低强度聚焦超声生物物理机制

超声波是一种自然现象；声音频率高达约20 kHz 。多种动物物种利用超声波与幼崽进行交流、探测猎物、躲避捕食者以及导航。人造超声波源于19世纪居里兄弟发现的压电性，即对某些材料如石英施加压力产生电势，反之亦然。一战期间，声纳需求推动了超声技术的发展。超声波对生物体影响的研究始于1927年，发现其对鱼和青蛙等低等生物致命。1928年，超声波对神经组织影响的首次研究显示，其无法刺激青蛙坐骨神经。20世纪50年代，FUS对神经系统的影响被深入研究，包括FUS抑制小龙虾腹神经索和青蛙脊髓神经放电，以及降低猫外侧膝状核超声处理后的视觉诱发电位振幅。

超声波（>20 kHz）是日常诊断和治疗的常用方法，具有非侵入性、实时性和低成本。它从安全的诊断工具发展为成本效益的治疗工具，最初用于热消融，现在应用于短暂打开BBB/BTB，利于用药。LIFU在多个研究领域备受关注。神经学中，LIUS抑制脑水肿，降低AQP4水平，显示治疗潜力。纳米医学通过蒸发荧光甲烷和声学液滴蒸发效应治疗脆弱斑块和溶栓。肿瘤治疗中，LIFU破坏微管以排毒，声动力疗法结合化疗剂成为癌症治疗新选择。干细胞研究显示，LIPU促进干细胞扩增、分化和迁移，并激活神经干细胞促进神经发生。LIPU还影响器官、组织和细胞生物学效应，应用于骨折愈合、软骨修复、牙周组织再生等。经颅FUS抑制脑电活动，结合TLYP-1-10-HCPT-PFP NP增强肿瘤超声分子成像。LIFU安全无创地介导BBB开口，并调节神经元活性和神经网络振荡。在某些条件下，LIFU可逆地改变BBB渗透性，为药物、抗体、纳米颗粒等提供输送途径。然而，LIFU通过BBB进行PD治疗的非侵入性靶向药物递送的临床证据尚不足。

超声对啮齿动物、猴子和人类有效，可能为不适合常规PD治疗的患者提供非侵入性手术。Lee等（2016）证实高剂量超声刺激人类V1位点的安全性和准确性。唐斯等使用FUS在灵长类动物中打开BBG，监测安全性，未发现出血，水肿可逆。LIFU破坏BBG时，无明显凋亡或缺血，仅轻度炎症。长期安全研究仍需进行。FUS非侵入性但受头骨影响，不同患者能量效率差异大。声学参数影响生物学效应，对超声刺激机制和最佳参数了解有限，LIFU治疗PD参数多样无统一标准。

二、 聚焦超声

超声波（US）产生具有波长、振幅和频率的声波。US频率范围宽，从100 kHz至100 MHz，频率增加提高空间精度。非聚焦US用于成像，频率2-15 MHz；聚焦超声（FUS）用于神经调节，通常<2 MHz。 高强度FUS（HIFU）用于组织消融，低强度FUS（LIFU）用于临时神经调节。

低强度聚焦超声一般原则。(A)

典型 LIFU 实验装置的描述。参与者 (2) 坐下，用手臂 (3) 将美国设备 (5) 牢牢压在其头部上。美国设备由计算机系统 (4) 控制，并使用红外系统 (1) 进行瞄准。

(B)描述超声刺激中使用的机械波特性（振幅、波长和频率）。(C)机械波的空间强度。(D)机械波的时间强度。（五）

两种示例性脉动方案：脉冲（黄色）和连续（青色）。两种脉冲方案都具有可定制的超声处理持续时间和内部刺激间隔，其中 DC 参数（即突发音持续时间与脉冲重复周期的比率）确定脉冲方案。Dell'Italia J, Sanguinetti JL, Monti MM, Bystritsky A, Reggente N. Current State of Potential Mechanisms Supporting Low Intensity Focused Ultrasound for Neuromodulation. Front Hum Neurosci. 2022 Apr 25;16:872639. doi: 10.3389/fnhum.2022.872639. PMID: 35547195; PMCID: PMC9081930.

