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| 今天的文章中，超哥为大家介绍了脂质包裹微气泡在声致发光（SL）机制下如何提高声动力治疗（SDT）对恶性胶质母细胞瘤等癌症的疗效。声动力治疗利用低强度超声激活声敏剂，产生活性氧（ROS）来破坏肿瘤细胞。然而，肿瘤微环境的复杂性限制了SDT的效果。为解决此问题，本文引入FDA批准的Lumason®微气泡和氧气微气泡，研究其在不同声压和频率条件下的动力学表现。模拟结果表明，氧气微气泡产生的声致发光强度高于Lumason®微气泡，这归因于氧气的较低电离能。氧气微气泡在相同超声条件下表现出更强的声化学反应，能够显著提高治疗效果。研究还构建了微气泡声致发光的声压-频率范围图，为临床优化提供了理论依据。这些发现为脂质包裹微气泡在癌症治疗中的应用提供了新方向。 |
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声动力治疗（Sonodynamic Therapy, SDT）是一种新兴的癌症治疗技术，它结合了超声波和声敏剂药物的作用来杀死癌细胞。SDT是一种非侵入性、靶向性强的治疗方法，通过使用低强度的聚焦超声波（通常小于10 MPa、低于10 W/cm²）激活事先注射到患者体内的声敏剂。这些声敏剂本身无毒，但在超声波的作用下被激活，产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），如单线态氧和自由基，这些物质能够破坏癌细胞的DNA、膜结构等，从而导致细胞死亡。SDT技术的优势在于它能够深入人体组织，对难以通过常规手术、化疗或放疗治疗的深部肿瘤具有显著的治疗效果。相比光动力治疗（PDT），SDT无需光源，超声波能够穿透更深的组织，因此在治疗深部肿瘤（如脑肿瘤、肝癌等）方面具有明显优势。
目前，SDT正在临床试验阶段，特别是在治疗恶性胶质母细胞瘤等侵袭性脑肿瘤中展现了良好的前景。未来，随着声敏剂的开发和技术的进步，SDT有望成为一种安全、有效的癌症治疗新手段。
本篇文章超哥主要为大家介绍利用脂质包被微气泡的声致发光（Sonoluminescence, SL）机制来增强声动力治疗（Sonodynamic Therapy, SDT）在癌症治疗中的效果，特别是治疗恶性胶质母细胞瘤。通过引入FDA批准的微气泡Lumason®和一种磷脂包裹的氧气微气泡，本文探讨了不同声压和频率下的微气泡动力学和声致发光现象。
胶质母细胞瘤治疗中声动力治疗（SDT）机制的示意图。在超声作用下，脂质包裹的微气泡振荡使血脑屏障暂时打开，促进声敏剂的穿透。声敏剂选择性地积聚在胶质母细胞瘤肿瘤细胞内。通过气泡的坍塌，产生声致发光，激发声敏剂进入单线态。在声敏剂从单线态向三线态的去激发过程中，会生成活性氧（ROS），这些活性氧会引发进一步的氧化应激，最终导致肿瘤细胞的死亡。
声动力治疗是一种非侵入性的肿瘤靶向治疗方法，主要利用低强度超声激活声敏剂，产生活性氧（ROS）以破坏肿瘤细胞。尽管该技术在治疗胶质母细胞瘤中表现出一定的疗效，但由于肿瘤微环境的复杂性，如异常血管结构和高间质压力，声动力治疗的效果受到限制。为了提高治疗效果，微气泡作为外源性声空化核被引入，并且通过脂质包被可以进一步改善治疗效率。
理论模型
文章建立了基于雷普莱塞特方程（Rayleigh-Plesset Equation, R-P）的扩展模型，用于描述脂质包裹微气泡在超声场中的动力学行为。该模型考虑了气泡内外的压力差、液体的黏性阻尼、表面张力等因素，推导出声致发光发生的临界条件，如气泡压缩系数和温度变化。
当一个初始半径为4.3微米的氙气泡置于最大压力为1.45大气压的超声场中时，模拟的气泡半径随时间的变化与之前通过光电倍增管电压推断的实验测量结果进行了比较。表面张力被设定为0.05 N/m。结果显示，在整个超声压力周期内，模拟结果与实验测量结果一致，验证了在这些条件下代码的准确性。
