超声介导血脑屏障开放中微泡空化效应的表征及其在AAV基因递送中的治疗诊断应用

本研究针对血脑屏障（BBB）阻碍中枢神经系统疾病治疗的难题，创新性地采用治疗诊断超声（ThUS）技术，系统表征了微泡（MB）空化效应在BBB开放（BBBO）及腺相关病毒（AAV）基因递送中的作用机制。通过流场模型和小鼠实验，首次揭示短脉冲序列下MB空化以瞬态为主，且脉冲长度与MB坍塌程度正相关，同时优化了AAV血清型（AAV9效率最高）和给药参数。该研究为无创脑靶向基因治疗提供了关键理论依据和技术支撑，发表于《Journal of Controlled Release》。

　　

中枢神经系统疾病的治疗长期受限于血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）的严格选择性通透特性。这道由紧密连接内皮细胞构成的生理屏障，仅允许分子量小于400 Da的物质通过，导致超过98%的小分子药物和几乎所有大分子治疗剂（如基因治疗载体）无法进入脑实质。传统解决方案如开颅注射或渗透压破坏法存在创伤大、靶向性差等缺陷。聚焦超声（Focused Ultrasound, FUS）联合微泡（Microbubble, MB）的非侵入性BBB开放技术虽展现出潜力，但其核心机制——MB空化行为的精确调控仍存在关键科学问题：超短脉冲序列下MB空化类型如何界定？不同参数如何影响基因递送效率？

针对这些挑战，国外研究团队在《Journal of Controlled Release》发表重要成果。研究采用治疗诊断超声（Theranostic Ultrasound, ThUS）系统，通过改造的相控阵探头（P4-1, 1.5 MHz）实现发射-接收一体化功能。关键技术包括：1）流场模型中采用被动空化检测器（Passive Cavitation Detector, PCD）量化不同脉冲长度（1.5-20周期）下的MB谐波/宽带信号；2）电子束转向实现小鼠双侧脑区差异参数处理（左1.5周期/右10周期）；3）多组对照实验评估MB粒径（3-5 μm最优）、AAV血清型（AAV9>AAV5>AAV2）及注射剂量对转基因表达的影响。

ThUS pulses induce harmonic and broadband cavitation
流场实验发现：10/20周期长脉冲在频域呈现显著谐波峰，而1.5周期短脉冲则表现为宽带信号优势。时域分析却显示长脉冲诱导更高MB坍塌率，揭示传统频域分类法在短脉冲场景的局限性。

MB size distribution affects cavitation dose and BBBO volume
体内实验证实：3-5 μm MB组产生最大空化剂量（Cavitation Dose, CD）和BBBO体积，但按气体体积归一化后差异不显著，提示MB数量而非单泡尺寸起主导作用。

Burst sequence parameters modulate MB replenishment
短脉冲（1.5周期）与高爆发重复频率（Burst Repetition Frequency）组合显著提升MB补充效率，使BBBO体积扩大1.8倍，AAV转导效率提高2.3倍。

AAV serotype determines transduction efficiency
系统性比较显示：AAV9脑部转导效率较AAV2/5高40%，但伴随肝脏蓄积风险；剂量递增实验证实转基因表达与注射剂量正相关。

该研究首次阐明ThUS-BBBO以瞬态空化（Transient Cavitation）为主导机制，颠覆了传统FUS中"谐波信号=稳定空化"的认知框架。通过建立脉冲长度-MB坍塌-基因递送的量化关系，为临床转化提供了精确参数窗口：1.5 MHz下1.5周期脉冲配合3-5 μm MB可实现高效安全递送。特别值得注意的是，研究者发现AAV血清型选择比物理参数对最终表达效率的影响更大，这对基因治疗临床方案设计具有指导价值。这些发现不仅推动了超声介导递送技术的标准化进程，也为神经退行性疾病、脑肿瘤等需长期基因干预的病症开辟了新路径。