绵羊低强度扫描式超声（SUS）方案的多维度安全性评估

《Ultrasound in Medicine & Biology》：Multidimensional Safety Assessment of a Low-Intensity Scanning Ultrasound (SUS) Protocol in Sheep

低强度聚焦超声（FUS）介导的神经调控作为一种新兴的治疗 modality，在临床前阿尔茨海默病（AD）小鼠模型中已显示出改善认知功能的潜力，且无需清除淀粉样蛋白沉积。然而，鉴于小鼠与人类在大脑尺度及结构复杂性方面存在显著差异，研究人员采用绵羊作为大动物模型，评估一种新型研究型设备——UltraTheraPilot系统的安全性，以期为后续临床试验提供必要依据。

本研究基于前期小鼠功能评估结果，采用图像引导神经导航（IGN）技术，以峰值负声压（PNP）2.6 MPa对四只绵羊进行扫描式超声（SUS）治疗。其中三只绵羊（#N1–3）接受非复苏性手术，治疗后进行组织学评估；另一只绵羊（#R1）接受五次重复治疗，间隔2–4周，总历时12周，通过磁共振成像（MRI）及行为学观察评估长期安全性。

研究结果显示，共计完成631次声脉冲发射，每只绵羊治疗点多达50个。伊文思蓝（Evans blue）渗出试验以及苏木精-伊红（H&E）染色、钒酸品红-甲苯胺蓝（VAF-TOLB）染色均未发现组织损伤或非预期血脑屏障（BBB）开放的证据（因未使用微泡）。绵羊#R1重复治疗期间，术后行为学观察确认其运动功能正常，无疼痛或应激表现。MRI检查未发现SUS引起的解剖结构异常、BBB开放、微出血或水肿征象，与组织学观察结果一致。声脉冲发射后颅骨内表面出现轻度升温，但未检测到颅骨或头皮组织损伤。

综上所述，SUS治疗后脑组织的急性及长期安全性评估结果支持将其转化应用于人体研究。

## 一、研究背景与意义

阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，以认知功能衰退为主要特征，目前缺乏有效的疾病修饰治疗手段。低强度聚焦超声（FUS）介导的神经调控作为新兴的治疗 modality，已进入临床试验阶段。在AD治疗领域，现有的超声治疗方案可分为三类：单点刺激模式、大范围皮层扫掠模式，以及本研究团队采用的步进式扫描模式（SUS）。该团队前期在衰老及淀粉样蛋白沉积AD小鼠模型中的研究证实，SUS治疗可改善认知功能，且无需清除淀粉样蛋白。

然而，小鼠与人类在大脑尺度、颅骨厚度及结构复杂性方面存在显著差异，直接将小鼠研究结果推向临床存在安全性风险。因此，在开展人体试验前，有必要在大动物模型中验证SUS方案的安全性。绵羊因其大脑结构复杂性与人类具有一定相似性，且颅骨厚度适中，成为理想的大动物模型选择。本研究旨在利用绵羊模型，对新型UltraTheraPilot系统进行多维度的安全性评估，为后续首次人体安全性研究提供关键的前期数据支持。

## 二、主要技术方法

本研究采用图像引导神经导航（IGN）技术，结合CT扫描进行SUS治疗规划与实施。MRI序列包括T1、T2、SWI、FLAIR及VIBE（辅以钆喷酸葡胺静脉注射，剂量0.1 mmol/kg），用于动态监测BBB完整性及脑组织结构变化。行为学评估采用改良格拉斯哥昏迷量表（MGCS）及项目特异性疼痛监测表。组织学分析涵盖H&E染色（评估出血）及VAF-TOLB染色（评估神经退行性变），伊文思蓝荧光成像用于BBB完整性检测。颅骨升温检测采用T型热电偶测量系统，于离体脱气绵羊颅骨内进行。

