近年来,恶性肿瘤持续位居中国人口死亡原因之首,年死亡率在城市和农村中分别约为160/10万人和150/10万人[1]。尽管针对恶性肿瘤的预防、诊断和治疗手段在不断进步,但仍有大量患者因肿瘤进展,缺乏有效且可耐受的治疗手段而造成死亡。晚期及一般情况较差的肿瘤患者常使医生束手无策,这使得开发有效且创伤性小的治疗方式变得十分迫切。

声动力治疗(SDT)是一种基于超声波与声敏剂相互作用的新兴肿瘤治疗方法。早在1989年,SDT作为一种基于光动力治疗(PDT)的非侵入性肿瘤疗法首次被开发[2]。在过去的数十年中,PDT作为一种无创治疗肿瘤的方法受到了广泛的关注,但由于光的穿透力较弱,使其临床疗效仅限于浅表病变[3]。然而,超声波作为一种可以穿透深层组织的机械波,使得SDT能够克服PTD的主要局限,即能够穿透并影响到深层组织病变。同时,相较于光照而言,超声对人体的损伤更小[4]。超声治疗还可以通过控制照射频率、时间和强度来精确地定位肿瘤组织,从而达到杀死癌细胞并尽可能减少对周围健康组织损伤的目的[5],这些优点引起了研究者与临床工作者的浓厚兴趣。本文将就SDT的作用机制及近年来该领域基础研究和临床应用的进展进行综述,揭示其在肿瘤治疗中的潜力,并进一步阐述SDT在临床转化过程中面临的问题与困难,以期为后续的研究和临床应用提供参考与指导。

1、SDT的基本作用机制

目前,SDT治疗肿瘤的作用机制尚未彻底阐明,较普遍被接受的是活性氧(ROS)学说和超声空化学说。除此以外,有研究者认为SDT能够通过调整基因表达和改变信号通路等途径诱导肿瘤细胞凋亡[6,7],但此类研究相对较少,且超声空化学说亦可诱导细胞凋亡,故在此不单独进行说明。此外,免疫学说在最近的研究中越来越受到重视,且其在SDT中的作用越发显著,后文将予以介绍。

1.1ROS学说

ROS学说认为,超声波能够通过“声致发光”或“声致发热”等作用激活细胞内的声敏剂,使其呈现激发态,激发态的声敏剂在回到基态时释放能量,同时产生ROS[8]。ROS也存在于正常组织内,其生物学效应包括2个方面:(1)ROS通过诱导有丝分裂反应,消除炎性反应和微生物,从而维持正常的生理功能;(2)ROS的强氧化活性会损害脂质、蛋白质和核酸,并最终诱导细胞凋亡。ROS的强氧化活性在健康组织中会被抗氧化防御系统所抑制,而在肿瘤组织中,由于ROS水平过度升高,抗氧化防御系统异常,ROS可以在病变区域造成不可逆的细胞损伤,从而达到治疗肿瘤的目的[5,9,10]。ROS产生的多少主要取决于声敏剂的类型和组织微环境的含氧量,声敏剂是否容易被激发并释放能量对ROS的产生至关重要,并且富氧型肿瘤更易产生ROS。ROS学说还认为,耗尽还原型谷胱甘肽(GSH)及破坏肿瘤微环境中的氧化还原平衡都有助于提高SDT的疗效。在一些肿瘤中,破坏氧化还原平衡本身就是一种治疗肿瘤的方法,有研究者通过介入注射含金的物质,在线粒体中形成金-硫化学键来耗尽GSH,从而破坏细胞内的氧化还原平衡,以达到治疗肝细胞癌的作用[11]。此外,GONG等[12]已经合成了缺氧双金属化合物-聚乙二醇纳米颗粒,其不仅能够作为声敏剂产生ROS,还可用于直接消耗GSH,从而促进ROS的细胞损伤作用。