声致发光的临界条件
文章提出，声致发光的发生与气泡的最大压缩系数（βmin）密切相关。在对水或血液等介质中的脂质包被微气泡进行数值模拟后发现，当气泡压缩到初始体积的15%（βmin ≤ 0.15）时，气泡内部温度会急剧上升至约15000K，从而产生声致发光。这种现象主要通过气泡在超声作用下的快速膨胀和收缩实现。
在水中压缩初始半径为2.5微米的氩气泡时，声致发光（sonoluminescence）出现的预测结果描述了两个方面：(a) 最小气泡压缩系数和(b) 最高温度。先前的实验测量数据（白色和绿色数据点分别代表声致发光开始的低压和高压阈值）大多位于预测的声致发光区域内。对于最低阈值压力的异常情况，即在模拟的“无事件区域”中观察到实验声致发光事件，可能是由于基于之前实验对声致发光开始时的最低温度上升做了保守假设。图5b中的虚线白线表示美国FDA批准的机械指数（Pa/√f = 1.9）的上限，该上限在诊断成像中不得超过。
结果与讨论
通过对Lumason®微气泡和氧气微气泡在不同声压和频率条件下的模拟，结果表明氧气微气泡比Lumason®微气泡产生更强的声致发光。这主要是因为氧气的电离能低于SF6气体，导致气泡在相同条件下压缩时温度更高。此外，氧气微气泡的最小压缩系数和最大温度分别为0.1和约50000K，显著高于Lumason®微气泡的0.25和1150K。
(a) 将模拟的磷脂包裹气泡的半径与之前的模拟结果和SonoVue微气泡的实验测量结果进行了比较。模拟参数为R0 = 0.975 μm，Pa = 130 kPa，f = 2.9 MHz，脂质单层的表面弹性(χ)为1 N/m，膨胀粘度(ks)为15 × 10⁻⁹ Pa.m.s。我们的模拟与之前的模拟结果一致，但与基于气泡时间推移图像的实验测量结果相比，匹配度略低。(b) 将模拟的磷脂包裹气泡的半径与之前的模拟结果进行了比较。模拟参数为R0 = 1.2 μm，Pa = 200 kPa，f = 0.5 MHz，脂质单层的表面弹性为0.09 N/m，膨胀粘度为4 × 10⁻¹⁰ Pa.m.s。
在模拟声动力治疗过程中，低频率和高声压下的声致发光效应更为明显，特别是在20 kHz至1 MHz的超声频率范围内，氧气微气泡表现出更强的声化学反应，有望提高治疗效率。此外，文章还构建了声致发光发生的声压和频率范围图，提供了不同微气泡类型的最佳超声参数，帮助优化治疗方案。
生理条件下的微气泡动力学
文章进一步探讨了不同生理条件下微气泡的行为。模拟结果显示，在体外培养基和血液中，氧气微气泡的声致发光阈值较水中的稍高，但对治疗效果的影响不大。血液中微气泡的声致发光阈值比水中高出约1.29倍，主要是由于血液较高的黏度和密度增加了气泡的惯性和黏性阻力。
结论
本研究通过数值模拟声致发光现象，为脂质包裹微气泡在声动力治疗中的应用提供了理论基础。模拟结果表明，氧气微气泡在相同超声条件下产生更强的声致发光，能够显著提高声动力治疗的效果，特别是用于治疗恶性胶质母细胞瘤。此外，本文还提出了不同声压和频率下微气泡的最佳工作条件，为临床应用提供了指导。
参考文献
Datta, Priyankan, Sreejesh Moolayadukkam, Rakesh Prasad Sahu, Ranjan Ganguly, Swarnendu Sen, and Ishwar K. Puri. "Deciphering the hydrodynamics of lipid-coated microbubble sonoluminescence for sonodynamic therapy." Ultrasonics Sonochemistry (2024): 107090.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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