超声分子靶向造影剂的应用研究进展

杨振　张明博　罗渝昆

摘要：超声分子靶向造影剂通过外周静脉注射进入血液循环之后，与相应受体结合，增强了目标病灶的成像信号，可实现疾病的早期诊断、分期、疗效评估及靶向治疗等。超声分子靶向造影剂还能通过微泡进行靶向药物或基因递送。纳米级的靶向造影剂还可透过血管内皮进入组织间隙内进行成像或治疗。超声分子靶向造影剂的研究目前多停留在临床前实验阶段，有一些临床试验已经在人体中开展，初步证实了靶向超声造影剂的安全性和可行性，超声分子靶向造影剂具有广阔的临床应用前景。

关键词：超声分子影像；靶向造影剂；诊断；疗效评估；药物递送

中图分类号： R445.1文献标志码： A文章编号：1000-503X（2023）02-0298-05

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.14827

Advances in Molecular Targeted Ultrasound Contrast Agents

YANG Zhen，ZHANG Mingbo，LUO Yukun

ABSTRACT：In real-time ultrasound，molecular targeted contrast agent is introduced into the blood circulation through peripheral intravenous injection to enhance the imaging signal of target lesions after binding to the corresponding intravascular receptors，which can realize early diagnosis，staging of diseases，assessment of treatment response，and targeted treatment.In addition，molecular targeted ultrasound contrast agents provide a platform for the delivery of drugs and genes via microbubbles，and nanoscale contrast agents can be infiltrated through vascular endothelium into the interstitial space of the lesion for imaging or treatment.The available studies of molecular targeted ultrasound contrast agents mainly focus on the preclinical trials.Some clinical trials have been conducted in humans and preliminarily confirm the safety and feasibility of targeted ultrasound contrast agents.The molecular targeted ultrasound contrast agents enjoy a broad prospect in clinical application.

Key words：molecular ultrasound imaging；targeted contrast agents；diagnosis；treatment response assessment；drug delivery

Acta Acad Med Sin，2023，45（2）：298-302

超聲分子影像是利用超声技术对人体系统中的生物过程进行可视化描述和测量［1］。不同于常规增强成像技术，超声分子影像关键的在于靶向超声造影剂，利用超声分子靶向造影剂可与特异性配体稳定结合的特性，把未结合超声分子靶向造影剂洗脱后，结合超声分子靶向造影剂的靶病灶信号会持续增强，以此可方便准确地进行早期诊断、分期、疗效评估及靶向治疗等。现对超声分子靶向造影剂及其应用研究进展作一综述，以期为超声分子靶向造影剂的临床转化提供新的思路。

超声分子靶向造影剂

超声分子靶向造影剂的分类 超声分子靶向造影剂将配体基团共价或非共价结合在普通微泡造影剂外壳上，这些基团可以特异性识别一些受体，对疾病进行定性诊断和定量分析。根据微泡直径大小可将超声分子靶向造影剂分为靶向微泡（直径1～10 μm）和纳米微泡（直径<1 μm）。靶向微泡多为血管内靶向造影剂，纳米微泡多为血管外靶向造影剂。

超声分子靶向造影剂还可分为单靶点造影剂和多靶点造影剂。多靶点造影剂通过多靶点结合提高造影剂微泡的亲和性和结合的稳定性，较低的使用剂量即可达到单靶微泡的成像效果，提高了诊断的准确性。但多靶点微泡合成较为困难，如何形成稳定的靶向微泡尚需要进一步的实验研究。

其他的纳米微泡还有纳米粒子探针、纳米乳剂、纳米颗粒、纳米胶囊等［2-4］。纳米材料的发展给超声分子影像展现了更为广阔的临床转化视野。

超声分子靶向探测技术 超声分子靶向造影剂的成像依赖其对超声波的非线性反应，当声波到达造影剂微泡表面时，产生非线性散射波，而人体组织为线性反射波，由此可以区分造影剂信号和人体组织信号。

为了探测造影剂微泡的信号，有多种成像模式可以选择。反向/双向脉冲成像、功率调制成像和对比脉冲序列成像都不会破坏微泡，而敏感粒子声学定量成像技术可以通过破坏未结合的游离微泡实现对已结合造影剂微泡的量化检测［5］；或者在微泡结合目标受体后，使用高机械指数脉冲破坏微泡，计算破坏前后的信号差值，即破坏-补充技术实现造影剂的成像［6］。Pysz等［7］提出一种基于造影剂在目标区域停留时间的快速超声分子成像方式来显示增强的造影剂信号，以此识别目标病灶。此外，三维超声分子影像使用矩阵传感器进行多帧频数据采集，可以更加准确评估和监测肿瘤中血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）-2的表达［8］。聚焦超声可以通过调节超声频率、脉冲长度和脉冲重复频率使微血管内的靶向微泡通过血脑屏障进行无创、定点药物输送。通过调整药物浓度、声压幅值和脉冲宽度等参数，在声辐射力的作用下，影响微泡在血管内的分布，增强微泡与目标受体的结合，提高成像效果［9］。

