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临床超声医学杂志2003年10月第5卷第5期 J Ultrasound in Clin Med, October 2003, Vol. 5, NO. 5
#综 述#
超声空化效应的研究进展
马 芳(综述) 李发琪 王智彪(审校)
自上世纪四十年代超声技术应用于医学临床诊断以来, 随着医学、物理等交叉学科的迅速发展, 对超声的物理特性和生物学效应[1](热效应, 空化效应, 机械效应等) 的运用已渗透到了人体保健、疾病预防、疾病治疗(包括体外碎石、止血、肿瘤切除等) 、生物技术(如基因转染) 等医学领域。随之而兴起的超声生物学效应的研究揭示了超声与生物体系各个层次相互作用的机制, 其中空化效应作为超声生物学的重要效应之一, 它的基础研究和应用日趋受到人们的重视。
一、超声空化的发生及物理机制
超声空化[2](ultrasonic cavitation) 是在超声波的正压期间分子结构形成空虚, 发射强超声波于液体中产生溶解气体或液体蒸气的气泡成长而爆烈、消灭的现象。在物理声学领域, 对超声空化的研究始于20世纪30年代由Morinesco 和Frenzel 等发现声发光(SL) 现象后, 由追索声发光起因而引起对超声空化气泡运动的研究及基本效应的测量。
具体而言, 超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象, 是一个典型的非线性的声学问题。理论上讲[3], 纯净的液体分子结合力很强, 因而具有极高的抗拉强度。但通常的实际液体因种种原因而混入一些微小气泡, 构成了液体的/薄弱环节0, 当交变声压形成的负压相足够强时, 液体将首先在这些/薄弱环节0处被拉开, 从而形成空腔并长大; 继而在接着到来的正压作用下空腔将被压缩, 进而快速闭合。这种微小气泡随超声振动迅速发生收缩、闭合、破裂的过程即/超声空化0。液体中存在的微小气泡称为/空化核0, 液体产生空化所需的最低声压或声强辐值称/空化阈值0, 空化阈值只表明用超声波产生空化的难易程度, 它与空化的各种效应是两回事。影响超声空化阈值的因素, 国内外学者进行了大量的研究发现:对不同性质的液体, 与其表面张力系数、密度、饱和蒸气压、粘滞性相关; 对同一种液体与其温度、静压力、含气量、含杂质程度等因素有密切关系; 另外, 在液体状况均相同的情况下, 空化阈值随照射声波的频率、波型(连续波或脉冲波) 、波形参数(脉宽及重复频率) 而变化。
根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬态空化。前者是指在液体声场中存在适当大小的气泡时, 它们在交变声压作用下可能进入人体共振(即体脉动) 状态, 当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力学过程, 这一过程往往伴随一系列二阶现象发生, 包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流; 而后者是指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈, 在声场负压相时, 存在于液体中的空化核迅速膨胀, 随即又在正压相下突然收缩以致崩溃, 当气体的体
:积收缩到极小时, 其温度可高达数千度, 气泡中的水蒸气被分解为H 和OH 自由基, 自由基又迅速地与其他成分发生化学反应, 此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生。两者的发生都需媒质有气泡的存在。
总之, 气泡在压缩) 闭合阶段, 由于受到液体中静压力, 正声压和液体表面张力的共同作用, 泡壁的闭合速度将越来越快, 在完全闭合的瞬间, 此时因泡内急剧压缩和泡外液体也应看作是非压缩的, 因此在气泡快速闭合的瞬间产生一系列放电、发光、高温(>5000K) 、高压(>5@107Pa) 、高能量密度冲击波、微冲流、微聚变、高精度时钟等奇特极端物理条件。这也是产生生物效应的物理基础。
二、超声与生物体系相互作用中的超声空化效应机制研究超声波既是一种波动形式, 而且也是一种能量形式, 当达到一定剂量在生物体系内传输时, 通过它们之间的相互作用而引起生物体系的功能或结构发生变化, 其空化效应的研究已日渐受到重视。超声空化效应(cavi tation effect of ultrasound) 是一种集聚能量的有效方法, 它把超声场中低能量密度变换为气泡内部及其周围高能量密度特性, 能量被集聚到极小的体积内, 在气泡爆裂和振动时产生猛烈的作用, 它是液体中高强度超声应用的基础, 并能引起机体、细胞及微生物的损伤和破坏作用。无论是稳态还是瞬态空化都可对机体造成可修复性损伤或永久性损伤, 其特点是非可控性和非预测性。一般认为高强度短时间辐照范围内的超声产生的瞬态空化效应是损伤机体的主要机制, 机械效应与热效应都属于超声生物效应的次级机制。
