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超声激活血卟啉抗肿瘤疗法的研究现状∗朱杰孙润广陕西师范大学物理学与信息技术学院应用声学所生物物理研究室西安 710062摘要：首先介绍了超声作用的物理机理和血卟啉及其衍生物的化学结构及物理化学性质，对超声激活血卟啉抗肿瘤疗法(声动力学疗法)近15年国内外的试验进展情况进行了总结，对比了不同参数超声系统对不同细胞系肿瘤的作用效果。
重点探讨了超声激活血卟啉抑制肿瘤增殖的物理、化学和生物学机理，着重介绍了单线态氧机制和自由基理论，并对今后的基础研究和临床实践进行了展望。
关键词：超声；血卟啉；肿瘤；单线态氧；自由基；杀伤效应；中图分类号：R312 文献识别号：A超声激活血卟啉抗肿瘤的声动力学疗法（Sonodynamic Therapy, SDT）是在光动力学疗法的基础上发展起来的一种抗肿瘤方法，即利用超声激活血卟啉及衍生物(Hematoporphyrin Derivatives,HpD)后产生的一系列反应来杀伤肿瘤细胞。
SDT 的理论基础是超声波对生物组织有较强的穿透能力，可以无创伤地聚焦于组织深部，激活优先聚集并长时间滞留在肿瘤组织中的光敏性物质从而杀伤肿瘤细胞。
声动力学疗法可用于诊断、定位以及治疗肿瘤，因其无创伤、设备简单、操作方便，并且可用于不同深度、不同部位的肿瘤治疗而倍受学者关注，并在近年取得了迅速的发展。
一、超声作用的物理机理超声是一种机械波，其主要物理学作用包括机械作用、热作用和空化作用：机械作用是超声的原发效应，也是超声最基本的效应，超声波在传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化，压力变化引起了机械效应；超声波在介质中传播时引起质点振动，由于传播介质存在着内摩擦，部分的声波能量会被介质吸收转变为热能从而使介质的温度升高，此为超声的热作用；空化是一定强度的超声波在液体中传播时，液体中由于涡流或其它物理作用，致使某些地方形成局部的暂时负压区，从而引起液体或固-液界面断裂，形成微小的空泡或气泡，称为空化泡。
Journal of China Pharmaceutical University2022，53（1）：99-104学报金纳米片在肿瘤治疗和诊断中的应用刘美辰，梁爽，刘永军*，张娜**（山东大学药学院，天然产物化学生物学教育部重点实验室，济南250012）摘要金纳米片是一类具有纳米厚度的新型二维纳米金属材料，因其优良的特性而备受关注，近年来被广泛应用于肿瘤治疗和诊断领域。
根据金纳米片的特点及制备方法，本文重点归纳了近年来金纳米片在肿瘤治疗和诊断中的应用，以期为金纳米片在肿瘤研究和应用提供参考和思路。
关键词金纳米片；肿瘤治疗；肿瘤诊断；药物递送中图分类号R318；R944文献标志码A文章编号1000-5048（2022）01-0099-06doi：10.11665/j.issn.1000-5048.20220115引用本文刘美辰，梁爽，刘永军，等.金纳米片在肿瘤治疗和诊断中的应用［J］.中国药科大学学报，2022，53（1）：99–104.Cite this article as：LIU Meichen，LIANG Shuang，LIU Yongjun，et al.Application of Au nanoplates in tumor therapy and diagnosis［J］.J China Pharm Univ，2022，53（1）：99–104.Application of Au nanoplates in tumor therapy and diagnosisLIU Meichen,LIANG Shuang,LIU Yongjun*,ZHANG Na**Key Laboratory of Chemical Biology(Ministry of Education),School of Pharmaceutical Sciences,Shandong University,Ji′nan 250012,ChinaAbstract Au nanoplates(Au NPLs),a kind of novel two-dimensional metal materials with nanometer scale thickness,have attracted much attention due to their excellent properties;and have been widely used in the fields of tumor diagnosis and treatment in recent years.This article introduces the characteristics and preparation meth⁃ods of Au nanoplates and summarizes their application in tumor diagnosis and treatment in recent years,in order to provide reference and ideas for the research and application of Au nanoplates in tumor.Key words Au nanoplates;tumor therapy;tumor diagnosis;drug deliveryThis study was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.81773652)and the Young Scholar Program of Shandong University(YSPSDU,2017WLJH40)恶性肿瘤是全球性的健康问题，2020年诊断为肿瘤的患者数达1930万人，1000万人死于恶性肿瘤，其发病率仅次于心脑血管疾病。
