基于微泡空化调控的新型超声空化仪

Microbubble enhanced ultrasound (MEUS) cavitation has shown the potential in tumor therapy, sonothrombolysis and gene delivery. But the regulations of MEUS and related bioeffects remain an important and unsolved scientific problem. A major limitation in this area is the lack of an ultrasound instrument specific for regulation of MEUS. We previously designed a prototype of ultrasound cavitation instrument trying to excite microbubble cavitation for tumor vascular disruption. Based on this instrument, we intend to investigate and select more effective acoustic parameters (like frequency, peak negative pressure, etc.) for cavitation. The new parameters will be tested in sonoporation control and disruption of tumor angiogensis. The purpose of this project is to build up a new ultrasound instrument for MEUS regulation and controlled bioeffects.

微泡介导或增强的超声空化效应尽管已经在基因转染、药物释放、开放细胞屏障和肿瘤治疗等诸多研究领域展现出巨大的基础科研价值和潜在的临床应用前景，但是如何调控微泡超声空化实现稳定的生物学效应仍然是其中至关重要又尚待解决的科学问题。制约该领域研究的一关键因素是缺乏一种可调控微泡空化的超声空化仪。项目前期研制的新型超声空化仪是一种专用于激励微泡超声造影剂空化产生血管损伤作用的空化仪样机。本项目在前期研究基础上，拟采用空化剂量技术分析频率、峰值负压、脉冲宽度以及锯齿波等多个声学参数与微泡空化的相关性，筛选建立更有效而又可精细调节的空化参数组合，并在声孔效应调控和肿瘤血管毁损程度控制方面展开一系列基础研究，从而最终研制出能够调节微泡空化强度和生物学效应的超声空化仪，为生物医学领域的超声空化相关研究提供空化调控的解决方法。

微泡介导的超声空化治疗技术广泛应用于超声医学的多方面基础研究，其中调控微泡超声空化强度是实现各种治疗目的的关键因素，但业界缺乏一种可精细调控微泡空化的超声空化治疗仪。在前期研制的空化仪基础上，本研究目的是研制了一种可多参数、程序化调控微泡空化强度的超声空化仪，并通过调控微泡空化的强度实现各种治疗目的。.首先课题组开展了空化ICD剂量研究，即利用被动空化检测方法（PCD）对微泡空化强度ICD剂量建立了量化方法，以及ICD与声压等参数的关系。证实了调频或多频锯齿波比正弦波信号可更有效激励微泡空化；脂质微泡比白蛋白微泡弹性更好，空化阈值更低。然后，研制出新型超声空化仪（DCT-700），配有平面式和微聚焦式换能器，其特点是可精细调节峰值负压、脉冲宽度等多参数，声强低于2W/cm2，热效应微小。同时，还研制出了新型超声影像与空化调控一体机（VINNO 70），使超声诊断与低强度超声空化治疗相结合，同样具有独特的微泡空化的多参数调控功能，并可设置微泡空化治疗程序。两台仪器均通过声学测量 和医用安全性检测。.在微泡空化的生物学效应研究方面，实施了采用调控微泡空化调节血脑屏障开放程度和肿瘤血管效应的研究。结果发现：①调控一定范围内的低声压激励微泡与大鼠血脑屏障开放之间有较好的线性关系；②微泡增强的高声压（>2.0MPa）空化对人类HepG2肝癌裸鼠移植瘤微血管可产生显著的机械性损毁；③低声压（<1.0MPa）或机械指数（MI<0.7）超声激励微泡可增强动物丰富肿瘤血流灌注，肿瘤血管通透性的增加，这对于肿瘤化疗可能具有显著的增强作用。本研究的科学意义在于，通过超声空化仪调控微泡空化效应的强度，可以产生不同的生物学效应，实现多种治疗目的。