1915年法国科学家Langevin 在水中发射超声波检测时发现超声对小鱼等水生生物产生致命效应, Wood 和Loomis(1927) 首先发现超声能破坏水中单细胞生物和红细胞。自上世纪50年代以来, 在超声的一定剂量范围内, 空化效应的研究在生物体系的各个层次展开(哺乳动物整体, 组织、器官, 细胞与微生物, 生物大分子) , 已观察到超声空化效应主要表现为对机体的损伤, 并从定性和定量的角度探讨了超声剂量与空化效应的关系。
空化效应的机制尚不清楚, 目前的研究认为主要是空化的动力学过程中空泡在声场中的剧烈机械振荡、破裂、高能产生及继发产生的冲击波、辐射流和自由基等形成与处于空化中心周围的生物组织作用所致。研究发现, 在稳态空化中, 辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流使脉动气泡表面处存在速度梯度及粘滞应力, 它们足以使该处的细胞和生物大分子产生生物效应。而在瞬态空化过程中, 当气泡体积收缩到极小时, 可以持续零点几个毫微秒, 气体的温度可达数千度, 此时气
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泡中的水蒸气在这样的高温下可分解成H 和OH 自由基, 它们又迅速与声场中的其它成分相互作用发生化学反应且伴有冲击波、高速微流发生, 因此处于空化中心附近的细胞等生物组织都会受到严重的损伤直至破坏。
Miller 等人于上世纪80年代证明, 红细胞悬液在引入气泡的情况下, 用2MHz 的脉冲超声当辐照声强106的DNA 分子在无空化时也可降解, 且声强越大断链越小, 并证实在空化时, 超声连续辐照时会使DNA 分子不断地一分为二, 而且其断裂优先发生在大分子的扩展构像中部。Prat 等[4]认为空化效应可以完全抑制细胞的生长, 其超微结构改变特征包括胞膜的改变, 胞浆和细胞核的改变, 这些变化提示细胞变性。细胞悬液的体外实验证实高强度超声可以导致细胞溶解, 但在多细胞组织, 因为细胞密度较高, 空化效应的细胞毒作用将受到抑制。卵巢癌细胞3AO [5]受非致死剂量超声辐照后, 观察其超微结构发现大部分受辐照细胞形态学变化不明显, 部分细胞线粒体肿胀、嵴断裂、甚至膜破裂, 胞浆内出现空泡, 分析认为非致死剂量超声可能通过空化效应而致卵巢癌细胞线粒体损伤。吴刚等[6]实验发现, 在体外以空化、机械效应为主的HIFU 对T24细胞具有急性致死及短暂的生长抑制作用; 对PDD 具有增敏作用; 联合MTX 作用也具有协同效应。由超声波的空化效应和热效应所引起的生物学效应, 可以改变细胞膜的脂质双分子层结构, 增加细胞膜的通透性, 增加化疗药物的细胞毒性; 损伤细胞DNA, 使其单、双链断裂, 促进细胞凋亡; 高强度聚集超声可直接杀死肿瘤细胞等。通过以上作用, 达到抑制细胞增殖的目的。利用超声波/空化效应0及相关效应的去脂是因为选择性地破坏脂肪细胞, 而不损坏血管、淋巴等结缔组织。
有研究表明, 高强度超声冲击波的空化效应产生直接的细胞毒作用较少, 大多是损伤微血管和上皮细胞, 引起血管破裂以及自由基产生, 导致缺氧以及对靶组织的间接作用。另外Huber [8]认为, 体外培养细胞和组织在超声辐射下的肿瘤细胞毒性是由空化诱发的结果, 它们在负压波循环过程中, 空泡相继的振动和爆裂影响周围组织, 并观察到在用三种不同剂量的超声辐照小鼠移植性前列腺癌(subline R3327-AT1) , 与非辐照组相比明显抑制了瘤体体积, 明显的组织学变化(包括出血, 组织崩解、坏死) , 而且这些都与空化剂量相关, 剂量越大效应越明显。同时Huber 等研究发现在体外, 超声剂量水平与自由基形成的数量密切相联系。有人报道:34k Hz 连续波超声以8W P cm 2声强处理坐骨神经干后, 神经传导速度、动作电位幅度及时程均有不同程度降低。以18W P cm 2声强处理后上述指标进一步降低, 以32W P cm 2超声处理后神经传导能力基本消失。结构观察发现纤维空化, 髓鞘、轴突损伤或破坏, 轴突中细胞器空化、肿胀或破裂。
超声和产生微气泡的增敏剂[9](contrast agent) 协同作用后与对照组比较, 在电子显微镜下可见, 核形不规则, 染色质以致[7]
裂, 提示细胞损伤。目前使用的微气泡, 既能增强组织对比性, 又能加强治疗超声的作用, 是声学造影剂研究的一个重要方向。近年来, 利用超声进行药物导入的研究认为, 超声波导入药物[10]的可能作用机制有致热作用、机械影响、空化效应以及对流运输, 但空化效应表现最为突出, 同时导入效果与超声波的频率、强度、占空比、波型以及药物本身的性质有关。这表明在合适的条件下利用超声波导入药物可明显促进药物的经皮
吸收, 但如何选择合适条件以更好地促进药物经皮吸收, 扩大其临床应用范围, 还需要医学工作者们进行更深入的研究。