1.2超声空化学说

超声空化学说认为,当强度超过一定阈值的超声作用于液体时,能够产生超声“空化现象”,即细胞外或细胞内液体中的微气泡在压力作用下发生振动、收缩和破裂,这种物理作用能够直接杀伤目标细胞。微气泡在破裂时也会释放能量,产生ROS。此外,细胞膜附近的空化现象还可以改变细胞膜的通透性,有助于声敏剂等高分子物质进入细胞内[13],进而导致细胞内外钙离子浓度异常和膜电位异常[14],从而诱导细胞凋亡。超声波的空化效应是涉及大量机械动力学作用的随机过程,其诱导需要强大的声压以及液体介质中的空化核。因此超声空化阈值及超声空化效应的强度主要取决于声敏剂内的气体含量以及超声的频率和强度,而一些声敏剂结构本身就存在空化核,使其超声空化效应会更为显著。超声空化效应介导的细胞损伤在SDT中非常重要,目前降低诱发条件和提高效应强度是SDT研究的热点。

1.3免疫学说

最初的声敏剂并不能提高机体对肿瘤的免疫力,但随着生物材料的快速发展,已有不少研究者通过改变声敏剂的结构,成功合成了具有改善机体对肿瘤免疫的声敏剂。SONG等[15]通过在传统的声敏剂上连接了吲哚胺2,3二氧化酶(indoleamine2,3-dioxygenase,IDO)抑制剂,即可有效阻断IDO及其下游的免疫抑制作用,促进树突状细胞的成熟,并激活CD8+T细胞,促进干扰素γ和肿瘤坏死因子α等细胞因子的分泌,持久地增强免疫反应并长时间避免肿瘤复发[16,17]。此外,YUE等[18]也将声敏剂与免疫佐剂结合在一个纳米复合物中,从而帮助免疫佐剂在靶区发挥抗肿瘤的作用。理论上,通过这种外接免疫相关分子的方法可以针对不同肿瘤,设计不同的连接基团,从而特异性地提高机体对目标肿瘤的免疫功能。

2、SDT的基础研究

SDT的起效依赖声敏剂和超声的相互作用,因此SDT的基础研究主要集中于声敏剂的开发和超声参数的探究。

2.1声敏剂种类

2.1.1传统声敏剂卟啉及其衍生物

早在1989年,YUMITA等[2]最早进行了有关SDT的基础研究,从相关宿主中获取大鼠肝癌细胞和小鼠肉瘤细胞,用血卟啉作为声敏剂处理细胞悬液,随后使用超声波,以1.92MHz的频率和不同的强度处理细胞;通过分析其细胞活力发现,用声敏剂联合超声波处理的肿瘤细胞完全被溶解[2],以此开创了SDT研究的先河,其中采用的血卟啉成为了最经典的声敏剂,后续许多研究者[19,20]对其进行修饰加工,来增强其治疗作用。

2.1.2其他传统声敏剂

除了卟啉及其衍生物可作为声敏剂以外,在近年来的研究中也采用了许多其他的声敏剂。目前常用的声敏剂主要包括以下几类:卟啉及其衍生物(原卟啉、血卟啉和血卟啉单甲醚等)[17,21,22,23,24,25,26,27]、抗肿瘤药[28](多柔比星和顺铂)、5氨基酮戊酸[29]、二氢卟吩e6和亚甲蓝[30,31]等。过去也有使用喹诺酮类药物和酮类化合物作为声敏剂,但近年来未见此类声敏剂有新的进展。值得注意的是,由于单单一种物质难以同时在产生ROS、产生空化效应和改善肿瘤免疫等多个方面都具备优秀性能,因此这些传统的声敏剂几乎不再被单独使用,而是作为新型声敏剂的一部分发挥功能。