超声介导载药微泡靶向治疗肿瘤的研究进展李擎【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.%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 targeted releasing when destroyed by ultrasound irradiation. Ultrasound irradiation also enhances drug absorption in the absence of cell damage by induction endocytosis and pore formation, providing a novel noninvasive and effective therapy for malignant tumor. The mechanism, research and application progresses of UTMD were reviewed in this article.【期刊名称】《中国介入影像与治疗学》【年(卷),期】2012(009)001【总页数】4页(P55-58)【关键词】超声学;靶向治疗;微泡;药物释放系统【作者】李擎【作者单位】中国医科大学附属盛京医院超声科,辽宁沈阳 110004【正文语种】中文【中图分类】TB559;R445超声介导载药微泡靶向药物释放技术（ultrasound－targeted drug－loaded microbubbles destruction，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。
声动力疗法的研究进展作者：赖可欣田娅吴惠霞来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2020年第04期摘要：声动力疗法（SDT）是通过超声和声敏剂的协同作用，并利用多种机制共同作用达到杀死癌细胞的目的.超声的机械波穿透力强，SDT利用超声激活声敏剂产生局部毒性，与传统治疗方法相比，对正常细胞和组织伤害较小，是一种新型的治疗癌症的方法.声敏剂是影响SDT的重要因素，单一有机声敏剂有一定的生物应用缺陷，现在主要的研究方向是将声敏剂和纳米技术相结合，使用纳米载体负载有机声敏剂和新型无机声敏剂.目前为止，SDT仍处于临床前和临床研究阶段，大量体外和体内实验表明：SDT对于多种癌细胞有杀伤作用，具有广阔的应用前景.简述了SDT作用机制、声敏剂的种类和当前应用研究的进展.关键词：声动力疗法（SDT）; 声敏剂; 纳米技术中图分类号： O 613.7 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2020）04-0405-11Abstract： Sonodynamic therapy （SDT） works by the synergistic effect of ultrasound and sonosensitizers to kill cancer cells through multiple mechanisms.As a mechanical wave，ultrasound can penetrate deep pared with traditional treatment methods，SDT uses ultrasound to activate the sonosensitizers to produce local toxicity and causes less damage to normal cells and tissues.Sonosensitizers play an important role in the process of SDT.Due to the biological defects of the traditional organic sonosensitizers，the major research direction is to combine sonosensitizers with nanotechnology by using nanocarriersor developing new inorganic sonosensitizers.So far，SDT is still in the preclinical and clinical research stage.Recent in vitro and in vivo studies have showed that SDT can kill a variety of cancer cells and have broad application prospects.We briefly described the mechanism of SDT，the type of sonosensitizers and the current applications of SDT.Key words： sonodynamic therapy（SDT）; sonosensitizers; nanotechnology0 引言声动力疗法（SDT）是一种利用超声和声敏剂协同作用的非侵入性肿瘤治疗方法.