Topaz 等[11]研究发现在声处理媒质中, 加入水溶性的抗氧化剂, 抗坏血酸, 谷胱苷肽可减少羟自由基的生成水平。也有人发现钙离子和自由基形成有关, 并与空化效应强度密切相连。Allen 等[12]近来的一些研究结果提示组织的粘弹性可能是诱导组织空化效应的一个重要考虑因素。许多研究观察不同组织对超声空化的敏感性有差异, 多发生在肌肉群界面和靠近血管内侧面。Zhong [13]等发现空腔内径越小抑制空化效应越明显, 也有研究表明空化是导致温升效应的一个重要因素, 这也说明了空化效应是和其他生物效应协同作用于机体的。从声动力学的研究认为超声的空化作用激活血卟啉产生具有细胞毒性的单线态分子氧, 这有可能是超声抗癌的主要机理之一。近年来, 高强度聚焦超声(high-intensi ty focused ul trasound, HIFU) 作为一种治疗深部肿瘤组织的微创性技术[14], 日益受到人们的重视。但对体积大的肿瘤组织, 聚焦点的强度越高, 在治疗的组织内第一时间辐照产生的空泡可以作为第二时间作用的空化核, 产生瞬态的空化效应, 使预期治疗组织损伤的轮廓常常发生变异。研究表明如果有空化机制参与作用, HIFU 对细胞的急性损伤程度增加, 细胞的DNA 合成能明显降低。Wang(1997) 等[15]提出用生物学焦域(biological focal region, BFR ) 来描述组织内凝固性坏死的范围, 以此与理想声场中的声学焦域(acou tic focal region, AFR) 进行对应性的定量研究, 他们亦认为是一种将超声波经体外发射透入组织内, 在靶区聚焦, 产生一个高能点, 瞬态致组织凝固性坏死, 所产生的空化效应可使细胞膜失去连续性, 在不损伤超声所经组织和邻近脏器的前提下达到切除深部肿瘤的目的。超声在组织中的空化效应应尽量避免[16], 因为它可能使焦斑扩散且扩散点位置难以预测, 因此在强度选择和加热时间确定之间需平衡考虑[17], 如果热时间短, 则就焦斑体积小, 可以减少血流影响, 但要求声强度高, 有可能超过空化效应的阈值, 引起空化效应。随着HIFU 技术基础研究不断深入和临床应用, 认为利用空化效应增强其治疗作用和避免空化效应所致的非预测、非可控性损伤, 扬长避短, 寻求某种声学造影剂和定量物理参数是目前亟待解决的问题。这势必使肿瘤的/绿色治疗0技术之一) ) ) HIFU 技术获得更为完善发展。
三、关于超声空化的可视(定量) 研究
由于空化效应研究的发展, 特别是超声诊断技术在医学领域中的广泛使用, 超声治疗的兴起推动了超声空化的可视化、量化研究。但目前空化的定量仍很困难, 在物理学领域早期的实验研究多采用对液体中超声空化群体气泡进行测量, 难; 代开
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展了单空化气泡运动及其效应的实验, 80年代由美国gai ta 和crum 等首先采用了悬浮技术进行单泡空化的测量, 使之接近于真实的空化条件。
在生物学领域里, 学者们也努力在寻求一种可行、直观的方法定量检测空化效应。有研究发现, 空化效应通过声化学反应而产生自由基, 离体实验中, 超声空化效应的效率与自由基形成的数量有关, 因而Prat 用碘释放法, 即空化效应把碘化钾中的碘氧化成单质碘, 碘遇淀粉呈蓝色, 再用硫代硫酸钠滴定, 溶液变成无色等一系列反应, 定性定量判定空化效应的强度。超声空化效应的声致发光现象是指超声空化泡骤然破裂产生的光的弱发射现象, 用示波器检测声致发光反馈地调节空化效应的剂量, 结果提示空化效应在超声强度一定的条件下, 随超声辐照时间和压力的增加而增加。也可利用空化产生的噪声检测, 但在生物体内难于实现。以前认为用水听器检测次谐波的方法难于实现, 近来Huber [19]用特殊设计的光纤水听器检测二次谐波达到检测冲击脉冲波产生的空化效应, 在保持诸如平均超声强度等超声参数不变的条件下, 能够控制空化效应的量, 并证实:在活体动物肌肉组织内存在半径约为0. 01L m 的空泡发生的空化效应, Huber 用特殊设计的光纤水听器检测冲击脉冲波产生空化效应的方法, 在保持诸如平均超声强度等超声参数不变的条件下, 能够控制空化效应的量。但目前仍采用医学图像监测要方便得多, 通过灰阶级的大小定量判断回波强度, 因为气泡回波与热固化组织的回波是有差异的, 这样可以通过实时或准实时监测剂量和效应关系。
美国医用超声学会(AIUM) 1985年认为采用负声压峰值对于考虑引发空化机制的可能性无疑比采用最大声强和空间峰值脉冲平均值声强更为贴切, 可以用微型水听器在体内测量该值。他们认为负声压峰值大于2Mpa 即对人体产生有害效应, 辐照剂量
总之, 现在对空化的生物学效应和相关的剂量学研究还处于一个探索阶段, 这一课题的突破性进展的取得将会对超声的诊断和治疗提供更为科学、精确的依据。
四、展望
关于对空化的生物效应机制和定量研究, 尤其在医学领域已成为急待迫切的问题, 随着人们对超声诊断副作用认识的更新和超声治疗的兴起引起了高度的重视和进行了大量的研究, 但尚未取得突破性进展。Carstensen(1987) 指出空化效应对生殖细胞和胚胎极少的破坏将对胎儿产生极大的危害; 而当今的高强度聚焦超声/切除0肿瘤也面临由此引起的超出焦域的损伤, 切除大小和形状都不能确定等问题。所以为了能有效地避免或利用生物组织的空化效应, 对其定量的检测非常重要。
目前面临的主要问题是如何在体内进行行之有效的空化, , [18]
出较为准确的产生空化事件的物理参数和相应的/阈限值0, 这是需要一个医、电、工相结合而共同努力完成的课题, 相信不久将会取得令人可喜的成绩。
参考文献
1 J enne J. Cavi tation in biologi schem Gewebe. Ultras chall -M ed. 2001, 22
(5):200~7.