2.1.3新型声敏剂

由于各类传统声敏剂的性能无法达到研究者的要求,因此研究者们也在不断通过体外和体内研究寻找新的、性能更好的声敏剂。目前看来,新型纳米复合物可能是未来最有前景的声敏剂。纳米材料是由直径在1～100nm的基本颗粒组成的天然或人工材料,在声、光、磁和热等方面的性质都与普通材料迥异,在医学领域已有许多应用。已有不少研究者尝试用纳米复合物作为声敏剂,并得到了较好的结果[32]。

2.1.4纳米技术在SDT中的应用

纳米技术在SDT中的应用包含2个方面:(1)通过直接物理包裹或化学键合等方式,将纳米材料与传统声敏剂相结合;(2)直接作为声敏剂使用。

具体而言,将纳米材料与传统声敏剂相结合能够有效改善传统声敏剂的理化特性,从而提高SDT的疗效。许多传统声敏剂为非水溶性,无法通过口服或静脉注射应用于体内研究,而通过搭载纳米材料,可以将其变为水溶性,从而改善其给药方面的缺陷。此外,声敏剂能够集中分布在肿瘤组织中,主要依靠了实体瘤的高通透性和滞留(EPR)效应,即由于肿瘤组织血管丰富及结构完整性差,淋巴回流缺失,造成大分子类物质具有选择性高通透性和滞留性。而通过纳米颗粒搭载传统声敏剂,可以增大声敏剂的表面积和体积,从而进一步增强EPR效应,增加声敏剂在肿瘤组织的分布并减少其在正常组织中的分布[33],从而提高疗效并降低不良反应。同时在纳米颗粒中,纳米分子的中孔结构有助于提供成空化位点以增强空化作用[34]。

部分无机纳米材料本身具有良好的声敏性,可直接作为声敏剂应用于SDT研究[35],其中包括了硅纳米颗粒[36]、钛纳米颗粒[37]和富勒烯[38]等。PAN等[34]构建了一种以锌为金属中心的类卟啉有机纳米框架,研究者通过电子自旋共振试验证实了其通过电子跃迁产生ROS的机制,并用高速相机捕获了其形成空化气泡的图像。这种效果卓越的声敏剂证实了无机纳米复合物只要结构恰当,也能产生ROS,而且声敏性能可以比传统声敏剂更好。

2.1.5最新纳米声敏剂研究进展

在最新的研究中,KWON等[39]开发出了一种新型的亲水化金-二氧化钛纳米复合材料(HAu-TiO2NCs),在体外实验中取得了非常好的SDT疗效,其声敏性非常卓越,有望在未来得到进一步研究。ZHU等[40]则开发出了一种含锰的PpIX@HMONs-MnOx-RGD纳米复合物,其表面的肽链使其具有对肿瘤的高选择性,并在正常组织中快速排泄,由此可以提高其选择性。CHEN等[41]也开发出了碘化物-氧-氟碳链-HMON(IR780@O2-FHMON),其中氟碳链能够在体外结合O2后到达肿瘤微环境,使肿瘤微环境更富氧,有助于ROS的产生,从而提高肿瘤对SDT及各类治疗的敏感性,因此其对低氧肿瘤的疗效比其他声敏剂更优越。LIANG等[42]开发了铂-硫化铜-聚合物p-传统声敏剂(PCPT),其中硫化铜的中空结构可以搭载声敏剂,铂能够催化产生活性氧,聚合物p是温度敏感的,可以通过调节温度来控制声敏剂的释放,从而实现声敏剂的体外智能控制。

2.2超声参数

超声的生物效应取决于超声的局部强度、频率以及暴露时间。已经有大量研究者针对SDT的最佳强度和频率进行了研究,一般认为应选用低能量(<3W/cm2)和低频率(<2MHz)的超声波进行间断照射效果最佳。高能量或高频率会导致ROS产生过多[43],从而导致正常细胞过度死亡[10]。而间断照射则是为了增加处在细胞增殖期的肿瘤细胞的比例,由于增殖期细胞对ROS更敏感,因此间断照射可以提高SDT效果。