其主要原理是利用低强度超声（0.5～4.0 W·cm-2）照射于富集声敏剂的肿瘤部位，激活声敏剂，产生活性氧（ROS），从而杀死肿瘤细胞[1].SDT无创且受肿瘤位置影响较小，可通过自组装纳米粒子增强的渗透和保留效应（EPR效应）准确靶向癌细胞以提高肿瘤积累量，经超声激发产生局部毒性，与传统放射化疗相比，副作用较小.SDT是在光动力疗法（PDT）基础上发展起来的，其原理相似.第一代的声敏剂是广泛使用的光敏剂.与PDT相比，SDT的主要优点是超声作为机械波具有高组织穿透性，这克服了PDT的穿透深度限制，为SDT在深部恶性肿瘤治疗中的应用提供了可能.研究者已將各种纳米载体和有机声敏剂结合，以改善声敏剂的生物相容性，并开发了新型无机声敏剂[2].近期的体外和体内研究表明：SDT对于实体瘤、白血病、动脉粥样硬化等有潜在治疗效果.另外，SDT还可以和其他诊疗手段进行联合，比如超声靶向微泡破坏技术（UTMD）、化疗、磁共振成像（MRI）、近红外荧光成像（NIR-FLI）等.1 SDT作用机制对SDT潜在机制的研究众多，但确切的机制有待阐明.大多数研究人员支持多种机制协同作用导致细胞死亡：超声产生空化现象和声机械/声化学过程，空化产生的能量促使水热解，以及通过声致发光（SL）转移能量，以激活声敏剂，从而提高机体内ROS浓度，引起一系列生物效应，最终导致细胞凋亡.1.1 超声空化效应超声波在液态介质中引起压力变化，导致组织液中产生气泡，从而产生了空化现象[3].根据超声条件和组织或细胞状态，空化效应分为稳定空化（非惯性空化）和惯性空化.前者产生温和的气泡，气泡由于超声作用处于连续的振动和振荡状态，形状和尺寸发生变化.而惯性空化与ROS的产生密切相关，惯性空化气泡吸收大量声能，气泡振动导致剧烈坍塌，在坍塌期间，会产生高温和高压，从而释放出大量的能量，因此惯性空化能够诱导水热解离，生成羟基自由基[4].塌陷产生的极端物理条件会对细胞骨架、细胞膜结构和生物酶的活性构成破坏性的影响，甚至可以杀死周围的细胞.此外，空化会导致SL现象和声致穿孔现象.SL现象通过能量转移激发声敏剂的电子轨道，当激发电子返回基态时产生ROS.生成的ROS积聚在细胞质和细胞器内，破坏脂质、蛋白质和DNA，使细胞组织恶化，与其他因素共同作用，最终导致细胞凋亡.声致穿孔效应是指气泡在超声作用下振动，使细胞膜产生短暂性微孔，使得细胞膜和血管透化，促进药物有效地进入到病变组织.1.2 氧化应激ROS是一类化学性质活泼的含氧原子或原子团，包括单线态氧、超氧阴离子、羟基自由基等.在超声空化作用下，声敏剂将从基态激活到激发态，可以直接与周围的氧分子或其他底物分子反应，形成自由基.或者在返回基态时释放能量，释放的能量与周围的氧分子共同作用，导致单线态氧的产生.单线态氧被认为是声动力学活动的主要介质，具有氧化周围基质的能力，导致靶病理细胞不可逆转的破坏，直接介导细胞毒性.另外过氧化氢和超氧阴离子也可通过脂质过氧化的链反应机制诱导细胞损伤或凋亡.过量的ROS不仅会导致氧化应激，使机体损伤，还会引起细胞骨架收缩、染色质浓缩和DNA片段化，最终导致细胞凋亡[2，5].与正常细胞相比，肿瘤细胞处于乏氧环境，因此可调高ROS浓度，使其高于肿瘤细胞能承受的阈值，导致其死亡，而对正常细胞的影响较小.理论上可以通过两种方法破坏体内氧化还原平衡，导致细胞死亡：1）提高ROS濃度，促进ROS生成或抑制ROS清除;2）降低ROS浓度，加入ROS清除剂，如黄酮及其衍生物.在实际应用中，前者使用较多.1.3 超声诱导细胞凋亡细胞凋亡是细胞死亡的一种形式，细胞凋亡过程中的细胞通常以细胞骨架收缩、染色质浓缩、DNA断裂和半胱天冬酶（Caspase）活化为特征.已知恶性细胞具有较高的代谢水平，SDT 能损伤这些细胞的线粒体，使半胱天冬酶活化，导致线粒体膜电位（MMP）降低，并诱导细胞凋亡[6].SDT中诱导细胞凋亡的机制主要有2种：1） SDT通过下调Bcl-2家族蛋白的表达水平和产生过量的ROS引起细胞凋亡.LI等[7]评估了卟啉钠介导的SDT（DVDMS-SDT）对体外和体内肝细胞癌的抗肿瘤作用.结果表明DVDMS-SDT增加了G2/M期细胞比例，降低了CDK1和Cyclin B1蛋白水平.生成的ROS上调了p53和Bax的表达，下调了Bcl-2的表达，导致caspase-3的激活，最终引发细胞凋亡.2） SDT通过线粒体膜中的钙离子（Ca2+）过载诱导细胞凋亡.过载的Ca2+改变线粒体膜的穿透率.DAI等[8]研究了血卟啉单甲醚（HMME）介导的SDT诱导C6胶质瘤细胞凋亡的机制，数据显示ROS产生水平增加、MMP降低和细胞色素c 释放增加，证明SDT诱导细胞凋亡，并且与早期凋亡过程中的过载Ca2+相关.1.4 其他机制SDT可以破坏细胞骨架，短时间暴露于低强度脉冲超声会使得细胞骨架发生流化和再固化.