（一）参数

HIFU和LIFU利用换能器将机械能声波传递至目标区域（图1A）。传感器将交流电转换为压力波，受波发生器控制，该发生器具有影响刺激效果的超声参数：中心频率[fc]、持续时间(SD)、间隔(ISI)、突发持续时间(TBD)、重复周期(PRP)、重复频率(PRF)和占空比(DC)。

SD代表FUS声波总时长，ISI为两次SD间的间隔。SD由TBD（脉冲持续时间）和PRP（脉冲重复周期）决定，PRP是PRF（每秒脉冲数）的倒数。DC是TBD与PRP的比率，表示声波传递中超声波持续时间的百分比，决定了脉冲或连续脉冲方案。强度根据时间平均（I TA；PRP的时间平均值）和/或脉冲平均值（I PA；TBD间的脉冲平均值）计算，并在刺激焦点处的空间峰值变化。强度是通过水听器测量液体中的机械压力并转换为声压值，或通过脉冲强度积分（W/cm²）转换为强度。

（二）、HIFU 海扶刀与LIFU 力扶刀

高强度聚焦超声（HIFU 海扶刀）与低强度聚焦超声（LIFU 力扶刀）

聚焦超声（FUS）分为高强度（HIFU）和低强度（LIFU），通过凹面换能器、透镜或相控阵将电信号转换的超声波聚焦到小而精确的组织体积。表1比较了LIFU和HIFU的特点。LIFU和HIFU均在3D空间传递能量，但LIFU使用低能量脉冲波（非连续）集中于微泡（MBS），暂时破坏BBB/BTB，而HIFU产生热效应以破坏组织。LIFU可使用多种药物，与连续FUS相比，间歇性FUS对BBB/BTB破坏更大。LIFU+MB无创、精确、可逆、可重复、可控，适用于深层和浅表病变。LIFU+MB的主要优点在于其在克服BBB方面的潜力，尤其是在胶质母细胞瘤治疗中。这项技术有望替代现有程序，实现更均匀的治疗剂分布，并在关键区域如脑干提供治疗。

聚焦超声在医学领域得到应用，尤其是经颅FUS。基于强度，可以将经颅FUS分为高强度聚焦超声（HIFU 海扶刀）和低强度聚焦超声（LIFU 力扶刀）。前者是指大于200 W/cm²的强度的使用，而后者通常是指强度小于100 W/cm 2。

通常，“低强度”被认为是超声强度的幅度，该强度类似于或低于美国诊断检查中常用的强度。许多文章将此技术称为低强度脉冲超声（LIPU 力普刀），LIPU穿透动物头骨，聚焦大脑特定区域，非聚焦型用于体外实验。LIFU空间分辨率毫米级，能穿透完整头骨靶向深层结构，适用于抑郁症、脑缺血溶栓、阿尔茨海默病和脑肿瘤研究。与HIFU相比，LIFU短期影响可逆，无不良事件。

二、基本参数

力学指标

最常用的超声参数是声强、基频 (FF)、脉冲重复频率 (PRF)、占空比 (DC)、持续时间 (TBD) 和刺激持续时间 (SD)。FUS 波形有两个关键变量：频率（每秒周期数，以 Hz 为单位测量）和压力幅度（以 Pa 为单位测量）。FUS周期的压力在正压和负压间波动，负压可导致流体介质中气体溶解产生微米级空化气泡。这些气泡振荡并可能破裂，造成机械应力和局部加热。空化程度随峰值负压增加而增加，频率降低而减少，由机械指数（MI）衡量。FDA规定诊断应用的MI应≤1.9。

