无创、无放射性，提高治疗准确性和安全性的超声，有哪些应用？

孟想成真

间充质干细胞具有促进心肌细胞再生和心肌梗死后新生血管的潜能。然而，有效实施脐带间充质干细胞（MSCs）治疗的一个主要问题是随着传代次数的增多，其增殖和靶向分化潜能明显降低，这与MSCs治疗对数量和质量的需求相矛盾。

超声辐照对解决这一问题提供了一个很好的方法。超声具有无放射性、非侵入性、可以将能量传输到机体深部，还可以在深部聚焦，并且在治疗过程中实时观察，这保证了治疗的精准性和安全性。
虽然 MBs 最初引入临床是作为增强血池显像的照影剂，但是其治疗价值也很大。我们已证实超声辐照特例之一的超声联合微泡治疗是一种独特的促进 MSCs 增殖和干性维持的方法。

当超声波激励微泡时，MBs发生空化效应和组织互相反应产生热效应和机械效应。对于促进MSCs增殖和缺血心肌的恢复，应选择合适的超声参数来产生空化效应而降低热效应。
这种空化效应可以提高心肌缺血区域微血管的通透性，促进预处理的MSCs穿过血管，靶向定植到缺血区，从而达到治疗心梗的目的。因此，本文就超声激励MSCs体内、外研究和相关前沿领域进行综述。

一、超声机械效应激励MSCs靶向分化
LIPUS作为一种体外机械刺激，可增加局部血液灌注和血管生成，促进多种细胞类型的分化、增殖和成熟，包括软骨母细胞、成纤维细胞和成骨细胞；并激发MSCs特异性分化。
已有一些研究表明直接和间接刺激在控制干细胞分化中起主要作用，Yang 等人报道，适当强度的超声辐照可促进成骨细胞成熟；崔等人报道了 LIPUS 对 MSCs 向软骨分化的积极作用。

LIPUS 可以通过几种方式改善细胞的功能，例如，增强信号转导，诱导基因表达，促进生长因子合成，合成热反应的酶，增强新陈代谢，增加骨折部位血管数量，促进细胞成熟以及抑制凋亡和自噬。
李凌等人的结果显示，LIPUS 辐照可刺激人羊膜间充质干细胞增殖，并得出结论：ERK 1/2和 PI3 K Akt 信号通路可能起关键作用。这些结果引用了分子机制来解释 LIPUS促进人 ADSs 成骨分化的原因。

总之，多数研究表明在 20、40、50、60、90 和 100 mW/cm2 的有效峰值负压中都能观察到促进细胞分化的良好效果。这些研究表明，LIPUS 有许多不同的方案用于干细胞和相关细胞的分化。
因此，需要更多的研究来寻找和建立LIPUS促进干细胞分化并将其用于再生医学的标准方案，还需要对 LIPUS 参数优化进行更多的实验比较，以确定最佳标准。

二、超声空化效应促进MSCs靶向移植的体内研究
超声联合微泡产生空化效应的一个新应用是增强干细胞的传递。干细胞的治疗方法包括通过恢复骨髓产生前体细胞的能力来刺激干细胞，或者注射外源性干细胞来治疗特定的疾病。
骨髓源性内皮祖细胞的肌肉内移植以诱导缺血肢体的血管生成，这已经在临床试验中被研究。其他临床应用包括干细胞冠状动脉内注射治疗心肌梗死和心肌内注射治疗缺血性心肌病。

然而，有证据表明，血管通透性升高和血管扩张对于增强干细胞疗法的心血管效应至关重要。Zen等人报道，通过对动物胸前施加脉冲超声波，与Optison 联合给药，将骨髓来源的单个核细胞定向输送到心肌病仓鼠的心肌中。

在以上研究的基础上，宋等人报道了与简单的骨髓间充质干细胞注射相比，注射UTMD 刺激的骨髓间充质干细胞实现了更有效的区域靶向输送，并进一步增加了心脏中的血管数量。
因此，UTMD 联合 BM-MSCs 对心脏重构和功能的协同作用可能是治疗心肌损伤的一种有利方法。MBs 在超声的激励下除了可以提高血管通透性促进 MSCs 穿过血管进入组织之外。