流化的不稳定性为恶性细胞选择性摄取声敏剂提供了可能.SDT还可以增强抗肿瘤免疫力.M1巨噬细胞分泌促炎细胞因子，对促炎起主要作用.M2巨噬细胞能减少炎症反应，在组织修复中发挥重要作用.M1巨噬细胞具有抗肿瘤能力，而M2巨噬细胞不具备.SDT将促进肿瘤内的M2巨噬细胞向M1巨噬细胞转换，还可以通过抑制新血管的生成，有效切断肿瘤血供，同时产生热疗效果来破坏肿瘤组织[9].2 声敏剂声敏剂的选择是SDT治疗的重要环节.声敏剂本身没有抑制活性且毒性较低，仅暴露在超声后才具有生物活性.可用聚焦超声使声敏剂在待治疗的肿瘤部位激活，与化疗和放射疗法相比，全身毒性较低.理想的声敏剂应对正常细胞没有显著毒性，能准确靶向肿瘤细胞，并且对超声波具有高敏感性和稳定性.初代的声敏剂是光敏剂，比如卟啉或氧杂蒽酮类化合物.但是其水溶性较差、血液循环时间短，在生物微环境中较不稳定，无法在肿瘤部位大量聚集，另外这些分子在某些情况下毒性显著，限制了其临床应用.为了克服这些缺陷，人们将各类纳米粒子与SDT结合使用：1）使用纳米材料负载有机小分子声敏剂;2）开发具有声敏剂特征的无机纳米材料.这些纳米声敏剂显示出巨大的应用潜力.2.1 有机声敏剂有机声敏剂主要分为：卟啉及其衍生物、氧杂蒽酮类化合物、抗肿瘤药物、非甾体类抗炎药和其他声敏剂[3，10].2.1.1 卟啉及其衍生物实际研究中最常用的声敏剂是卟啉及其衍生物的这类初代声敏剂，通过修饰降低其光学毒性，生成了一系列卟啉衍生物，如原卟啉IX（PpIX）、HMME、卟啉衍生物镓配合物（ATX-70，ATX-S10）和卟啉新衍生物（DCPH-P-Na（I））[11-13]，如图1所示.PpIX是血卟啉衍生物，通过在亚铁螯合酶催化下与亚铁螯合，转化为最终产物血红素.除了PpIX本身的外源性供应外，PpIX在组织或细胞中的积累可以通过加入其前体来产生，例如5-氨基乙酰丙酸（ALA）及其衍生物[9，14-15].使用ALA的主要优点是ALA本身不是超声敏化剂，代谢迅速，可以降低皮肤光毒性的风险.酞菁（Pc）是苯并氮杂卟啉，作为SDT的声敏剂，对其的研究相对较少.羧基官能化的锌（II）酞菁具有良好的水溶性和高的单线态氧产率[16].XU等[17]制备了4-α-（3-羧基苯氧基）锌（II）酞菁（ZnPcC4）与牛血清白蛋白（BSA）结合物（ZnPcC4-BSA），测定了体外声动力学活性，ZnPcC4和ZnPcC4-BSA都显示出对HepG2肝癌细胞有杀伤作用，ZnPcC4-BSA具有更高的声动力学活性，半抑制浓度（IC50）值为7.5 μmol·L-1.2.1.2 氧杂蒽酮类化合物氧杂蒽酮类化合物是一系列染色剂，包括赤藓红B、玫瑰红（RB）、曙红和罗丹明.RB是荧光素的四氯四碘化衍生物，单独使用没有细胞毒性，RB与聚焦超声的联合使用可以选择性地抑制肿瘤生长，且不会损害正常的组织.为了改善RB的高水溶性和较差的生物利用度，CHEN等[18]设计合成和表征了一系列两亲性RB衍生物（RBD），结果表明引入适当的甲氧基聚乙二醇可以增强细胞摄取，并改善细胞内ROS的产生，合成的衍生物具有与卟啉钠相似的相对效力，如图2所示.1.2 氧化应激ROS是一类化学性质活泼的含氧原子或原子团，包括单线态氧、超氧阴离子、羟基自由基等.在超声空化作用下，声敏剂将从基态激活到激发态，可以直接与周围的氧分子或其他底物分子反应，形成自由基.或者在返回基态时释放能量，释放的能量与周围的氧分子共同作用，导致单线态氧的产生.单线态氧被认为是声动力学活动的主要介质，具有氧化周围基质的能力，導致靶病理细胞不可逆转的破坏，直接介导细胞毒性.另外过氧化氢和超氧阴离子也可通过脂质过氧化的链反应机制诱导细胞损伤或凋亡.过量的ROS不仅会导致氧化应激，使机体损伤，还会引起细胞骨架收缩、染色质浓缩和DNA片段化，最终导致细胞凋亡[2，5].与正常细胞相比，肿瘤细胞处于乏氧环境，因此可调高ROS浓度，使其高于肿瘤细胞能承受的阈值，导致其死亡，而对正常细胞的影响较小.理论上可以通过两种方法破坏体内氧化还原平衡，导致细胞死亡：1）提高ROS浓度，促进ROS生成或抑制ROS清除;2）降低ROS浓度，加入ROS清除剂，如黄酮及其衍生物.在实际应用中，前者使用较多.1.3 超声诱导细胞凋亡细胞凋亡是细胞死亡的一种形式，细胞凋亡过程中的细胞通常以细胞骨架收缩、染色质浓缩、DNA断裂和半胱天冬酶（Caspase）活化为特征.已知恶性细胞具有较高的代谢水平，SDT能损伤这些细胞的线粒体，使半胱天冬酶活化，导致线粒体膜电位（MMP）降低，并诱导细胞凋亡[6].SDT中诱导细胞凋亡的机制主要有2种：1） SDT通过下调Bcl-2家族蛋白的表达水平和产生过量的ROS引起细胞凋亡.LI等[7]评估了卟啉钠介导的SDT（DVDMS-SDT）对体外和体内肝细胞癌的抗肿瘤作用.结果表明DVDMS-SDT增加了G2/M期细胞比例，降低了CDK1和Cyclin B1蛋白水平.生成的ROS上调了p53和Bax的表达，下调了Bcl-2的表达，导致caspase-3的激活，最终引发细胞凋亡.2） SDT通过线粒体膜中的钙离子（Ca2+）过载诱导细胞凋亡.过载的Ca2+改变线粒体膜的穿透率.DAI等[8]研究了血卟啉单甲醚（HMME）介导的SDT诱导C6胶质瘤细胞凋亡的机制，数据显示ROS产生水平增加、MMP降低和细胞色素c 释放增加，证明SDT诱导细胞凋亡，并且与早期凋亡过程中的过载Ca2+相关.1.4 其他机制SDT可以破坏细胞骨架，短时间暴露于低强度脉冲超声会使得细胞骨架发生流化和再固化.