聚焦超声介导的大容量药物输送
比较声波模式和微泡给药策略在聚焦超声介导的血脑屏障大体积药物传递中的应用
背景介绍
弥漫性固有桥脑胶质瘤（Diffuse Intrinsic Pontine Glioma，DIPG）是儿童中最常见且最致命的脑干肿瘤。由于DIPG的血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）通常保持完整，致使药物无法有效穿透，这为治疗增加了巨大挑战。近年来，聚焦超声结合微泡介导的BBB打开（FUS-BBBO）技术显示出打破这一障碍的巨大潜力。考虑到DIPG的高扩散性，需要能够覆盖整个肿瘤区域的大体积FUS-BBBO治疗策略。本文的研究目标是确定一种能够在脑干部位实现高效且均匀的大体积BBBO的最优治疗策略，以实现免疫检查点抑制剂（如抗PD-L1抗体）在脑干部位的有效传递。
研究来源
该研究由Yan Gong、Dezhuang Ye、Chih-Yen Chien、Yimei Yue和Hong Chen撰写。他们均来自华盛顿大学圣路易斯分校生物医学工程系。文章发表于2022年11月的《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》，本文的原始研究工作得到了美国国家卫生研究院及台湾华盛顿大学圣路易斯奖学金的资助。
研究方法
研究流程
研究设计了两项关键参数的4种组合来评估FUS-BBBO的效果：声波模式（交错与顺序）和微泡注射方式（一次性注射与持续注射）。研究首先对照不同策略下Evans蓝传递效果，随后再对选用的最优策略在不同声压强度下进行抗PD-L1抗体（APD-L1）的传递测试。
动物实验设计
- 实验总共使用了39只成年老鼠。在第一次实验中，24只老鼠被分成四组，每组六只，分别使用交错-一次性注射、交错-持续注射、顺序-一次性注射和顺序-持续注射四种策略进行测试。声压保持在0.45 MPa。选择最优的策略后，第二次实验中，将剩余老鼠分成三组，比较不同声压下APD-L1的传递效果。
- 微泡（Definity）在实验前被激活，并通过尾静脉注射或输注方式进行给药。
声聚焦超声处理
- 使用图像引导的聚焦超声系统进行超声处理。声波在3x3的网格上进行多点声波处理，覆盖整个脑干部位。
- 2D动态腔化成像（PCI）用于实时监测大体积声波处理的腔化情况。
体外荧光成像和量化
- 在FUS处理后，注射4% Evans蓝或荧光标记的APD-L1。老鼠在处理后被处死，收集脑部样本并固定，随后进行切片和荧光成像。使用内置软件对荧光强度进行量化。
均匀性分析
- 通过计算Evans蓝在脑干内的像素荧光强度的变异系数来评估传递的空间均匀性。变异系数越低，均匀性越高。
PCI监测
- 超声探头被动接收信号，采集频率为40FPS。通过在超声波照射期间全程记录每个时间点的腔化强度，积分得到腔化的总剂量。
生理监测
- 在老鼠麻醉期间记录心率和呼吸率，以评估FUS处理是否引起生理变化。
组织学分析
- 使用HE染色评估不同声压处理下的组织损伤，通过ImageJ软件量化显微出血密度。
研究结果
Evans蓝的传递效率和均匀性
- 交错-一次性注射策略获得了最高的传递效率和均匀性。其荧光强度比其他策略高出1.29到2.06倍。变异系数为0.66，而其他策略的变异系数为0.68到0.88。
APD-L1的传递效果
- 在0.30 MPa和0.45 MPa下，成功实现了APD-L1的传递。量化的荧光强度表明0.45 MPa的传递效率高于0.30 MPa，但二者的均匀性相当。0.15 MPa没有取得显著的传递效果。
大体积FUS-BBBO安全性
- 心率和呼吸率监测没有发现显著变化，表明处理是安全的。组织学分析显示在0.45 MPa下有四只老鼠出现了微出血，而在0.15 MPa和0.30 MPa下均没有发现组织损伤。
结论
本研究表明，交错声波模式结合一次性注射微泡是实现高效且均匀的大体积FUS-BBBO最优策略。该策略还能够在相对较低的声压（0.30 MPa）下实现安全的药物传递。PCI监测显示出其在评估传递效率和空间均匀性方面的高效性，并且与最终药物传递结果高度相关。该研究为未来临床中利用FUS-BBBO治疗DIPG提供了重要的指导。
学术意义和应用价值
这项研究不仅揭示了实现高效且均匀大体积药物传递的最佳策略，还通过PCI监测提供了一种实时评估和调控技术。此外，研究在确保治疗安全性的前提下取得了良好的药物传递效果，为DIPG及其他类似脑干肿瘤的治疗探索了新的可能性。未来有望在临床上推广利用FUS-BBBO技术，显著提升这一致命疾病的治疗效果。