为了减少超声对正常组织的损伤,应尽可能降低超声的强度,因而研究者们开始研究如何在保证效应的情况下,降低其超声强度。双(多)频超声就是解决方案之一,研究者已经证实了多频超声产生的空化效应较单频超声强,而TABATABAEI等[44]使用了2个超声场进行同时联合辐照,测定产生的空化活性高于2个频率分别产生的空化活性之和,证实了双频超声具有协同作用,从而起到更好的治疗作用。另外,空化效应作为超声强度的应变量,SALETES等[45]发现双频超声的函数曲线总是比单频超声斜率更陡,这也就意味着双频超声的效应阈值比单频超声更精确。

当然,针对不同声敏剂及不同肿瘤患者,都应该分别进行严格的试验,来确定超声治疗的强度、频率、每次超声治疗时长和间隔时长,以达到最佳的SDT疗效。

3、SDT的临床应用

目前已有不同研究者将SDT应用于乳腺癌、膀胱癌和肝内胆管癌等恶性肿瘤治疗中,并取得了一定的成效,但总体而言国内外临床应用SDT的报道仍不多。

3.1乳腺癌SDT及效果

广州军区总医院在2005—2007年使用声光动力治疗(SPDT)对3例脊柱转移的乳腺癌患者行姑息性治疗[46],该研究所采用的的声光敏剂是Sonoflora1(SF1),通过舌下含服给药2～3d,总剂量在30～60mg不等,并在最后1次给药后24h开始SPDT:使用630nm和20mW/cm2的红色LED灯照射肿瘤区域或全身30min;而后使用1MHz和2.0W/cm2的超声治疗每个肿瘤区域20min,如此的治疗方式1次/d,持续3d为1个周期;并在1～2周后,进行下一个治疗周期。其中1例患者在SPDT的同时采用了小剂量化疗,经过2个周期的治疗后患者颈部的肿瘤从13cm×6cm缩小到5cm×3cm,并存活了6个月,考虑到患者之前已经接受过24个周期的化疗并最终失败,能收获如此疗效主要是SPDT的作用。另外2例患者接受了2个周期的SPDT和放疗,其中1例患者治疗后完全缓解,28个月后的PET/CT未检测出肿瘤活动;另1例患者2个月后的PET/CT显示部分缓解,肿瘤标志物及血常规恢复正常。3例患者均未出现明显不良反应。

日本的犬井肿瘤免疫诊所在2013年收治了1例55岁女性乳腺癌患者,伴有右腋窝和脊柱转移瘤,胸膜内转移瘤和右胸腔积液。在2013年6月—10月期,患者接受了SDT,巨噬细胞活性因子(GcMAF)疗法和激素疗法的联合治疗,治疗后患者的咳嗽、背痛和右手浮肿均好转,腋窝转移瘤、右胸腔积液及胸膜内转移瘤完全消失。除因激素治疗引起的轻微关节疼痛外,未见任何不良反应。该诊所还在2014年收治了1例77岁男性非小细胞肺癌患者(腺癌,3B期)。在2014年7月—2015年4月,诊所应用了GcMAF免疫疗法、SDT治疗、肿瘤电场疗法和臭氧疗法,使肿瘤在8个月内未见增大[47]。

3.2膀胱癌SDT及效果

徐州中心医院在2017年收治了1例71岁男性膀胱癌转移致结肠梗阻患者,在其他治疗方式未能明显改善症状后采用SDT治疗:静脉滴注血卟啉5mg/kg,24h后用X线定位病灶,以频率450kHz、强度1.2W/cm2的超声开始SDT治疗,每次治疗时间20min,每12h1次,连续3d,治疗后患者避光30d。治疗后1周患者开始排气排便,腹胀较前好转,1个月后患者症状明显好转,开始流质饮食。复查CT提示肠梗阻较前明显好转[48]。