流化的不稳定性为恶性细胞选择性摄取声敏剂提供了可能.SDT还可以增强抗肿瘤免疫力.M1巨噬细胞分泌促炎细胞因子，对促炎起主要作用.M2巨噬细胞能减少炎症反应，在组织修复中发挥重要作用.M1巨噬细胞具有抗肿瘤能力，而M2巨噬细胞不具备.SDT将促进肿瘤内的M2巨噬细胞向M1巨噬细胞转换，还可以通过抑制新血管的生成，有效切断肿瘤血供，同时产生热疗效果来破坏肿瘤组织[9].2 声敏剂声敏剂的选择是SDT治疗的重要环节.声敏剂本身没有抑制活性且毒性较低，仅暴露在超声后才具有生物活性.可用聚焦超声使声敏剂在待治疗的肿瘤部位激活，与化疗和放射疗法相比，全身毒性较低.理想的声敏剂应对正常细胞没有显著毒性，能准确靶向肿瘤细胞，并且对超声波具有高敏感性和稳定性.初代的声敏剂是光敏剂，比如卟啉或氧杂蒽酮类化合物.但是其水溶性较差、血液循环时间短，在生物微环境中较不稳定，无法在肿瘤部位大量聚集，另外这些分子在某些情况下毒性显著，限制了其临床应用.为了克服这些缺陷，人们将各类纳米粒子与SDT结合使用：1）使用纳米材料负载有机小分子声敏剂;2）开发具有声敏剂特征的无机纳米材料.这些纳米声敏剂显示出巨大的应用潜力.2.1 有机声敏剂有机声敏剂主要分为：卟啉及其衍生物、氧杂蒽酮类化合物、抗肿瘤药物、非甾体类抗炎药和其他声敏剂[3，10].2.1.1 卟啉及其衍生物实际研究中最常用的声敏剂是卟啉及其衍生物的这类初代声敏剂，通过修饰降低其光学毒性，生成了一系列卟啉衍生物，如原卟啉IX（PpIX）、HMME、卟啉衍生物镓配合物（ATX-70，ATX-S10）和卟啉新衍生物（DCPH-P-Na（I））[11-13]，如图1所示.PpIX是血卟啉衍生物，通过在亚铁螯合酶催化下与亚铁螯合，转化为最终产物血红素.除了PpIX本身的外源性供应外，PpIX在组织或细胞中的积累可以通过加入其前体来产生，例如5-氨基乙酰丙酸（ALA）及其衍生物[9，14-15].使用ALA的主要优点是ALA本身不是超声敏化剂，代谢迅速，可以降低皮肤光毒性的风险.酞菁（Pc）是苯并氮杂卟啉，作为SDT的声敏剂，对其的研究相对较少.羧基官能化的锌（II）酞菁具有良好的水溶性和高的单线态氧产率[16].XU等[17]制备了4-α-（3-羧基苯氧基）锌（II）酞菁（ZnPcC4）与牛血清白蛋白（BSA）结合物（ZnPcC4-BSA），测定了体外声动力学活性，ZnPcC4和ZnPcC4-BSA都显示出对HepG2肝癌细胞有杀伤作用，ZnPcC4-BSA具有更高的声动力学活性，半抑制浓度（IC50）值为7.5 μmol·L-1.2.1.2 氧杂蒽酮类化合物氧杂蒽酮类化合物是一系列染色剂，包括赤藓红B、玫瑰红（RB）、曙红和罗丹明.RB是荧光素的四氯四碘化衍生物，单独使用没有细胞毒性，RB与聚焦超声的联合使用可以选择性地抑制肿瘤生长，且不会损害正常的组织.为了改善RB的高水溶性和较差的生物利用度，CHEN等[18]设计合成和表征了一系列两亲性RB衍生物（RBD），结果表明引入适当的甲氧基聚乙二醇可以增强细胞摄取，并改善细胞内ROS的产生，合成的衍生物具有与卟啉钠相似的相对效力，如图2所示.1.2 氧化应激ROS是一类化学性质活泼的含氧原子或原子团，包括单线态氧、超氧阴离子、羟基自由基等.在超声空化作用下，声敏剂将从基态激活到激发态，可以直接与周围的氧分子或其他底物分子反应，形成自由基.或者在返回基态时释放能量，释放的能量与周围的氧分子共同作用，导致单线态氧的产生.单线态氧被认为是声动力学活动的主要介质，具有氧化周围基质的能力，导致靶病理细胞不可逆转的破坏，直接介导细胞毒性.另外过氧化氢和超氧阴离子也可通过脂质过氧化的链反应机制诱导细胞损伤或凋亡.过量的ROS不仅会导致氧化应激，使机体损伤，还会引起细胞骨架收缩、染色质浓缩和DNA片段化，最终导致细胞凋亡[2，5].与正常细胞相比，肿瘤细胞处于乏氧环境，因此可调高ROS浓度，使其高于肿瘤细胞能承受的阈值，导致其死亡，而对正常细胞的影响较小.理论上可以通过两种方法破坏体内氧化还原平衡，导致细胞死亡：1）提高ROS浓度，促进ROS生成或抑制ROS清除;2）降低ROS浓度，加入ROS清除剂，如黄酮及其衍生物.在实际应用中，前者使用较多.1.3 超声诱导细胞凋亡细胞凋亡是细胞死亡的一种形式，细胞凋亡过程中的细胞通常以细胞骨架收缩、染色质浓缩、DNA断裂和半胱天冬酶（Caspase）活化为特征.已知恶性细胞具有较高的代谢水平，SDT 能损伤这些细胞的线粒体，使半胱天冬酶活化，导致线粒体膜电位（MMP）降低，并诱导细胞凋亡[6].SDT中诱导细胞凋亡的机制主要有2种：1） SDT通过下调Bcl-2家族蛋白的表达水平和产生过量的ROS引起细胞凋亡.LI等[7]评估了卟啉钠介导的SDT（DVDMS-SDT）对体外和体内肝细胞癌的抗肿瘤作用.结果表明DVDMS-SDT增加了G2/M期细胞比例，降低了CDK1和Cyclin B1蛋白水平.生成的ROS上调了p53和Bax的表达，下调了Bcl-2的表达，导致caspase-3的激活，最终引发细胞凋亡.2） SDT通过线粒体膜中的钙离子（Ca2+）过载诱导细胞凋亡.过载的Ca2+改变线粒体膜的穿透率.DAI等[8]研究了血卟啉单甲醚（HMME）介导的SDT诱导C6胶质瘤细胞凋亡的机制，数据显示ROS产生水平增加、MMP降低和细胞色素c 释放增加，证明SDT诱导细胞凋亡，并且与早期凋亡过程中的过载Ca2+相关.1.4 其他机制SDT可以破坏细胞骨架，短时间暴露于低强度脉冲超声会使得细胞骨架发生流化和再固化.