超声空化效应.docVIP

超声空化效应 当声波通过液体时, 液体各处的声压会发生周期性的变化,相应地, 液体中的微泡核也会随超声频率发生周期性的振荡。在低声强下, 气泡的径向振荡受声压控制, 微气泡沿着平衡半径左右振荡多次, 在每一个振荡的微气泡周围将产生辐射压力和微束流。微束流能在气泡表面附近产生非常高的切变应激力, 使气泡变形甚至破裂, 可导致邻近的细胞或生物大分子受到影响, 产生一定的生物学效应。这种微泡随声压以其半径为平衡半径做周期性的振荡运动称为稳态空化。当作用声强增大, 使气泡的振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时, 气泡的振动即转而由其周围媒质的惯性所控制。空化核在超声场负压相半周期迅速膨胀, 而在正压相半周期又急剧收缩至内爆, 这种空化称作瞬态空化或惯性空化。瞬态空化时气泡振荡十分猛烈, 最初气泡先是爆炸式地膨胀, 随后又迅速萎陷。在最后萎陷阶段, 会产生局部高温、高压现象( 泡内部的压力和温度可以达到几百上千个大气压和数千开) , 此外还伴随强大冲击波、高速微射流、自由基的产生[1]。这些极端的物理条件和化学基团的形成对正常细胞的结构和酶的生物活性有极大的破坏作用, 但同时对肿瘤细胞可进行有效的杀伤。与稳态空化相比, 瞬态空化除了微气泡发生剧烈的崩溃外, 另一个不同之处在于瞬态空化的产生须具有一定的阈值, 即当超声的声压达到一定值时, 才会引发瞬态空化过程。研究表明, 在瞬态空化下, 细胞和组织受到生物学损伤的危险性较高。高强度的压力波会使细胞损伤、破裂、DNA 断裂, 以及血液溶血、组织损伤、出血等[2- 3]。 在超声造影剂微泡加入的情况下, 空化核增多, 空化效应增强, 空化阈值降低。当然, 影响空化效应的因素很多, 如超声强度和超声频率、液体性质( 如温度、溶解的气体含量、表面张力、液体黏滞度) 等均会对空化效应产生影响。 2.2 靶向作用 超声造影剂能用于诊断和治疗, 除了利用超声的空化效应外, 在很大程度上还利用了超声造影剂微泡的被动靶向和主动靶向作用。微泡即使不加处理修饰, 也可利用其化学和电荷特性使之滞留于病变部位, 从而在一定程度上具有一定的靶向作用( 被动靶向) ; 若再加以不同的方法处理修饰( 如在微泡表面连接能特异性识别病变部位或组织的细胞所表达的特异性抗原或受体的特异性抗体或配体, 或者利用亲和素- 生物素桥间接将微泡与靶细胞结合) , 造影剂可选择性地识别、结合靶细胞、靶组织或病变组织, 达到靶向显影诊断、给药治疗的目的( 主动靶向) 。 3 超声及超声微泡的协同治疗应用 3.1 介导基因治疗 基因治疗是人类征服许多疑难疾病如遗传病、肿瘤、心血管疾病等的一种新的治疗手段, 人们对之寄予厚望。但目前进展缓慢, 在许多治疗方案中极少具有临床疗效。究其原因, 缺乏安全、高效的基因载体及基因转移方法是主要问题所在。近年来研究表明, 超声造影剂介导基因输送, 可明显地提高外源基因的转染和表达, 有望成为一种高效、安全、操作简便的无创治疗手段。Lawrie 等[4]报道, 超声辐照可使裸露DNA 对血管内皮细胞的转染率提高10 倍, 可使质粒脂质体转染法的转染效率再提高3 倍。如在空化下使用微气泡与质粒结合, 则比单纯裸质粒的转染效率提高300 倍。如果空化下使用的微泡是脂质体微泡, 则基因转染效率将比单纯裸质粒基因的转染效率提高3 000 倍。Taniyama等[5]用编码荧光素的质粒DNA 体外转染人血管平滑肌细胞和血管内皮细胞, 24 h 后单纯质粒组细胞荧光素活性较低, 超声照射组比单纯质粒组高约70 倍, 造影剂+超声照射组比单纯质粒组高7 000～8 000 倍; 活体实验中, 质粒+造影剂+超声照射组比单纯质粒组细胞的荧光素活性高约1 000 倍。 目前, 对于超声及超声造影剂能增强基因转染和表达的机制还不是很清楚。但大多数学者认为超声的空化效应一方面导致局部毛细血管和临近组织细胞膜的通透性增高, 细胞膜短暂地形成可逆性小孔; 另一方面微泡破裂时产生的冲击波、高速微射流和团快物质等加速基因进入细胞, 从而增强基因转染与表达[6- 8]。超声造影剂的加入大大增加了空化核的数量, 降低了空化阈值, 增强空化效应[9]。这一观点在一定程度上也得到一些实验研究的支持。Ward 等[10]使用淋巴细胞悬浮液, 引入造影剂且使其浓度可变, 加以超声, 观察到了2 种声孔, 即可修复性声孔和致死性声孔。冉海涛[11]等发现, 微泡造影剂联合超声辐照体外培养的血管平滑肌细胞膜上出现直径约1～2 mm、形态不规则的小孔; 有的小孔周边细胞膜局限性隆起, 呈弹坑样或火山口样; 少数细胞膜表面的孔洞直径较大可达5～8 mm; 并且发现细胞膜上出现的小孔是可逆的, 细胞能在2