3.3肝内胆管细胞癌SDT及效果

望京医院在2016年1月收治了1例21岁女性肝内胆管细胞癌伴腹膜后淋巴结转移的患者。在经历其他治疗无明显收效后采用了SDT治疗,以血卟啉为声敏剂,静脉滴注5mg/kg,避光24h后行超声波治疗,声频450kHz,声强1.5W/cm2,每次30min,2次/d,连续3d为1个周期,共6个周期,每2个周期之间间隔3个月。治疗后患者症状明显改善,卡氏功能状态评分(KPS评分)从50分升至90分,CT示占位区域密度明显降低,接近正常肝组织,肝脏穿刺术未见肿瘤细胞,截至2019年8月仍然存活[49]。

3.4其他恶性肿瘤SDT及效果

JULIAN等[50,51]在2005—2009年对120例不同种类的癌症患者行SPDT治疗,包括乳腺癌、结直肠癌、脑肿瘤、宫颈癌、膀胱癌、黑素瘤、头颈部肿瘤、肾癌、间皮瘤、淋巴瘤、非小细胞肺癌、神经内分泌肿瘤、食管癌、前列腺癌、卵巢癌、肉瘤、胰腺癌、小细胞肺癌、肺癌、腹膜癌和脐尿管癌,其中大多数患者常规治疗已经无效,并已出现晚期转移。研究者给予患者舌下含服声光敏剂Sonnelux-1,并在给药48h后,以660nm和940nm的光线照射患者;而后在肿瘤部位用1W/cm2、1MHz的超声进行治疗,光线和超声的治疗时长因人而异,连续治疗3d为1个周期,治疗周期之间相隔1周,大多数患者治疗1～2个周期。在进行了为期4年的研究后,研究者发现大多数患者的中位生存时间延长,一部分患者肿瘤体积缩小、症状减轻,且没有不良反应的报道。

4、SDT面临的挑战与展望

4.1SDT机制的探究与利用

SDT首先面临的难题是其抗肿瘤机制仍然存疑,尤其是声敏剂在超声作用下产生ROS的机制仍未阐明,只有将这个关键因素研究透彻,才能有针对性地优化声敏剂的设计及改善反应条件。

此外,免疫学说在SDT治疗中越来越受到重视。SDT能够杀灭肿瘤细胞,降低肿瘤负荷,使病情暂时缓解,但想要获得长期缓解,防止残存的肿瘤细胞在局部迅速增殖,就需要在声敏剂上添加具有免疫治疗功能的连接基团。因此,各类肿瘤免疫治疗的相关研究进展可能成为SDT的助力,能够为SDT的疗效增色不少。

4.2新型声敏剂的开发

声敏剂的性能对SDT是至关重要的,声敏剂在临床应用时应具备3个特点:毒性小、肿瘤选择性高和声敏性高。声敏剂的声敏性是SDT的基础,目前声敏剂无法作为肿瘤治疗的主流方法的原因之一是其声敏性仍然不够高,在超声作用下,杀伤的肿瘤细胞数量仍然不够。声敏剂的毒性也是一大难题。许多新型的声敏剂在动物实验阶段缺乏对其他器官毒性的详细研究,导致其临床转化时存在一定困难。声敏剂的选择性是临床前阶段评价声敏剂的重要指标,声敏剂在肿瘤组织富集才能发挥最大作用并减少不良反应。除了对传统声敏剂进行修饰外,近期的研究给出了一个提高选择性的方案,应用纳米材料作为声敏剂载体,声敏剂与载体形成共轭体后可以更有效地靶向肿瘤组织。

就目前而言,纳米复合物是未来最有前景的声敏剂。纳米复合物可以结合多种物质,且每种物质可以在其中发挥作用,如传统声敏剂或过度金属元素可以在其中承担得失电子及产生ROS的作用;纳米颗粒可以发挥靶向肿瘤、携带氧气和提供空化核的作用;而其他共载物质可以设计成肿瘤免疫相关分子。依照这个思路,开发出新型声敏剂看似并不困难,目前新型声敏剂的研究也确实呈井喷式发展,但要真正找到效率更高、生物相容性更好且足以大规模应用于临床的声敏剂仍然是任重道远。此外,在声敏剂的体内实验中,在关注其声敏性的同时,应更加重视对声敏剂的各器官毒性的研究,确保声敏剂具有临床应用价值。