2 周永昌, 郭万学, 主编. 超声医学. 第3版, 北京:科学文献技术出版
社, 1998. 57~75.
3 张德俊. 超声空化及其生物医学效应. 中国超声医学杂志, 1995, 11
(7):510~512.
4 Stephen A, Cochran J, Mark R, et al . Sonolumi nescence as an indicator of
cell membrane discruption by acous tic cavitation. Ultrasound in Med and B-i ol. 2001, 27(6) :841~850.
5 于廷和, 王国云, 蔡汉钟, 等. 非致死剂量对卵巢癌细胞超微结构的
影响. 中国超声医学杂志, 1999, 15(9):647~648.
6 吴刚, 杨光永, 乔天愚, 等. 高强度聚焦超声及其联合顺铂对人膀胱
癌细胞的体外抑制效应. 中国超声医学杂志, 2000, 16(5) :321~324. 7 Carstensen E, Grace wski S, Dalecki D, e t al . The search for cavi tation in
vivo. Ultras ound in Med and Bi ol. 2000, 26(9):1377~1381. 8 Huber PE, Debus J. Tumor cytotoxicity i n vivo and radical formation in vitro
depend on the s hoc k wave-induced cavitation dos e. R adiat Res . 2001Sep, 156(3) .
9 Prat F, Chapelon J Y, Chauffert B, et al . Cytotoxic effects of acoustic cavi tat-i
on on HT-29cells and a rat peri toneal carcinomatosi s i n vitro . Cancer Re -search 1991, 51:3024~3029.
10 M i tragotri S, Edwards D, Blanks chtein D, et al . A mechanistic study of u-l
trasonically enhanced trans dermal drug delivery. J Pharm Sci. 1995, 84(6) :879.
11 Topaz M, Motiei M, Gedanken A, M e yerstei n D, M eyers tein N. EPP analysis
of radicals generated in ul trasound-assis ted lipoplasty si mulate enviroment. Ultras ound-Med-Bi ol. 2001, 27(6) :851~858.
12 Allen J S, Roy RA. D ynamics of gas bubbles i n viscoelas tic fluids. J-Acous t
-Soc-Am. 2000Oct, 108(4) :1640~1650.
13 Zhong P, Z hou Y, Zhu S. Dynamics of bubble oscillation in cons trained me -dia and mechanisms of vessel rupture in SWL. Ultrasound Med Biol. 2001, 27(1) :119~134.
14 Hill CR, Haar GR. Hi gh i ntensity focused ul trasound -potential for cancer
treat ment. Br J Radiol. 1995, 68(816) :1296~1303.
15 王智彪. 高强度聚焦超声治疗肿瘤技术. 世界医疗器械, 2001, 7
(11) :26~30.
16 Chen LL, Haar GR, Christopher R H. Infl uence of ablated tiss ue on the for -mation of high intensity focused ultras ound lesions. Ul trasound Med Bi ol. 1997, 21:921~931.
17 霍彦明, 陈亚珠. 高强度聚焦超声技术的原理及机理研究. 中华物
理医学与康复杂志. 2000, 22(3) :172~174.
18 Prat F, Ponchon T, Berger F, et al :Hepatic les ions in the rabbits induced
by acous tic cavitati on. Gastroenterology 1991, 100(5) :1345~1350. 19 Huber P, Debus J, Peschke P, et al . In Vivo detection of ultras onicall y in -duced cavi tation by a fibre-optic technic he. Ultrasound Med Biol. 1994, 20(8) :811~825.