聚焦超声通过调整脉冲重复频率（PRF，单位Hz）和脉冲持续时间（PD）来降低快速加热风险。PRF乘以PD得到超声活跃时间占总时间的百分比，即占空比。

美国食品药品监督管理局以及其他监管机构清楚地确定了暴露于超声波的条件以确保安全。如下所示：http：//www.fda.gov/media/71100/download

（1）热指数（Ti）通常应保持在6.0以下。

（2）机械指数（MI）不得超过1.9。

（3）I_SPTA的最大极限应低于720 mW/cm²，I_SPPA应低于190 mW/cm²。

1.声强

聚焦超声声强三种主要类型，即空间峰值脉冲平均强度（I_SPPA），空间峰值时间平均强度（I_SPTA）和空间平均时间平均强度（I_SATA）。.I_SPTA是通过超声输送到组织的最佳量度。 参数选择影响FUS生物效应。高频率和长辐射周期增加组织加热，空化随压力增加而增加，频率增加面减少。热和机械应力对组织有直接和间接影响。

（1）空间峰值脉冲平均强度（I_SPPA）

超声波强度是衡量组织接收能量的指标。聚焦超声声强研究常用指标为空间峰值脉冲平均强度（ISPPA），代表焦点内峰值压力处单个脉冲的平均强度。I _SPPA因组织类型而异，具体取决于目标组织中的声速和组织密度。声波在人体组织中的传播速度约为 1,500 m/s；组织密度约为1.06 g/cm³。FDA 允许的非眼科诊断应用I _SPPA≤190 W/cm ².

（1）空间峰值时间平均强度（I_SPTA）

空间峰值时间平均强度（I _SPTA），即脉冲重复期的平均强度。

I _SPTA= I_SPPA× 占空比，高I _SPTA导致更多组织加热。

FDA批准的I_SPTA上限因组织类型而异，从外周血管应用的720 mW/cm²到头侧（成人和胎儿）应用的94 mW/cm²。

2.FF：基本频率:0.5 MHz~2 MHz

3.PRF：脉冲重复频率:10 Hz~1 kHz

4.DC：占空比:1~20%

5.TBD：激励持续时间:1 ms

6.SD：刺激持续时间： 50 ms~6 s

7.ISI：刺激间隔 ：1s

8. TST：总刺激时间:20~120秒,5分种

三、低强度聚焦超声的生物物理机制

关于LIFU的生物物理机制存在争议，主要涉及热效应、空化和机械效应三种可能方式。与HIFU不同，LIFU的神经调节效应仅导致轻微温度升高（<0.1℃），而达罗等人发现LIFU主要通过可逆抑制SSEP实现神经抑制，这与超声波强度相关。进一步研究表明，LIFU作用涉及机械搅拌，激活中枢神经系统中的机械敏感通道，影响离子通道构象活性和动作电位及突触囊泡释放。细胞膜吸收超声机械能转化为细胞内收缩膨胀，即声气水效应。沃尔等研究表明空化非主要原因，而是暂时打开BBB。LIFU的生物物理机制复杂且可能相互作用。

应用LIFU+MB技术后，BBB/BTB破坏机制仍需探讨。MBs在血管中循环至特定区域时，因高压气体的可压缩性而表现出扩张、收缩和振荡行为，即声空化。空化分为稳定和惯性两种，MBs在低超声压力下振荡稳定，高压力下则不稳定，产生冲击波和机械热应力。机械指数（MI）和空化指数（CI）衡量空穴对BBB/BTB的影响，与破坏程度相关。

