基于超声透明颅骨植入体的绵羊血脑屏障开放可行性研究：一种新型脑部药物递送策略

《Scientific Reports》：Feasibility of ultrasound-mediated blood–brain barrier opening in sheep using sonolucent cranial implants

本研究针对脑部疾病治疗中药物难以透过血脑屏障(BBB)的难题，探讨了通过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)超声透明颅骨植入体结合聚焦超声与微泡(FUS+MB)技术实现靶向开放血脑屏障的可行性。研究人员通过k-Wave模拟和体外衰减测量优化植入体尺寸，在绵羊模型中成功实现了Evans blue模型药物的脑部递送，发现BBB开放发生在395-601 kPa峰值负压(PNP)范围内，且PNP与宽带(BB)和谐波(HH)发射信号呈正相关。该研究为颅骨成形术辅助FUS+MB药物递送提供了重要 preclinical 证据，特别适用于需要开颅手术和影像学监测的疾病如胶质母细胞瘤。

　　

人脑的神秘面纱一直阻碍着神经系统疾病的治疗进展，血脑屏障(BBB)这道天然防线虽然保护了大脑免受有害物质侵害，却也成为药物递送的主要障碍。神经退行性疾病和脑肿瘤等中枢神经系统疾病治疗面临巨大挑战，因为约98%的小分子药物和几乎所有大分子生物制剂都无法有效通过血脑屏障。

聚焦超声(FUS)结合微泡(MBs)技术为这一难题提供了创新解决方案。这种非侵入性方法能够瞬时开放血脑屏障，允许治疗药物进入脑组织。然而，人类颅骨对超声波的高度衰减和个体差异性使得准确预测颅内声压变得异常困难，这严重限制了该技术的临床应用。

发表在《Scientific Reports》的这项研究中，Jae Song等研究人员提出了一种创新方法：使用超声透明颅骨植入体来改善FUS+MB技术的精准度和可重复性。团队假设采用声学均匀的低衰减颅骨植入体，可以在不需要复杂颅骨模拟的情况下，在多处超声照射点实现均匀的预期原位声压输送。

研究团队首先通过k-Wave模拟和体外实验确定了植入体的最佳特性。他们比较了自制PMMA植入体和商业化的ClearFit?植入体(由Longeviti Neuro Solutions生产)，这两种植入体都采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，具有声学透明特性。k-Wave模拟显示，植入体直径至少需要30毫米，且超声焦点应距离植入体边界15毫米以上，以避免边缘效应。

在水槽测试中，研究人员发现自制3毫米厚PMMA植入体在500 kHz频率下的传输衰减为52.5±6.0%，而4毫米厚的ClearFit?植入体衰减仅为14.4±3.0%。检测衰减测量显示，两种植入体在0.5-4 MHz频率范围内的衰减值相似(自制15-32%，ClearFit? 11-36%)。体外空化检测实验证实，通过植入体可以成功检测到微泡的宽带(BB)和谐波(HH)发射信号。

关键技术方法

研究采用三只美利奴杂交绵羊，通过开颅手术植入PMMA或ClearFit?植入体。使用Brainsight TMS神经导航系统进行CT引导的治疗规划，采用500 kHz聚焦超声 transducer，配合静脉注射Definity?微泡。通过系统注射Evans blue模型药物可视化BBB开放情况，采用被动空化检测(PCD)监测宽带和谐波发射，最后通过LI-COR Odyssey成像系统和H&E染色评估BBB开放效果和组织损伤。

BBB在绵羊中通过PMMA植入体开放

在三只绵羊体内进行的颅骨成形术实验中，研究人员成功实现了靶向血脑屏障开放。绵羊#1使用3毫米厚自制PMMA植入体，在395和507 kPa峰值负压(PNP)下实现了Evans blue的脑部积聚，而278 kPa条件下未见开放。绵羊#2和#3使用4毫米厚ClearFit?植入体，在425 kPa(绵羊#2)以及507和601 kPa(绵羊#3)条件下均实现了成功的BBB开放。

PCD响应与BBB开放的相关性

被动空化检测显示，宽带(BB)和谐波(HH)发射强度与应用的峰值负压呈正相关。在278 kPa时即可检测到明显的BB发射(超过基线10 dB以上)，而BBB开放仅在395 kPa及以上压力下发生。这一发现对传统认为稳定空化是BBB开放机制的观点提出了挑战，提示惯性空化或稳定-惯性空化可能是主要的机制。

组织学分析显示安全性

H&E染色分析显示，在较高声压(507和601 kPa)下可观察到少量红细胞外渗，但大多数红细胞仍包含在血管腔内，未见明显脑实质损伤。宠物点计数与应用的PNP呈正相关，在601 kPa时最高(平均100±36.9个)，但仍属于低级别微出血(1-2级)。

研究结论与意义

本研究首次在大型动物模型(绵羊)中证实了通过声学透明颅骨植入体实现FUS+MB介导的BBB开放的可行性。研究结果表明，使用具有均匀声学特性的植入体可以简化治疗流程，无需复杂的颅骨基模拟即可实现可预测的BBB开放。

k-Wave模拟为植入体尺寸选择和超声焦点定位提供了重要指导，而水槽测量则准确量化了植入体引起的声衰减。研究发现BBB开放阈值在278-395 kPa之间，对应的机械指数(MI)为0.39-0.56，这一发现为临床参数优化提供了重要参考。

特别值得关注的是，PCD监测显示在低于BBB开放阈值的声压下即可检测到明显的空化信号，这表明PCD可以作为治疗监测的有效工具。研究还发现，基于PMMA的植入体在慢性植入中表现出良好的生物相容性和声学稳定性，为临床转化奠定了基础。

该技术的临床意义尤为突出，特别是对于胶质母细胞瘤等需要开颅手术且需持续影像学监测的疾病。颅骨成形术与FUS+MB的结合，不仅为药物递送提供了可靠途径，还为术后治疗监测创造了条件。随着超声透明植入体在临床的逐步应用，这种联合策略有望为脑部疾病治疗开辟新的方向。

研究的局限性包括急性实验设计而非慢性植入，以及绵羊颅骨形态与人类的差异。然而，这些初步结果为未来临床研究奠定了坚实基础，预示着声学透明颅骨植入体可能在神经疾病治疗领域发挥重要作用。