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超声空化效应的研究进展
马 芳(综述) 李发琪 王智彪(审校)
自上世纪四十年代超声技术应用于医学临床诊断以来, 随着医学、物理等交叉学科的迅速发展, 对超声的物理特性和生物学效应[1](热效应, 空化效应, 机械效应等) 的运用已渗透到了人体保健、疾病预防、疾病治疗(包括体外碎石、止血、肿瘤切除等) 、生物技术(如基因转染) 等医学领域。随之而兴起的超声生物学效应的研究揭示了超声与生物体系各个层次相互作用的机制, 其中空化效应作为超声生物学的重要效应之一, 它的基础研究和应用日趋受到人们的重视。
一、超声空化的发生及物理机制
超声空化[2](ultrasonic cavitation) 是在超声波的正压期间分子结构形成空虚, 发射强超声波于液体中产生溶解气体或液体蒸气的气泡成长而爆烈、消灭的现象。在物理声学领域, 对超声空化的研究始于20世纪30年代由Morinesco 和Frenzel 等发现声发光(SL) 现象后, 由追索声发光起因而引起对超声空化气泡运动的研究及基本效应的测量。
具体而言, 超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象, 是一个典型的非线性的声学问题。理论上讲[3], 纯净的液体分子结合力很强, 因而具有极高的抗拉强度。但通常的实际液体因种种原因而混入一些微小气泡, 构成了液体的/薄弱环节0, 当交变声压形成的负压相足够强时, 液体将首先在这些/薄弱环节0处被拉开, 从而形成空腔并长大; 继而在接着到来的正压作用下空腔将被压缩, 进而快速闭合。这种微小气泡随超声振动迅速发生收缩、闭合、破裂的过程即/超声空化0。液体中存在的微小气泡称为/空化核0, 液体产生空化所需的最低声压或声强辐值称/空化阈值0, 空化阈值只表明用超声波产生空化的难易程度, 它与空化的各种效应是两回事。影响超声空化阈值的因素, 国内外学者进行了大量的研究发现:对不同性质的液体, 与其表面张力系数、密度、饱和蒸气压、粘滞性相关; 对同一种液体与其温度、静压力、含气量、含杂质程度等因素有密切关系; 另外, 在液体状况均相同的情况下, 空化阈值随照射声波的频率、波型(连续波或脉冲波) 、波形参数(脉宽及重复频率) 而变化。
根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬态空化。前者是指在液体声场中存在适当大小的气泡时, 它们在交变声压作用下可能进入人体共振(即体脉动) 状态, 当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力学过程, 这一过程往往伴随一系列二阶现象发生, 包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流; 而后者是指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈, 在声场负压相时, 存在于液体中的空化核迅速膨胀, 随即又在正压相下突然收缩以致崩溃, 当气体的体
:积收缩到极小时, 其温度可高达数千度, 气泡中的水蒸气被分解为H 和OH 自由基, 自由基又迅速地与其他成分发生化学反应, 此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生。两者的发生都需媒质有气泡的存在。
总之, 气泡在压缩) 闭合阶段, 由于受到液体中静压力, 正声压和液体表面张力的共同作用, 泡壁的闭合速度将越来越快, 在完全闭合的瞬间, 此时因泡内急剧压缩和泡外液体也应看作是非压缩的, 因此在气泡快速闭合的瞬间产生一系列放电、发光、高温(>5000K) 、高压(>5@107Pa) 、高能量密度冲击波、微冲流、微聚变、高精度时钟等奇特极端物理条件。这也是产生生物效应的物理基础。
二、超声与生物体系相互作用中的超声空化效应机制研究超声波既是一种波动形式, 而且也是一种能量形式, 当达到一定剂量在生物体系内传输时, 通过它们之间的相互作用而引起生物体系的功能或结构发生变化, 其空化效应的研究已日渐受到重视。超声空化效应(cavi tation effect of ultrasound) 是一种集聚能量的有效方法, 它把超声场中低能量密度变换为气泡内部及其周围高能量密度特性, 能量被集聚到极小的体积内, 在气泡爆裂和振动时产生猛烈的作用, 它是液体中高强度超声应用的基础, 并能引起机体、细胞及微生物的损伤和破坏作用。无论是稳态还是瞬态空化都可对机体造成可修复性损伤或永久性损伤, 其特点是非可控性和非预测性。一般认为高强度短时间辐照范围内的超声产生的瞬态空化效应是损伤机体的主要机制, 机械效应与热效应都属于超声生物效应的次级机制。
1915年法国科学家Langevin 在水中发射超声波检测时发现超声对小鱼等水生生物产生致命效应, Wood 和Loomis(1927) 首先发现超声能破坏水中单细胞生物和红细胞。自上世纪50年代以来, 在超声的一定剂量范围内, 空化效应的研究在生物体系的各个层次展开(哺乳动物整体, 组织、器官, 细胞与微生物, 生物大分子) , 已观察到超声空化效应主要表现为对机体的损伤, 并从定性和定量的角度探讨了超声剂量与空化效应的关系。
