超声来诱导的细胞空化

在早期,用于医疗应用的微气泡以气泡群的声散射和衰减特性为特征。声学集合平均表征相对便宜,并且具有高采样率的优势。然而,很难将集成平均行为与单个微泡动力学联系起来,甚至与相似大小的微泡子集联系起来。在单个微泡上也进行了声学实验,但是单个气泡的分散压力是有限的(1 ~ 10 Pa),接近于任何声学检测系统的噪声水平。为了隔离单个微泡,浓度应该远远小于每毫米一个泡的数量级3,这是由换能器的焦点区域决定的,并且应该独立测量手头的微泡的大小。这导致只有少数单个微泡声学研究,但这些研究可以证实光学观察到的微泡尺寸与声学行为之间的关系。

光学实验技术的进步逐渐为研究单个微泡动力学提供了手段。一种方法利用激光散射,它给出了瞬时一维(1D)尺寸的相对值。其他方法则依赖于超高速显微镜。显微镜的典型设置包括一个光学和声学透明的壁,微气泡通过浮力向上漂浮。此外,这允许光学设备的精确聚焦。该应用要求相机应该能够暂时解析在MHz频率下驱动的微气泡的动力学。所需的帧速率使得这种摄像机的建造成本高昂,并且记录时间受到帧数的限制。1999年,利用显微镜和相机设置,在一维条纹图像中解决了气泡动力学问题。

最近,Brandaris-128相机扩展了荧光成像能力。尽管与亮场成像相比,荧光信号相对较低,但该系统能够通过特定的荧光结合来解析分子途径。Chen等人报道了一种brandaris -128型相机的开发,但重新设计了更高的荧光灵敏度,从而提高了荧光成像的帧率。预计超高速荧光成像将进一步提高对药物传递动力学的认识。药物传递和靶向的总体目标是改善药物的功效在作用于疾病区域的同时减少对健康的人有害的副作用,如毒性组织。最近,研究将药物与外部应用“触发”正在引起人们的关注。这种方法控制药物作用和/或沉积在目标区域外部能量场,如光(光动力疗法),中子束(硼中子俘获疗法),磁场磁性药物载体在组织中的靶向蓄积接近磁铁),或机械能。为了提高输送药物和治疗基因,机械能已以超声照射的形式得到应用。超声波作为一种“控制”场有许多优点用于药物输送。

微泡空化对细胞屏障的直接影响已经在体外对多种细胞系(包括癌细胞系和原代内皮细胞)进行了研究。后者是最具生物学相关性的,因为微泡在静脉注射后不会从血流中渗出。因此,内皮层是它们直接影响的生物屏障。细胞膜是一个复杂的双磷脂层,其中含有介导细胞信号传导的蛋白质复合物。它在维持细胞稳态方面具有至关重要的功能,因为它包围细胞器,同时维持细胞内和细胞外空间之间的离子梯度。一些研究已经应用微泡和超声来促进细胞内药物的递送,因为已知空泡微泡会根据超声压力影响膜的完整性。当施加适度的超声波压力时,有报道称稳定的空泡微泡可以刺激内吞作用,同时在靠近细胞膜的地方振荡。在更高的压力下(>100千帕),气泡动力学变得足够剧烈,在细胞膜上形成孔,这被称为声穿孔。一旦形成孔隙,它们就允许共同递送的药物直接通过细胞质。有报道称,低超声压力,诱导稳定的微泡空化,可以导致孔的形成,前提是微泡直接接触细胞,通过不断地推拉细胞膜,在细胞膜上产生循环切向应力(通俗地称为“按摩”细胞膜)。然而,大多数研究表明,稳定的空化可能是不够的,主要是惯性空化导致孔隙形成。大多数声穿孔实验都集中在小报告分子药物如碘化丙啶或SytoxTM染料的摄取上来研究声穿孔。然而,稍大的大分子如fitc -右旋糖酐、核酸(即pDNA、mRNA和siRNA)和纳米级脂质体的细胞递送已经被研究过。使用更大的分子,如右旋糖酐,可以通过不同的超声参数来确定形成的孔的截止度。

通过研究纳米颗粒负载微泡的纳米药物递送,发现了一种新的现象。在微泡空化过程中,用纳米颗粒装载微泡对于同时刺激药物释放和细胞渗透具有吸引力,因为这可以最大限度地减少脱靶效应。De Cock等人发现,将负载纳米颗粒的微泡暴露在长而强的超声脉冲下,可以主动地将纳米颗粒沉积在细胞膜上的斑块上,他们称之为sonoprinting。荧光高速成像实验显示,当微泡壳碎片和附着的纳米颗粒被微泡气体核心在声辐射力的推动下向细胞层拖动时,就会产生声打印。
南京星叶生物自主研发了US-Star超声微泡造影剂系列,其中就包括多种靶向微泡,例如标记c(RGDfk)的Labeler R、标记链霉亲和素的Labeler S、标记生物素的LabelerB等,外壳稳定,载药能力强,靶向位置准确。