超声分子靶向造影剂在肿瘤中的应用

肿瘤早期诊断 血管生成是肿瘤生长和转移的关键过程之一，通常肿瘤相关的血管生成经历两个阶段，无血管期和血管期。无血管期阶段肿瘤依靠宿主微血管的营养物质生存，达到一定大小后（通常为1～2 mm），部分肿瘤进入血管期，此时肿瘤呈指数增长。超声分子影像可以在肿瘤生长初期检测到血管的形态学变化，实现肿瘤的早发现、早治疗。并且，相对于其他影像学技术，超声评估还具有实时动态、无辐射、操作简单和可重复性强的优势。肿瘤新生血管相关受体主要为VEGFR-2、整合素受体、内皮素受体、P-选择素受体、E-选择素受体等。Abou-Elkacem等［10］在乳腺癌小鼠模型中使用VEGFR2靶向超声造影准确检测出肿瘤新生血管，这表明超声分子影像在早期筛查乳腺癌方面具有很大的潜力。超声分子影像在膀胱癌、结肠癌、胰腺导管腺癌、卵巢癌、前列腺癌、肾细胞癌等动物模型中的早期诊断方面均得到了验证［11-12］。目前大部分研究仍是在动物模型中进行实验，Willmann等［13］首次使用BR55（一种靶向VEGFR-2的造影剂）对45例女性患者共22个卵巢局部病灶和18个乳腺局部病灶进行超声造影评估，并与病理结果进行了对比，证明BR55靶向造影剂在人体中的应用是安全可行的。随后Smeenge等［14］在前列腺癌患者中也证实BR55超声造影剂的可行性和安全性，24例研究对象中未发生严重不良反应，其中4例分别产生轻中度的红疹、寒战、头痛和背部疼痛，24 h后自行恢复；但超声造影结果与病理诊断符合率有所下降，因为此研究为初步研究，研究设计需要进一步完善。

除了对肿瘤本身进行评估之外，超声分子影像还能对前哨淋巴结进行准确识别和评估［15］，其结果显示转移性前哨淋巴结的靶向微泡信号明显高于非转移性前哨淋巴结。Nam等［16］在猪黑色素瘤模型中使用αvβ3整合素/P-选择素双靶造影剂评估了超声分子影像检测前哨淋巴结转移的能力，结果证实双靶微泡超声造影剂有助于准确识别和评估黑色素瘤前哨淋巴结转移。

增加造影剂的靶点可以增加微泡的结合数量，加强造影剂稳定性，提高超声造影成像效果。VEGFR2和人表皮生长因子受体2双靶微泡在小鼠人乳腺癌模型中的血管成像信号显著高于单靶微泡成像信号［17］。其他还有细胞间黏附分子-1/选择素双靶［18］微泡成像信号和VEGFR2/αvβ3整合素/P-选择素三靶的微泡成像信号也显著高于单靶微泡成像信号，尤其是三靶微泡的肿瘤超声图像强度增加了40%，甚至可以监测到极小的血管生成变化［19］。

肿瘤疗效评估 血管内超声分子影像可以通过评价肿瘤血管生成谱评估抗肿瘤治疗的效果。血管生成是实体肿瘤生长和转移的关键因素之一，抗血管生成治疗能够有效抑制肿瘤的发生发展，超声分子成像通过监测血管生成标志物在治疗前后的表达差异，评价抗肿瘤治疗效果。Helbert等［20］使用BR55靶向造影剂评估了使用舒尼替尼（一种多靶点受体酪氨酸激酶抑制剂）进行治疗的乳腺癌小鼠模型，证实超声分子影像可以评估抗血管生成治疗的早期反应，这种评估作用在肝癌、结直肠癌、胰腺癌、前列腺癌和肾癌等小鼠模型中均得到验证。与未行抗血管生成治疗的小鼠相比，行抗血管生成治疗小鼠的超声造影信号在治疗24h后显著下降［21-22］。

除了评价抗肿瘤药物的治疗效果，超声分子影像还可以评价乳腺癌肿瘤微波消融治疗效果［21］。传统的非靶向超声造影也可以对肿瘤消融进行评价。传统超声造影剂廓清速度较快，如有残余病灶的情况，无法使残余病灶的信号连续显示，可能需要多次注射造影剂进行观察。超声分子靶向造影剂可以有针对性地显示目标病灶的消融情况，在连续消融过程中进行持续评估。临床上，肿瘤消融手术已经在甲状腺、乳腺、肝脏、肾脏和肺疾病中广泛应用，超声分子影像给消融治疗的评估提供了新的方式。