空化效应的机制尚不清楚, 目前的研究认为主要是空化的动力学过程中空泡在声场中的剧烈机械振荡、破裂、高能产生及继发产生的冲击波、辐射流和自由基等形成与处于空化中心周围的生物组织作用所致。研究发现, 在稳态空化中, 辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流使脉动气泡表面处存在速度梯度及粘滞应力, 它们足以使该处的细胞和生物大分子产生生物效应。而在瞬态空化过程中, 当气泡体积收缩到极小时, 可以持续零点几个毫微秒, 气体的温度可达数千度, 此时气
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泡中的水蒸气在这样的高温下可分解成H 和OH 自由基, 它们又迅速与声场中的其它成分相互作用发生化学反应且伴有冲击波、高速微流发生, 因此处于空化中心附近的细胞等生物组织都会受到严重的损伤直至破坏。
Miller 等人于上世纪80年代证明, 红细胞悬液在引入气泡的情况下, 用2MHz 的脉冲超声当辐照声强106的DNA 分子在无空化时也可降解, 且声强越大断链越小, 并证实在空化时, 超声连续辐照时会使DNA 分子不断地一分为二, 而且其断裂优先发生在大分子的扩展构像中部。Prat 等[4]认为空化效应可以完全抑制细胞的生长, 其超微结构改变特征包括胞膜的改变, 胞浆和细胞核的改变, 这些变化提示细胞变性。细胞悬液的体外实验证实高强度超声可以导致细胞溶解, 但在多细胞组织, 因为细胞密度较高, 空化效应的细胞毒作用将受到抑制。卵巢癌细胞3AO [5]受非致死剂量超声辐照后, 观察其超微结构发现大部分受辐照细胞形态学变化不明显, 部分细胞线粒体肿胀、嵴断裂、甚至膜破裂, 胞浆内出现空泡, 分析认为非致死剂量超声可能通过空化效应而致卵巢癌细胞线粒体损伤。吴刚等[6]实验发现, 在体外以空化、机械效应为主的HIFU 对T24细胞具有急性致死及短暂的生长抑制作用; 对PDD 具有增敏作用; 联合MTX 作用也具有协同效应。由超声波的空化效应和热效应所引起的生物学效应, 可以改变细胞膜的脂质双分子层结构, 增加细胞膜的通透性, 增加化疗药物的细胞毒性; 损伤细胞DNA, 使其单、双链断裂, 促进细胞凋亡; 高强度聚集超声可直接杀死肿瘤细胞等。通过以上作用, 达到抑制细胞增殖的目的。利用超声波/空化效应0及相关效应的去脂是因为选择性地破坏脂肪细胞, 而不损坏血管、淋巴等结缔组织。
有研究表明, 高强度超声冲击波的空化效应产生直接的细胞毒作用较少, 大多是损伤微血管和上皮细胞, 引起血管破裂以及自由基产生, 导致缺氧以及对靶组织的间接作用。另外Huber [8]认为, 体外培养细胞和组织在超声辐射下的肿瘤细胞毒性是由空化诱发的结果, 它们在负压波循环过程中, 空泡相继的振动和爆裂影响周围组织, 并观察到在用三种不同剂量的超声辐照小鼠移植性前列腺癌(subline R3327-AT1) , 与非辐照组相比明显抑制了瘤体体积, 明显的组织学变化(包括出血, 组织崩解、坏死) , 而且这些都与空化剂量相关, 剂量越大效应越明显。同时Huber 等研究发现在体外, 超声剂量水平与自由基形成的数量密切相联系。有人报道:34k Hz 连续波超声以8W P cm 2声强处理坐骨神经干后, 神经传导速度、动作电位幅度及时程均有不同程度降低。以18W P cm 2声强处理后上述指标进一步降低, 以32W P cm 2超声处理后神经传导能力基本消失。结构观察发现纤维空化, 髓鞘、轴突损伤或破坏, 轴突中细胞器空化、肿胀或破裂。
超声和产生微气泡的增敏剂[9](contrast agent) 协同作用后与对照组比较, 在电子显微镜下可见, 核形不规则, 染色质以致[7]
裂, 提示细胞损伤。目前使用的微气泡, 既能增强组织对比性, 又能加强治疗超声的作用, 是声学造影剂研究的一个重要方向。近年来, 利用超声进行药物导入的研究认为, 超声波导入药物[10]的可能作用机制有致热作用、机械影响、空化效应以及对流运输, 但空化效应表现最为突出, 同时导入效果与超声波的频率、强度、占空比、波型以及药物本身的性质有关。这表明在合适的条件下利用超声波导入药物可明显促进药物的经皮
吸收, 但如何选择合适条件以更好地促进药物经皮吸收, 扩大其临床应用范围, 还需要医学工作者们进行更深入的研究。
Topaz 等[11]研究发现在声处理媒质中, 加入水溶性的抗氧化剂, 抗坏血酸, 谷胱苷肽可减少羟自由基的生成水平。也有人发现钙离子和自由基形成有关, 并与空化效应强度密切相连。Allen 等[12]近来的一些研究结果提示组织的粘弹性可能是诱导组织空化效应的一个重要考虑因素。许多研究观察不同组织对超声空化的敏感性有差异, 多发生在肌肉群界面和靠近血管内侧面。Zhong [13]等发现空腔内径越小抑制空化效应越明显, 也有研究表明空化是导致温升效应的一个重要因素, 这也说明了空化效应是和其他生物效应协同作用于机体的。从声动力学的研究认为超声的空化作用激活血卟啉产生具有细胞毒性的单线态分子氧, 这有可能是超声抗癌的主要机理之一。