LIFU和微泡（MB）组合促进靶向药物递送，主要通过细胞内和细胞外途径。细胞间途径中，磺胺B和若丹明B己基酯显示其用于角质层渗透。FUS激活下，1-4μm的MBS在低压下稳定空化，产生流体剪切力和圆周应力，扩大内皮细胞间紧密连接，增加内皮细胞毛孔，触发吞噬作用。LFU和MB联合刺激上调小窝蛋白表达，激活运输过程，打开4-6小时的窗口期。微流体和剪切应力促进液相内吞作用，MBS机械力改变细胞膜张力，刺激机械传感器调节内吞作用。USMB组合后，化合物旁路扩散增加。在体外Transwell模型中，USMB使抗CXCR4纳米体的细胞渗透性翻倍。可能的机制包括紧密连接蛋白下调或内皮细胞壁损伤，促进跨细胞运输通过BBB。LIFU和MBS联合应用为PD治疗提供新途径，但机制尚不明确。因此，控制LIFU在空化状态下激发MB的能量至关重要。

表 3. LIFU 介导的 BBB/BTB 破坏所涉及的机制

• EC 面临的压力
• 脑血管舒张
• EC温度升高
• 开设 TJ
• EC 中蛋白质表达的改变
• 跨内皮开窗的增加
• 增加小凹的形成
• TJ 整合粘附分子（claudin-1、claudin-5、occludin 和 ZO-1）的调节
• NVU 释放 α2-巨球蛋白
• P-糖蛋白（药物外排转运蛋白）减少

LIFU作为一种新兴干预手段，能够通过热效应、空化和机械作用实现神经调节，降低氧化应激，并促进神经再生修复。MRI引导的FUS确保了治疗的安全性，通过调整超声参数和微泡（MB）的大小及剂量，可以精确控制血脑屏障（BBB）的开放，实现药物或基因载体的精准递送。LIFU技术为PD新疗法提供理论支持，相较于传统治疗，在靶向性、安全性和疗效上有优势，也适用于其他神经退行性疾病。但存在挑战：1) 低频压电换能器激励体积有限，限制了穿戴设备应用；2) 头骨对超声能量的削弱导致能量效率差异；3) LIFU打开BBB可能引起脑组织损伤和炎症。新型光声换能器和3D打印技术有助于解决这些问题。

聚焦超声（FUS）对神经元的热效应可能具有多模式特性，影响神经调节的方向和程度。这些影响依赖于膜电容、离子通道电导和膜电位变化的复杂相互作用，可能互补或相反，并可能受到其他调节因素的影响，如神经元基因表达变化（由Ca2+流入引起），这是FUS已知的生物效应。水蛭模型是研究FUS生物效应的关键，其大型神经元便于电生理研究。DE-3和Retzius神经元的放电特性有助于分析FUS对自然和诱发活动的影响。水蛭神经元的离子电导文献有助于预测技术机制。我们特别评估了FUS对运动神经元的影响，这些神经元不表达规范机械转导离子通道，可能更代表其他非感官细胞类型。

在临床应用中，由于离子通道在轴突和神经元体中的表达和分布差异，单一FUS疗法难以调节所有神经元活性。响应受周围结缔组织类型影响，影响热扩散速率（Wells等，2007）。神经胶质可能显著影响热诱导神经调节的类型和持续时间，尤其是在抑制性情况下。星形胶质细胞的钾摄取率影响细胞外钾浓度升高程度，对皮质FUS应用尤为重要，因为急剧增加可能引起扩散性抑郁，与偏头痛等疾病相关。

热对神经系统的影响复杂，但其反应模式可用于指导热FUS神经调节疗法的设计，以产生兴奋或抑制反应。在2-4.5°C的温度范围内，FUS参数可促进兴奋反应，可能由热敏感觉结构激活或离子通道动力学的增加驱动。细FUS病灶可能通过局部超极化钾电流抑制神经元。调整FUS参数以模仿INS的时间梯度可实现更精细的焦点激发。FUS作为双模式神经调节技术具有巨大潜力，未来研究应探索机械和热效应的相互作用。

关于LIFU，需长期纵向研究以确保安全，重点检查强度、频率、SD和DC等参数。在临床开发中，程序化和标准化的超声范式及个性化治疗策略将是研究重点。/作者：医学镜界