在 MBs 的制造过程中可以通过质粒偶联 MBs 形成脱氧核糖核酸-MBs 复合物来将基因靶向输送到心肌梗死区域，还可以利用 MBs 来向梗死区靶向输注被转染修饰后的MSCs。
杨等人验证了 UTMD 介导的CXCL 12 和 BMP 2 转染 MSCs 显著促进了梗死心肌的修复、再生，为心脏损伤的修复提供了又一个很有前景的途径。

三、超声联合微泡的其他应用
1、对癌症、溶栓和血脑屏障影响

此外，Esabre 等人比较了五种不同类型 MBs 与DOX混合物的体外治疗，所有配方的治疗比都大于1，表明使用 MBs-药物混合物比单独使用药物具有更显著的治疗优势。
微流和空化等声学效应也可用于增强对固体基质血凝块的渗透，增强溶栓效果。Kim等人报道，在体外血栓模型中，使用低频超声的溶栓效果显著改善，靶向MBs的使用可以进一步提高溶栓效果。

空化能量还可以用来破坏纤维蛋白网的稳定性，从而改善溶栓药物对血栓的穿透性。因此，与单纯使用药物相比，MBs联合溶栓药物显著提高了整体疗效。
Molina 等人临床评价了组织纤溶酶原激活剂（tPA）-MBs（Levovist）混合物对大脑中动脉阻塞患者的溶栓潜能。单独使用超声或 MBs 与超声联合使用并不会增加颅内出血的发生率。因此，MBs 联合溶栓药物在中风和心血管疾病的治疗中具有广阔的应用前景。

2、抗菌作用
空化相关的冲击波可以用来破坏生物膜，并增加细菌细胞壁的渗透性，以增强抗生素敏感性。胡等人报道，使用万古霉素（一种针对细胞壁合成的抗生素）和“声诺维”的物理混合物来对抗嵌入在生物膜中的表皮葡萄球菌。

这项研究的结果是，在超声联合微泡破坏的情况下，生物膜和细菌细胞壁受到了显著破坏，使细菌对抗生素治疗变得敏感。这种策略也可用于治疗危及生命的细菌感染，如金黄色葡萄球菌感染性心内膜炎（IE）。
3、按需麻药输送超声介导
脂质微泡的另一个应用是按需局部麻醉。为了按需提供麻醉，Rwei等人报道了使用原卟啉IX脂质膜局部注射麻醉剂（河豚毒素）。脂质膜的超声作用诱导原卟啉IX产生活性氧，进而与脂质膜发生反应，增加其按需触发释放的通透性。

他们实现了可重复的超声激励河豚毒素释放，这是超声脉冲频率、强度、占空比和持续时间的函数。这样的系统可以用于个性化的按需麻醉。
这些研究表明，在体外和体内，微泡联合药物的安全性和有效性均高于单纯游离药物。这种制剂在治疗不能手术的肿瘤、细菌感染以及其他非侵入性疾病方面具有临床潜力。

然而，游离药物和MBs的物理混合受到以下因素的限制：游离药物的药代动力学较差，各种药物的半衰期较短，不稳定药物的降解，以及缺乏靶向性。为了解决物理混合物的这些缺点，人们还在不断探索各种载体药对超声有反应的微/纳米结构。
四、总结
通过超声声学效应治疗心肌梗死是一种很有前景的治疗方法，但是对于其从研究向临床的转化仍存有一些问题。超声声学效应治疗研究向临床转化的一个首要问题是操作过程的全程量化来保证结果的安全有效性。

超声促进MSCs干性的维持及心梗恢复的主要机制为空化效应。已经研制出空化检测技术，可以检测超声辐照下MBs震荡的声发射。引发空化效应超声参数的大小与干性的强弱及细胞从毛细血管外渗有一定的相关性。
空化效应的检测可用来作为反馈控制算法来量效控制超声辐照以确保细胞的生物安全性。目前还缺乏关于心梗动物实验的空化检测。在未来，应该用空化检测技术来预测疗效以确保疗效的生物安全性。

对于未来临床应用的转化，需要进一步评价超声声学效应的参数安全性。目前研究者们主要是靠动物生存率来评价超声声学效应在心梗治疗中的安全性，除此之外，我们还需要全身系统的病理评价来说明其生物安全性。
综上所述，近来大量实验研究表明，超声的声学效应促进干细胞干性的维持是治疗心梗的很有前景的工具，并有很大可能服务于临床，但这过程中的有效性和安全性还有待进一步研究明确。