近年来, 高强度聚焦超声(high-intensi ty focused ul trasound, HIFU) 作为一种治疗深部肿瘤组织的微创性技术[14], 日益受到人们的重视。但对体积大的肿瘤组织, 聚焦点的强度越高, 在治疗的组织内第一时间辐照产生的空泡可以作为第二时间作用的空化核, 产生瞬态的空化效应, 使预期治疗组织损伤的轮廓常常发生变异。研究表明如果有空化机制参与作用, HIFU 对细胞的急性损伤程度增加, 细胞的DNA 合成能明显降低。Wang(1997) 等[15]提出用生物学焦域(biological focal region, BFR ) 来描述组织内凝固性坏死的范围, 以此与理想声场中的声学焦域(acou tic focal region, AFR) 进行对应性的定量研究, 他们亦认为是一种将超声波经体外发射透入组织内, 在靶区聚焦, 产生一个高能点, 瞬态致组织凝固性坏死, 所产生的空化效应可使细胞膜失去连续性, 在不损伤超声所经组织和邻近脏器的前提下达到切除深部肿瘤的目的。超声在组织中的空化效应应尽量避免[16], 因为它可能使焦斑扩散且扩散点位置难以预测, 因此在强度选择和加热时间确定之间需平衡考虑[17], 如果热时间短, 则就焦斑体积小, 可以减少血流影响, 但要求声强度高, 有可能超过空化效应的阈值, 引起空化效应。随着HIFU 技术基础研究不断深入和临床应用, 认为利用空化效应增强其治疗作用和避免空化效应所致的非预测、非可控性损伤, 扬长避短, 寻求某种声学造影剂和定量物理参数是目前亟待解决的问题。这势必使肿瘤的/绿色治疗0技术之一) ) ) HIFU 技术获得更为完善发展。
三、关于超声空化的可视(定量) 研究
由于空化效应研究的发展, 特别是超声诊断技术在医学领域中的广泛使用, 超声治疗的兴起推动了超声空化的可视化、量化研究。但目前空化的定量仍很困难, 在物理学领域早期的实验研究多采用对液体中超声空化群体气泡进行测量, 难; 代开
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临床超声医学杂志2003年10月第5卷第5期 J Ultrasound in Clin Med, October 2003, Vol. 5, NO. 5
展了单空化气泡运动及其效应的实验, 80年代由美国gai ta 和crum 等首先采用了悬浮技术进行单泡空化的测量, 使之接近于真实的空化条件。
在生物学领域里, 学者们也努力在寻求一种可行、直观的方法定量检测空化效应。有研究发现, 空化效应通过声化学反应而产生自由基, 离体实验中, 超声空化效应的效率与自由基形成的数量有关, 因而Prat 用碘释放法, 即空化效应把碘化钾中的碘氧化成单质碘, 碘遇淀粉呈蓝色, 再用硫代硫酸钠滴定, 溶液变成无色等一系列反应, 定性定量判定空化效应的强度。超声空化效应的声致发光现象是指超声空化泡骤然破裂产生的光的弱发射现象, 用示波器检测声致发光反馈地调节空化效应的剂量, 结果提示空化效应在超声强度一定的条件下, 随超声辐照时间和压力的增加而增加。也可利用空化产生的噪声检测, 但在生物体内难于实现。以前认为用水听器检测次谐波的方法难于实现, 近来Huber [19]用特殊设计的光纤水听器检测二次谐波达到检测冲击脉冲波产生的空化效应, 在保持诸如平均超声强度等超声参数不变的条件下, 能够控制空化效应的量, 并证实:在活体动物肌肉组织内存在半径约为0. 01L m 的空泡发生的空化效应, Huber 用特殊设计的光纤水听器检测冲击脉冲波产生空化效应的方法, 在保持诸如平均超声强度等超声参数不变的条件下, 能够控制空化效应的量。但目前仍采用医学图像监测要方便得多, 通过灰阶级的大小定量判断回波强度, 因为气泡回波与热固化组织的回波是有差异的, 这样可以通过实时或准实时监测剂量和效应关系。
美国医用超声学会(AIUM) 1985年认为采用负声压峰值对于考虑引发空化机制的可能性无疑比采用最大声强和空间峰值脉冲平均值声强更为贴切, 可以用微型水听器在体内测量该值。他们认为负声压峰值大于2Mpa 即对人体产生有害效应, 辐照剂量
总之, 现在对空化的生物学效应和相关的剂量学研究还处于一个探索阶段, 这一课题的突破性进展的取得将会对超声的诊断和治疗提供更为科学、精确的依据。
四、展望
关于对空化的生物效应机制和定量研究, 尤其在医学领域已成为急待迫切的问题, 随着人们对超声诊断副作用认识的更新和超声治疗的兴起引起了高度的重视和进行了大量的研究, 但尚未取得突破性进展。Carstensen(1987) 指出空化效应对生殖细胞和胚胎极少的破坏将对胎儿产生极大的危害; 而当今的高强度聚焦超声/切除0肿瘤也面临由此引起的超出焦域的损伤, 切除大小和形状都不能确定等问题。所以为了能有效地避免或利用生物组织的空化效应, 对其定量的检测非常重要。
目前面临的主要问题是如何在体内进行行之有效的空化, , [18]
出较为准确的产生空化事件的物理参数和相应的/阈限值0, 这是需要一个医、电、工相结合而共同努力完成的课题, 相信不久将会取得令人可喜的成绩。
参考文献
1 J enne J. Cavi tation in biologi schem Gewebe. Ultras chall -M ed. 2001, 22
(5):200~7.