肿瘤靶向治疗作用 化疗药物的治疗剂量与药物不良反应之间难以平衡是临床亟待解决的问题之一。通过增加细胞膜或生物屏障的渗透性，超声分子靶向造影剂可以包裹治疗药物或基因，到达肿瘤区域后，在高机械指数下进行超声触发，微泡破裂、释放药物，增强药物利用效率，扩大治疗范围，对肿瘤病灶进行精准治疗［23］。Chang等［24］开发了一种靶向VEGFR2的阳离子微泡基因载体，经颅聚焦超声暴露，使基因得以透过血脑屏障发挥治疗作用。

血栓评估 动脉粥样硬化患者早期多数没有典型的临床症状，直至斑块破裂或发生严重狭窄或阻塞。血管细胞黏附分子-1在动脉粥样硬化中早期表达，并被转运到血管内皮细胞管腔表面，因此以血管细胞黏附分子-1为靶点的造影剂微泡可以通过超声造影进行血小板活动的动态评估及血栓破裂风险预测。血栓形成相关的受体还有其他细胞黏附因子和血小板膜糖蛋白（glycoprotein，GP） Ⅱb/Ⅲa等［25-26］。

此外，GPIbα、连接黏附分子-A、GP VI、血管性血友病因子均可用于动脉粥样硬化的超声分子成像［27-28］。超声分子影像还可用于急性心肌缺血的评估，以E-选择素为靶点的超声分子影像可以较长时间监测心肌缺血的动态变化［29］。

炎性疾病评估 Lindner等［30］发现超声分子靶向造影剂持续存在于心肌缺血再灌注后的区域，经过体外和体内试验，证实超声分子靶向造影剂能够与活化的白细胞结合，可用于炎症反应的无创评估。

超声可以捕捉肠壁因炎性反应而增厚的强回声信号，但二维超声无法对炎性肠病进行早期监测。黏膜血管定位素细胞黏附分子-1可以作为靶点用于检测炎性肠病［31］。另有研究在豬的急性回肠炎模型中，双靶P-选择素和E-选择素的表达与组织学检查证实了炎症程度具有良好的相关性［32］，进一步提示超声分子影像可以特异性检测和量化肠道炎症，为炎性肠病患者提供了一种可靠、无创的诊断和监测方法。

另有少部分体外研究证实了超声分子影像可用于心脏移植排斥反应、肝脏移植纤维化反应、异体肾移植排异反应的监测［33-35］。

超声分子靶向造影剂应用的其他探索

超声分子靶向造影剂在其他疾病领域的应用也有学者进行了初步探索。VEGFR-2靶向超声造影剂可以与胚胎着床期增加的酪氨酸激酶受体特异性结合，用于评估小鼠子宫内膜的容受性［36］。Liao等［37］研究了一种新的治疗模型，超声分子靶向造影剂微泡中包被液体型表皮生长因子，通过溶菌酶微泡的空化作用促进伤口愈合，结果表明，此种治疗模型可以显著缩短伤口愈合时间，提高治疗效率。

超声分子靶向造影剂应用的不足之处

超声分子靶向造影剂的应用目前主要停留在临床前试验阶段，虽然现存的体内体外实验为实现临床转化提供了依据，而且基于人体的相关临床试验也已经陆续开展，但仍有很多问题亟待解决：（1）超声分子影像在人体中应用的安全性和可行性仍需要大量的研究证据支持；（2）目前现有的临床前研究多集中在肝癌、胰腺肿瘤、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和血栓及炎症评估方面，其他系统肿瘤、创伤性疾病或免疫性疾病等领域研究较少；（3）超声分子靶向造影剂微泡破裂可以进行药物或基因递送，但其药代动力学和微泡稳定性的提高等一系列问题仍未解决，需要进一步开展基础研究。

总结

超声分子影像具有实时成像、无创伤、无辐射、低成本的优势，临床上应用广泛，基于分子靶向造影剂的发展，在分子水平将人体各器官的结构和功能显像相结合，可辅助临床医师进行诊断分析，快速做出临床决策，使影像诊断发展到新高度。未来随着多学科交叉的融合发展，研发成稳定性更高的造影剂，有助于实现造影剂的血管外靶向功能。超声分子影像有望成为一种具有高敏感性、高特异性和高准确性的分子成像工具，不但可以对疾病进行诊断和评估，而且可以实现个体化的精准治疗。

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（收稿日期：2021-12-28）

基金項目：北京市自然科学基金（7152137）