通透性,增加细胞对药物的摄取量。Lin等[16]研究超声联合微泡增强肿瘤对不同粒径微粒(30~180nm)摄取的增强作用,发现联合辐照后粒径为30、80、130和180nm微粒的摄取量分别为对照组的4.0、3.0、3.8和2.4倍。当频率、峰值负压、机械指数和脉冲重复频率分别为1MHz、0.4MPa、0.4和50Hz时,可在不损伤血管内皮细胞的情况下提高血管内皮细胞通透性[17]。当频率、峰值负压、占空比、脉冲重复频率分别为1MHz、0.1MPa、0.2%、20Hz时,可破坏初级内皮细胞间的连接,增加肿瘤组织对药物的摄取,且断裂的细胞间连接可在30min内恢复[18]。而当超声辐照频率、峰值负压、脉冲重复频率分别为1MHz、0.25MPa、10kHz时,细胞产生自封作用,可促进细胞自我修复[19]。

目前对超声参数及方式的研究多为离体实验,而针对在体肿瘤尤其是不同组织深度时的超声辐照参数的优化有待进一步研究。

4 UTMD微泡包载药物及作用

化疗可有效延长恶性肿瘤患者的生存期,而不良反应一直是限制其临床应用的主要问题。研制具有低毒性和长效缓释性的脂质体作为药物载体,可有效地缓解这一问题。而声学载药微泡综合了脂质体和超声微泡造影剂的优点,可在长效缓释性的基础上实现靶向释放给药,并促进靶组织药物摄取,在降低血药浓度的同时增加靶组织内药物浓度。以下是几种常用于制备载药微泡的化疗药物。

4.1PTX 目前PTX是临床治疗卵巢癌、乳腺癌常用的化疗药物,可与微管蛋白结合,形成稳定的微管束且不易解聚,干扰有丝分裂,抑制癌细胞增殖。PTX属亲脂疏水性化合物,国内外上市的PTX注射液中,用于助溶的聚氧基乙代蓖麻油可引起过敏反应。Un-ger等[6]以磷脂为包封材料制成载PTX的超声微泡,与PTX注射液相比毒性降低10倍,同时具有超声显影能力,并可被超声击破。研究[12,20]表明,超声介导载PTX微泡靶向释药可有效抑制卵巢癌、乳腺癌及胰腺癌生长,给药后肿瘤体积明显缩小。

4.2阿霉素(doxorubicin,DOX) 为蒽环类抗菌素,通过与DNA发生嵌插相互作用而起到抗癌作用,具有瘤谱广、活性强等特点,但心脏毒性及骨髓抑制等不

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良反应限制了其临床应用。有学者[21-22]对载DOX微

泡在体、离体特性分别进行研究,结果表明超声介导载DOX微泡对离体细胞的抑制率是游离DOX及DOX脂质体的3倍;在体实验中,超声辐照肿瘤内DOX浓度是未辐照肿瘤的12倍。

4.3 10-羟基喜树碱(10-hydroxycamptothecin,10-HCPT) 是喜树碱(camptothecin,CPT)的半合成衍生物,具有潜在的选择性杀伤肝癌细胞的作用。HCPT不溶于水,难溶于脂,碱化开环后溶于水制成的注射液抗癌活性显著下降。超声载10-HCPT微泡(HLM)能定位释放10-HCPT,提高移植瘤局部10-HCPT含量,同时脂质微泡作为10-HCPT的载体能延长其体内循环时间,显著提高10-HCPT对H22移植瘤的生长抑制效应,增强10-HCPT对肿瘤血管生成的抑制作用[23-24]。

4.4血卟啉(hematoporphyrin,HP) 是一种声敏剂,经超声辐照激活后对恶性肿瘤有特异亲和性,具有抗肿瘤效应。载HP高分子材料乳酸/羟基乙酸共聚物(PLGA)微泡能够抑制小鼠H22肝癌移植瘤生长,并促进其凋亡[25]。

4.5卡莫司汀(cammustine,BCNU) 通过抑制DNA聚合酶干扰DNA修复和RNA合成,达到治疗恶性肿瘤的目的。BCNU为脂溶性,传统静脉注射给药方式体内血浆半衰期不足15min,且易导致骨髓抑制、肝功能损害、肺纤维化等。研究[26]表明,超声介导载BC-NU脂质微泡可增加药物血脑屏障透过率,使增殖期(S期)神经胶质瘤C6细胞比例减少,并出现凋亡。

目前制成载药微泡的药物多为疏水性药物,亲水性药物载药微泡的制备尚未见相关报道,三嵌段共聚物[9]有可能较好地解决这一问题。

5 展望

UTMD具有无创、可重复、不良反应小、靶向性强等优点,为治疗恶性肿瘤等提供了一种新的给药方法[27],具有广阔前景,但目前仍处于实验阶段。超声空化效应对组织细胞药物摄取量的提高及细胞损伤机制方面的基础研究将为UTMD的应用提供理论基础,进一步研究和优化超声辐照参数以及药物体内释放后的药代动力学是UTMD应用于临床前的必要准备,而如何提高微泡载药量及释放效率是亟需解决的问题,需要超声医学、药理学、生物工程等多学科紧密合作[28]。而如何制备载药微泡以有效提高载药量、微泡粒径均一度以及体内稳定性等仍是UTMD研究的重点。

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