自制微泡在低频聚焦超声辐照下的被动空化监测研究

发布时间：2020-05-27 18:51

【摘要】：近年的研究发现聚焦超声(Focused ultrasound,FUS)联合微泡(microbubble,MB)能够瞬时、局部和可逆的开放血脑屏障(blood-brain barrier,BBB),该方法现已成为靶向投递药物治疗脑部疾病的一个研究热点。然而,FUS联合MB开放BBB在有些情况下是不安全的,当超声能量过大或者辐照时间过长时会引起脑组织损伤。研究表明FUS开放BBB的最主要机制是MB发生的空化效应,其与所使用的MB性能、FUS参数和组织的生理结构等有关。因商业MB价格昂贵,为开发高性价比的MB,课题组采用机械振荡法自主研制出一种MB。为达到安全、有效开放BBB的目的,需要探索合适的FUS治疗参数。本文使用被动空化监测技术对课题组自制的MB在FUS辐照下的空化行为进行监测,以确定安全开放BBB的最佳超声治疗参数。主要研究内容:搭建一维离体被动空化监测平台,使用单阵元探头接收FUS辐照过程中所产生的声信号。通过峰峰值、均方根值、频谱图、时频图和空化剂量等参数研究自制MB在不同参数的FUS辐照下的空化行为,包括中心频率、声压、脉冲重复频率和脉冲长度,统计出最佳的超声治疗参数。一维离体被动空化监测实验结果表明:(1)声压较低时MB以稳态空化为主,在声压上升到一定程度后,MB以惯性空化为主,自制MB的稳态空化与惯性空化的声压临界值约为0.3MPa。(2)相同声压下,中心频率为1.1MHz的FUS比3.3MHz产生的空化效果更强。(3)脉冲长度为5000cycles的FUS比100cycles的产生的空化效应更强。(4)脉冲重复频率为1kHz的FUS比10Hz的产生的空化效应更剧烈。结论:当MB平均浓度为7×10~7~9×10~7个/mL时,FUS参数设置为频率=1.1MHz、声压=0.3MPa、脉冲长度=5000cycles、脉冲重复频率=10Hz,此时自制MB处于稳态空化和惯性空化的临界状态。用4只小鼠(体重20±2g)进行初步的活体实验,所搭建的被动空化监测平台可方便检测到MB在活体上的空化信号。结果表明:声压与MB的空化效应密切相关,即声压越大,MB的空化效应越强烈,声压为0.4MPa时脑组织开始出现微小出血点。基于长时间曝光声学(Time Exposure Acoustics,TEA)算法对二维被动空化成像进行了理论仿真,采用基于Verasonics的超声成像系统搭建了二维被动空化监测实验平台。初步获取了MB二维空化分布图。本文的创新点之一:采用机械振荡法制作了包裹惰性气体的、外壳为脂质的第二代超声微泡。所制作的超声微泡在成本方面远低于商业微泡、并且制作方法简单。本文的创新点之二:自主搭建一维与二维被动空化平台,通过一维被动空化平台能够找到自制微泡的稳态空化与惯性空化的声压临界值,二维被动空化平台能初步获得空化分布图。
【图文】：

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图 1.1 BBB 生物学结构图[9]血脑屏障的开放方式B 的存在是一把双刃剑，一方面它能为大脑提供一种防御机制，另一方为临床上治疗性药物投递入脑进行脑部疾病治疗的最大障碍[12]。因此，种不同将治疗药物送入脑部组织的方法。目前，主要有四种将药物投递是设计新型药物或对药物进行修饰使之通过 BBB 入脑；二是使用外科BB 直接向大脑运送药物；三是使用化学药物或其他技术暂时增加 BB无创、可逆地开放 BBB[9]。然而，目前设计新型药物需要的周期很长顺利通过 BBB，此外，对药物进行修饰也非常昂贵；而采用侵入式的方相应缺陷，例如外科手术会损伤正常组织且术后有感染风险；静脉注射透性药物可能会使 BBB 过度开放从而使细胞毒性药物进入整个 CNS，性药物都具有毒性[11]；经鼻腔给药不能实现脑组织靶向给药且传递效率

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自制微泡在低频聚焦超声辐照下的被动空化监测研究MB 开放 BBB 将药物投递入脑的技术的可能机制之一。微束也能产生搅拌和微流泵，它们被认为是稳态空化增强血栓性药物 rt-PA 药效的两种可能机制[1]。当驱动压力波超过某个稀疏峰压力临界值时，微泡的半径膨胀到其平均半径的几倍紧接其后微泡又开始收缩，MB 壁的加速度被周围液体的惯性主导，如图 1.2 所示，因此微泡内部压力快速增加，达到一定程度会剧烈坍塌、爆破。这种现象称为惯性空化（inertial cavitation）[6, 21]。气泡在超声波作用下压缩膨胀到达极限时，会瞬间爆破释放高能量冲击波，，从而导致高压射流的产生[22]，当靠近微射流时能破坏细胞，如果细胞远离高压射流，那么细胞膜临时开放孔径可能会发生，这也是使得 BBB 开放的可能原因。但是现有研究表明，惯性空化对 BBB 开放的作用不大，且其产生的剧烈生物学效应还可能会损伤正常组织，而稳态空化的效应更有利于 BBB 开放，且因其在较低声压下就能产生相关的生物学效应，所有相对来说是更易调控的[7, 23, 24]。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.0;R742

【参考文献】