流化的不稳定性为恶性细胞选择性摄取声敏剂提供了可能.SDT还可以增强抗肿瘤免疫力.M1巨噬细胞分泌促炎细胞因子，对促炎起主要作用.M2巨噬细胞能减少炎症反應，在组织修复中发挥重要作用.M1巨噬细胞具有抗肿瘤能力，而M2巨噬细胞不具备.SDT将促进肿瘤内的M2巨噬细胞向M1巨噬细胞转换，还可以通过抑制新血管的生成，有效切断肿瘤血供，同时产生热疗效果来破坏肿瘤组织[9].2 声敏剂声敏剂的选择是SDT治疗的重要环节.声敏剂本身没有抑制活性且毒性较低，仅暴露在超声后才具有生物活性.可用聚焦超声使声敏剂在待治疗的肿瘤部位激活，与化疗和放射疗法相比，全身毒性较低.理想的声敏剂应对正常细胞没有显著毒性，能准确靶向肿瘤细胞，并且对超声波具有高敏感性和稳定性.初代的声敏剂是光敏剂，比如卟啉或氧杂蒽酮类化合物.但是其水溶性较差、血液循环时间短，在生物微环境中较不稳定，无法在肿瘤部位大量聚集，另外这些分子在某些情况下毒性显著，限制了其临床应用.为了克服这些缺陷，人们将各类纳米粒子与SDT结合使用：1）使用纳米材料负载有机小分子声敏剂;2）开发具有声敏剂特征的无机纳米材料.这些纳米声敏剂显示出巨大的应用潜力.2.1 有机声敏剂有机声敏剂主要分为：卟啉及其衍生物、氧杂蒽酮类化合物、抗肿瘤药物、非甾体类抗炎药和其他声敏剂[3，10].2.1.1 卟啉及其衍生物实际研究中最常用的声敏剂是卟啉及其衍生物的这类初代声敏剂，通过修饰降低其光学毒性，生成了一系列卟啉衍生物，如原卟啉IX（PpIX）、HMME、卟啉衍生物镓配合物（ATX-70，ATX-S10）和卟啉新衍生物（DCPH-P-Na（I））[11-13]，如图1所示.PpIX是血卟啉衍生物，通过在亚铁螯合酶催化下与亚铁螯合，转化为最终产物血红素.除了PpIX本身的外源性供应外，PpIX在组织或细胞中的积累可以通过加入其前体来产生，例如5-氨基乙酰丙酸（ALA）及其衍生物[9，14-15].使用ALA的主要优点是ALA本身不是超声敏化剂，代谢迅速，可以降低皮肤光毒性的风险.酞菁（Pc）是苯并氮杂卟啉，作为SDT的声敏剂，对其的研究相对较少.羧基官能化的锌（II）酞菁具有良好的水溶性和高的单线态氧产率[16].XU等[17]制备了4-α-（3-羧基苯氧基）锌（II）酞菁（ZnPcC4）与牛血清白蛋白（BSA）结合物（ZnPcC4-BSA），测定了体外声动力学活性，ZnPcC4和ZnPcC4-BSA都显示出对HepG2肝癌细胞有杀伤作用，ZnPcC4-BSA具有更高的声动力学活性，半抑制浓度（IC50）值为7.5 μmol·L-1.2.1.2 氧杂蒽酮类化合物氧杂蒽酮类化合物是一系列染色剂，包括赤藓红B、玫瑰红（RB）、曙红和罗丹明.RB是荧光素的四氯四碘化衍生物，单独使用没有细胞毒性，RB与聚焦超声的联合使用可以选择性地抑制肿瘤生长，且不会损害正常的组织.为了改善RB的高水溶性和较差的生物利用度，CHEN等[18]设计合成和表征了一系列两亲性RB衍生物（RBD），结果表明引入适当的甲氧基聚乙二醇可以增强细胞摄取，并改善细胞内ROS的产生，合成的衍生物具有与卟啉钠相似的相对效力，如图2所示.1.2 氧化应激ROS是一类化学性质活泼的含氧原子或原子团，包括单线态氧、超氧阴离子、羟基自由基等.在超声空化作用下，声敏剂将从基态激活到激发态，可以直接与周围的氧分子或其他底物分子反应，形成自由基.或者在返回基态时释放能量，释放的能量与周围的氧分子共同作用，导致单线态氧的产生.单线态氧被认为是声动力学活动的主要介质，具有氧化周围基质的能力，导致靶病理细胞不可逆转的破坏，直接介导细胞毒性.另外过氧化氢和超氧阴离子也可通过脂质过氧化的链反应机制诱导细胞损伤或凋亡.过量的ROS不仅会导致氧化应激，使机体损伤，还会引起细胞骨架收缩、染色质浓缩和DNA片段化，最终导致细胞凋亡[2，5].与正常细胞相比，肿瘤细胞处于乏氧环境，因此可调高ROS浓度，使其高于肿瘤细胞能承受的阈值，导致其死亡，而对正常细胞的影响较小.理论上可以通过两种方法破坏体内氧化还原平衡，导致细胞死亡：1）提高ROS浓度，促进ROS生成或抑制ROS清除;2）降低ROS浓度，加入ROS清除剂，如黄酮及其衍生物.在实际应用中，前者使用较多.1.3 超声诱导细胞凋亡细胞凋亡是细胞死亡的一种形式，细胞凋亡过程中的细胞通常以细胞骨架收缩、染色质浓缩、DNA断裂和半胱天冬酶（Caspase）活化为特征.已知恶性细胞具有较高的代谢水平，SDT 能损伤这些细胞的线粒体，使半胱天冬酶活化，导致线粒体膜电位（MMP）降低，并诱导细胞凋亡[6].SDT中诱导细胞凋亡的机制主要有2种：1） SDT通过下调Bcl-2家族蛋白的表达水平和产生过量的ROS引起细胞凋亡.LI等[7]评估了卟啉钠介导的SDT（DVDMS-SDT）对体外和体内肝细胞癌的抗肿瘤作用.结果表明DVDMS-SDT增加了G2/M期细胞比例，降低了CDK1和Cyclin B1蛋白水平.生成的ROS上调了p53和Bax的表达，下调了Bcl-2的表达，导致caspase-3的激活，最终引发细胞凋亡.2） SDT通过线粒体膜中的钙离子（Ca2+）过载诱导细胞凋亡.过载的Ca2+改变线粒体膜的穿透率.DAI等[8]研究了血卟啉单甲醚（HMME）介导的SDT诱导C6胶质瘤细胞凋亡的機制，数据显示ROS产生水平增加、MMP降低和细胞色素c 释放增加，证明SDT诱导细胞凋亡，并且与早期凋亡过程中的过载Ca2+相关.1.4 其他机制SDT可以破坏细胞骨架，短时间暴露于低强度脉冲超声会使得细胞骨架发生流化和再固化.流化的不稳定性为恶性细胞选择性摄取声敏剂提供了可能.SDT还可以增强抗肿瘤免疫力.M1巨噬细胞分泌促炎细胞因子，对促炎起主要作用.M2巨噬细胞能减少炎症反应，在组织修复中发挥重要作用.M1巨噬细胞具有抗肿瘤能力，而M2巨噬细胞不具备.SDT将促进肿瘤内的M2巨噬细胞向M1巨噬细胞转换，还可以通过抑制新血管的生成，有效切断肿瘤血供，同时产生热疗效果来破坏肿瘤组织[9].2 声敏剂。