2 周永昌, 郭万学, 主编. 超声医学. 第3版, 北京:科学文献技术出版
社, 1998. 57~75.
3 张德俊. 超声空化及其生物医学效应. 中国超声医学杂志, 1995, 11
(7):510~512.
4 Stephen A, Cochran J, Mark R, et al . Sonolumi nescence as an indicator of
cell membrane discruption by acous tic cavitation. Ultrasound in Med and B-i ol. 2001, 27(6) :841~850.
5 于廷和, 王国云, 蔡汉钟, 等. 非致死剂量对卵巢癌细胞超微结构的
影响. 中国超声医学杂志, 1999, 15(9):647~648.
6 吴刚, 杨光永, 乔天愚, 等. 高强度聚焦超声及其联合顺铂对人膀胱
癌细胞的体外抑制效应. 中国超声医学杂志, 2000, 16(5) :321~324. 7 Carstensen E, Grace wski S, Dalecki D, e t al . The search for cavi tation in
vivo. Ultras ound in Med and Bi ol. 2000, 26(9):1377~1381. 8 Huber PE, Debus J. Tumor cytotoxicity i n vivo and radical formation in vitro
depend on the s hoc k wave-induced cavitation dos e. R adiat Res . 2001Sep, 156(3) .
9 Prat F, Chapelon J Y, Chauffert B, et al . Cytotoxic effects of acoustic cavi tat-i
on on HT-29cells and a rat peri toneal carcinomatosi s i n vitro . Cancer Re -search 1991, 51:3024~3029.
10 M i tragotri S, Edwards D, Blanks chtein D, et al . A mechanistic study of u-l
trasonically enhanced trans dermal drug delivery. J Pharm Sci. 1995, 84(6) :879.
11 Topaz M, Motiei M, Gedanken A, M e yerstei n D, M eyers tein N. EPP analysis
of radicals generated in ul trasound-assis ted lipoplasty si mulate enviroment. Ultras ound-Med-Bi ol. 2001, 27(6) :851~858.
12 Allen J S, Roy RA. D ynamics of gas bubbles i n viscoelas tic fluids. J-Acous t
-Soc-Am. 2000Oct, 108(4) :1640~1650.
13 Zhong P, Z hou Y, Zhu S. Dynamics of bubble oscillation in cons trained me -dia and mechanisms of vessel rupture in SWL. Ultrasound Med Biol. 2001, 27(1) :119~134.
14 Hill CR, Haar GR. Hi gh i ntensity focused ul trasound -potential for cancer
treat ment. Br J Radiol. 1995, 68(816) :1296~1303.
15 王智彪. 高强度聚焦超声治疗肿瘤技术. 世界医疗器械, 2001, 7
(11) :26~30.
16 Chen LL, Haar GR, Christopher R H. Infl uence of ablated tiss ue on the for -mation of high intensity focused ultras ound lesions. Ul trasound Med Bi ol. 1997, 21:921~931.
17 霍彦明, 陈亚珠. 高强度聚焦超声技术的原理及机理研究. 中华物
理医学与康复杂志. 2000, 22(3) :172~174.
18 Prat F, Ponchon T, Berger F, et al :Hepatic les ions in the rabbits induced
by acous tic cavitati on. Gastroenterology 1991, 100(5) :1345~1350. 19 Huber P, Debus J, Peschke P, et al . In Vivo detection of ultras onicall y in -duced cavi tation by a fibre-optic technic he. Ultrasound Med Biol. 1994, 20(8) :811~825.
(20)