4.3超声暴露的改善

超声波的暴露是SDT面临的问题之一。超声空化效应最大的难点在于其引发,由于空化效应的诱导需要强大的声压和液体介质中的空化核,因此在实验操作中,为了降低超声强度,常常会使用驻波(两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加时形成的波)来触发空化效应。使用驻波就意味着需要更为庞大的超声设备,在临床应用中非常不方便,而且由于人体较大的体积和不同的构造,在超声处理时,产生驻波的可能性较小,临床应用时的空化阈值可能较试验时大大增加,为临床应用带来困难。优化声敏剂的设计、使用双(多)频超声是目前的替代方案。

4.4SDT临床研究的推动

SDT的临床应用已经使一些患者从中获益,且SDT能够用于各种肿瘤:表浅组织或深层组织、空腔脏器或实质脏器均可适用,这得益于声敏剂的靶向作用以及超声的穿透作用。然而,到目前为止,SDT应用于临床的实例尚较少,而且集中在晚期肿瘤患者,这主要是由于SDT在基础研究中的疗效仍不够满意,且对人体的不良反应仍不明确。此外,SDT作为一种新兴的治疗方式,每个国家地区批准使用的声敏剂种类并不多,且一些声敏剂成本较高,加之医患双方对其安全性和有效性抱有怀疑态度,因此SDT的临床应用还非常有限。

目前关于SDT临床应用的探索多为病例报告,结果尚可,但是尚未见大样本、多中心的临床试验,因此证据等级较低。有必要进一步开展多中心随机对照试验(RCT),得到更可靠的结果来证实SDT的有效性和安全性,从而推动SDT的临床应用。

4.5恶性肿瘤的SDT展望

SDT为恶性肿瘤的无创治疗提供了一种全新的选择,未来SDT研究可集中在以下方面:ROS的产生机制、超声空化效应的利用、肿瘤免疫的改善、肿瘤选择性的提高以及大规模临床试验的推动等。近年来有关SDT的基础研究已经引起了临床工作者极大的热情,并且当前体内外研究的技术水平正在迅速提升,尤其是声敏剂的开发堪称日新月异,这能够为SDT的临床转化提供更多的支持。从目前来看,SDT想要成为一种首选的肿瘤治疗方式还言之过早,但随着技术的进一步完善和发展,相信SDT能够凭借其无创性、高选择性,在抗击各类、各期肿瘤中占据一席之地。

参考文献：

[1]张冉,秦奕,高东平,等.近70年我国居民主要死因变化情况分析[J].医学信息学杂志,2019,40(8):9-14.

[25]陈梦杰,周军,万倩,等.白蛋白纳米声敏剂体外声动力治疗脑胶质瘤的实验研究[J].中国超声医学杂志,2018,34(10):939-942.

[32]李金林,刘小慧,周畅,等.纳米颗粒联合声动力疗法的研究进展[J].实用医学杂志,2020,36(2):136-140.

[35]田中华,黄明春,冷静.纳米声敏剂在声动力疗法中的研究进展[J].中国现代应用药学,2019,36(8):1018-1022.

[48]张婕,邵国庆,王光明,等.声动力治疗膀胱癌肠道转移致肠梗阻一例[J].中华结直肠疾病电子杂志,2017,6(6):519-521.

[49]季鹰,车万民.肿瘤声动力技术治愈难治性晚期肝内胆管细胞癌一例[J].中华肿瘤杂志,2019,41(8):638-639.

钱之彧,徐可.声动力治疗在肿瘤治疗中的研究与进展[J].肿瘤,2020,40(07):503-510.