声化学应用学习综述1.声化学声化学是一门新兴的交叉学科，主要指利用超生来加速化学反应或触发新的反应通道，以提高化学反应产率或获取新的化学反应产物。
但我们知道，对应15 kHz～10 MHz(声化学通常使用的频段)的超声波波长为10 cm～0．15mm，远大于分子尺度，且声波所能携带的能量还不足以引起化学反应，那么声波又是如何引起化学反应的呢?声化学反应的主动力来自声空化，来自空化泡内爆时伴随发生的高温(大于5 000K)、高压(大于2．03×108Pa)、冲击波或射流等极端物理条件．按Luche的观点，声化学由于其发生反应的条件不同应该分为“真的(true)声化学”和“假的(false)声化学”，前者发生于声空化的“高温高压”条件下，而后者则是空化泡崩溃时伴随的“机械(或力学)机制”作用的结果。
2、超声化学的应用声化学的应用范围很广，若要将之归类的话，大致可以归纳为9大类，它们是：生物化学、分析化学、催化化学、电化学、光化学、环境化学、矿物化学处理、萃取与分离、合成与降解。
2.1 生物化学超声在生物化学中的最早应用应当是用超声来粉碎细胞壁，以释放出其内容物。
在随后的研究中，将低强度超声应用于促进生化反应过程。
超声在多肽的合成法和激活固定化酶中也有应用。
超声波的这些作用被认为主要是超声促进了生化反应的传质过程的缘故。
2.2 分析化学在固态核磁共振技术中超声辐照被用来使谱线变窄。
在气相色谱中用超声脱气改进固定相涂布的均匀性。
在分析土壤中的农药残留量时，超声萃取可使农药萃取完全，提高分析结果的准确性。
在矿样分析时辅以超声脱气可减少溶样时间。
2.3 催化化学超声波的辐照可以增加催化剂的表面积使活性组分分散更均匀，催化活性增强。
同时超声可大大促进相转移、催化反应。
2.4 电化学将超声辐照用于电化学过程，可保持电极的清洁，使电极表面脱气，同时还能改善传质这些优点使电化学过程更为有效。
超声对电解也有作用，如苯乙酸盐的Kolbe 电解反应，通常在嘧啶存在下才能反应，但使用超声时就可以不用。
肿瘤的声动力学治疗【关键词】声动力；血卟啉；肿瘤0 引言肿瘤是一种常见、多发病，其中恶性肿瘤是严重危害人类健康的一类疾病，其死亡率仅次于心血管疾病而居第2位。
鉴于目前对肿瘤的病因和发病机理不清楚，有关肿瘤的治疗方法都不能从根本上解决问题。
人们不断探索新的肿瘤治疗方法，超声激活声敏剂治疗恶性肿瘤的声动力学治疗(sonodynamic therapy,SDT)就是其中之一。
1 声动力治疗的来源及发展SDT是在光动力治疗(photodynamic therapy,PDT)的基础上建立和发展起来的。
1978年美国的Dougherty等［1］提出激光与血卟啉结合有明显的抗肿瘤作用，并将用激光激活血卟啉治疗肿瘤的方法称为光动力。
由于激光的组织穿透能力有限，使其在深部肿瘤的治疗应用上受到限制。
超声可以到达深部组织，1989年Umemura等［2］通过生物体内和体外的实验研究表明，在血卟啉存在条件下，超声诱导肿瘤细胞坏死比无血卟啉时明显增多，由此他提出了声动力治疗的概念。
1990年Yumita等［3］利用超声波结合血卟啉对接种了S180细胞的鼠进行了抗肿瘤效应测定。
结果表明单独使用血卟啉没有抗肿瘤作用，单独超声波有微弱的抗肿瘤作用，二者结合对肿瘤细胞的抑制率达到了74%。
Umemura等［4］通过向S180细胞悬液内加入活性氧捕捉剂组氨酸，血卟啉增强超声对肿瘤细胞损害作用受到抑制，而加入自由基捕捉剂甘露醇损害作用不受影响。
推测超声波激活血卟啉，产生了单线态氧，增强了对肿瘤细胞的损伤。
1991年张伊力等［5］证明超声频率为1.8MH，声强为0.7～1W/cm2，血卟啉浓度为100～200 μg/ml时， S180细胞杀伤率达95%以上，对在体S180肿瘤的增长抑制率达57.52%，大大高于同样强度的单纯超声或同样浓度的血卟啉的肿瘤细胞的杀伤作用，为SDT的临床应用提供了实验基础。
Tachibana等［6］给小鼠按30mg/kg注射光卟啉Ⅱ后，用210kHz，1.3W/cm2的超声波对小鼠肝部进行照射，结果表明，使用光卟啉Ⅱ后，超声波最大破坏深度平均为5.7mm，而单独使用超声波的最大破坏深度为3.0mm。
Sasaki等［7］于1998年对移植到小鼠肾部位的Walker256肿瘤进行了抗肿瘤实验，实验采用了二次谐波技术，所使用的超声波频率分别为0.5MHz和1.0MHz。
实验结果表明，超声波强度低于8W/cm2或的浓度低于1.0mg/kg时，均不能产生明显的抗肿瘤效应。
2002年Abe等［8］利用癌胚抗原的抗体与镓卟啉的类似物结合，形成，作用于癌胚抗原阳性的胃肠道肿瘤细胞，经超声激发后，肿瘤细胞受到明显抑制，其作用较单独超声作用或超声联合的抑制效果都强。
因此认为抗体与卟啉物质的结合有靶向作用，是未来声动力治疗的新方向。
2 声动力治疗的机理2.1 超声的热效应SDT杀死或抑制肿瘤细胞的部分机理是通过超声的热效应来实现的。
当超声通过生物组织时，其能量因吸收而衰减。
吸收具有指数特征。
组织因吸收超声能量而温度升高，温度升高的程度决定于组织的吸收系数和组织通过的血流量。
肿瘤组织受到超声辐照后，由于癌细胞体积较大，排列又很密集，且其吸声系数约为正常组织细胞的两部，因此大部分超声能量被肿瘤细胞核所吸收，癌组织温度升高。
加之癌组织血管生长紊乱，血流缓慢，其温度升高不能通过血流向周围组织扩散，导致癌组织对热的敏感性高于正常组织。
超过42.5℃～43℃的温度可使癌细胞的pH值降低，DNA、RNA、蛋白质的合成受到抑制，细胞膜的通透性增高，溶酶体活性增加，癌细胞结构遭到破坏，癌细胞死亡。
2.2 超声的空化效应大量的实验结果提示，SDT中超声激活血卟啉的抗癌效果大大高于单纯超声热效应的抗癌结果，因此其机理可能更主要地与超声的空化作用激活聚集在癌组织的血卟啉产生单线态氧有关，超声激活血卟啉产生活性氧的假设已为电子自旋共振(ESR)检测技术所证实。
超声辐照过程中，当声压与组织液的静压力之和很小时，癌组织内原有的及超声波辐照时产生的一些小气泡会生长，反之则会缩小，故超声导致气泡在组织液中呈呼吸式的振动。
在超声强度比较低时，这种振动是缓慢而有规律的，通常都产生破坏力，即稳态空化。
即使在稳态空化的情况下，超声的机械作用也会使癌组织内的亚微气泡因定向扩散而逐渐增大，当其增大到接近超声波波长时，就发生了共振。
共振频率决定于气泡的原始半径及组织液的静压力以及其他物理常数。
气泡越小，共振频率越大。
共振时的大幅度振动，导致微射流，使气泡周围的应力增加，并在癌组织内产生相对振荡。
当超声的强度超过空化阈时，气泡振动加剧。
当声压与静压力的合力趋近于零时，气泡的直径增大；当声压的方向改变时，在很大的合力作用下，气泡猛烈收缩(内爆)，以致破裂成许多小气泡，产生强烈的冲击波和局部的高温，即瞬态空化。
因癌组织本身含有空化借以开始生长的亚微气泡(空化核)，空化阈较低，易发生在超声声强最大处。
理论计算和实验研究表明，瞬态空化泡闭灭时，形成局部热点(hotspot)，其温度可达5 000K以上，温度变化率达109/s，压力高达数百乃至上千个大气压。
在超声激活血卟啉的实验中，瞬态空化可在局部产生6 000～7 000K的高温，出现声致发光现象，并伴有强大的射流及多种物理和化学效应。
血卟啉(HPD)分子结构(见图1)是四个吡咯大环结构，形成Pπ共轭体系，很容易接受光能或热能而产生电子跃迁。
超声激活血卟啉及杀伤肿瘤细胞的过程可用下式表示：HPD+E→1HPD*1HPD*→3HPD*3HPD+3O2→1O2+HPDE为超声空化过程中产生的能量，1O2为单线态氧。
在此条件下，血卟啉分子足以被激活而产生单线态氧，它是一个亲电子性很强的氧化剂，对癌细胞的破坏主要通过以下几方面实现：破坏癌细胞的脂质和细胞膜，导致膜通透性增强、线粒体膨胀、溶酶体酶的释放等损伤；癌细胞内蛋白质变性，并影响酶活性；使癌细胞核酸分子的完整性和结构受到破坏，导致染色体出现变异。
超声空化和单线态氧损伤肿瘤细胞示意图［］，见图2。
图1 血卟啉分子结构示意图（略）图2 超声空化和单线态氧损伤细胞示意图（略）2.3 声致发光声致发光能否激活血卟啉产生单线态氧，还有争议。
Miyoshi等［12］研究发现：在10～25度范围内，镓卟啉衍生物介导的声动力学效应随温度升高而增强，而既往研究证实，水溶液的声致发光强度随温度升高而减弱；介导的声动力学效应在氧浓度约20%时最强，随氧浓度的升高而减弱，接近100%时完全消失，这与单线态机制是矛盾的；采用新型自旋捕捉剂DRD156在声动力学实验中未检测到单线态氧的产生；只有当位于细胞外时才能产生声敏作用；表面活性剂CTAB能模拟产生声动力效应。
作者认为声动力效应与声致发光无关，并推测声动力效应与声敏剂来源的过氧基产生有关。
Jeffers等［14］研究了非毒性浓度的DMF、MMF、DMSO对培养人早幼粒细胞白血病细胞的声动力学效应，并将这种毒性效应归功于超声空化产生某些来源于这些物质的、未知的、短期存活的活性物。
在氮饱和的DMF、MMF、DMSO水溶液中检测到碳为中心的自由基，空气饱和的水溶液中检测到相应的过氧基。
超声处理后肿瘤细胞的脂质过氧化水平明显提高。
3 SDT的临床应用展望与PDT相比，SDT有许多优点：SDT对深部肿瘤的治疗无须通过内镜，操作简便，患者无痛苦，可重复治疗；超声装置简单，造价低廉；SDT对肿瘤细胞有特殊性杀伤作用；副作用小。
由于SDT和PDT的渊源，早期的声敏剂就是光敏剂，但随着SDT研究的深入，人们发现许多非卟啉类物质具有声敏特性，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、炎痛喜康等［］。
SDT与其它疗法联合可明显增强SDT的疗效。
有研究发现，与单用SDT或PDT相比，SDT和PDT对小鼠移植皮肤鳞状细胞癌的联合作用明显提高了肿瘤的抑制率，小鼠的生存期明显延长，部分小鼠的肿瘤完全消失；组织学检查，联合作用肿瘤坏死的深度是单独作用的2～3倍。
Suzuki等［20］报道超声辐照血卟啉及丝裂霉素的结合物，即使在低功率时也有抗肿瘤效应，表明化疗药物对SDT有增效作用。
超声不仅可以增加细胞对共聚物微粒中阿霉素的摄取，还可以促使微粒穿越微血管而促使其在组织中的扩散。
声动力治疗有广阔的应用前景，有人已经开始超声激活血卟啉治疗肝癌的研究，这必将为肿瘤的治疗提供新的治疗方法。
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