## 三、研究结果

**超声参数转化与治疗方案设计**

研究人员将前期小鼠SUS参数调整适配于绵羊模型：频率由1 MHz降至286 kHz以应对绵羊颅骨衰减；自由场PNP由0.7 MPa提升至2.6 MPa，以在绵羊脑内产生与小鼠相当的声辐射力。经测算，绵羊颅骨衰减率为64%±5.8%，预计递送至脑内的降级PNP为0.9±0.05 MPa（最大1.04 MPa）。脉冲长度10 ms、脉冲重复频率10 Hz、单次声脉冲发射时长6 s等参数维持不变。空间峰值脉冲平均强度（I_sppa）为37.5 W/cm²，机械指数（MI）为1.95。

四只绵羊的治疗方案各有侧重：绵羊#N1接受50个位点、每点单次6 s的扫描式声脉冲发射；绵羊#N2接受50个位点、每点连续三次6 s的延长声脉冲发射；绵羊#N3接受左侧半球27个位点的分区多次扫描；绵羊#R1则接受五个疗程、每疗程35个位点双次扫描的重复治疗，疗程间隔2–4周。

**脑组织安全性分析**

宏观检视所有绵羊脑切片未见异常。绵羊#N3仅左侧半球接受治疗，双侧对比未见差异。荧光成像未检测到任何绵羊的伊文思蓝渗出，表明BBB完整性未受影响。从三只非复苏组绵羊中取材的30个组织块H&E染色 staining 未发现治疗区或未治疗区的出血灶。VAF-TOLB染色显示，绵羊#N1和#N2未检出酸性神经元（提示坏死），而绵羊#N3多数切片中可见少量酸性神经元，但其同时存在于治疗区与未治疗区，且其他绵羊未见此现象，推测与较长死后延迟时间相关，而非SUS所致。

MRI评估显示，绵羊#R1 throughout five treatments未见脑组织结构性改变。SWI未见低信号灶，FLAIR及T1对比增强序列未见高信号或对比增强，T1及T2序列未见形态学异常。对于因颅骨曲率可能受到多次声脉冲发射累加的腹侧脑区，组织学检查亦未见结构或组织损伤证据。

**行为学监测**

绵羊#R1五次治疗后复苏，行为学监测显示：术前健康评估评分正常，术后检查单未见异常或疼痛征象，疼痛相关行为监测表未见疼痛表现，MGCS评分均为18分（满分），表明重复SUS治疗未引起行为学异常。

**皮肤与颅骨安全性分析**

针对低频超声可能引起颅骨升温的问题，研究人员在离体脱气绵羊颅骨内进行热电偶测量。结果显示，6 s声脉冲发射结束后，轴心位点温度继续上升，于12 s时达峰值升高2.3°C，随后逐渐下降；离轴位点峰值温度随距离增加而降低。升温延迟现象提示热源位于颅骨内部。值得注意的是，前期小鼠研究中使用1 MHz换能器配合脑组织模拟物，发现脑组织升温仅为颅骨的1/5，该结论获人与灵长类脑声脉冲发射模拟研究支持。

组织学方面，绵羊#N3治疗区与未治疗区各4处颅骨标本H&E染色均未见骨细胞核缺失（提示热损伤）。绵羊#R1治疗区与未治疗区各4处皮肤标本亦未见组织消融、凝固或空泡化等形态学改变。

综合组织学、MRI及行为学监测结果，四只SUS治疗绵羊均未发现脑组织不良效应。伊文思蓝荧光成像证实，单纯超声（SUS，无微泡辅助）未引起非预期BBB开放。

## 四、讨论与结论

本研究通过对大面积脑组织接受SUS治疗后的多维度分析，确认了总体安全性。在所有测试条件下，组织学、MRI及行为学监测均未提出安全性顾虑。尽管本研究未进行分子及神经炎症分析，但结合其他大动物研究（包括绵羊研究）及临床试验数据，研究人员得出结论：低强度超声可安全递送至脑复杂性相当于绵羊水平的动物物种。

需要特别指出的是，本研究中经颅MI估计平均为1.7，最大达1.95，略高于ITRUSST共识阈值1.9（该阈值已包含安全系数）。然而，基于组织学、MRI及行为学读数，接受SUS治疗的绵羊未显示安全性问题。研究人员同时强调，更高水平参数仍需谨慎对待，因存在潜在的空化损伤风险。

本研究建立的安全性数据验证了按照ISO 13485标准设计开发的UltraTheraPilot系统，为其获得临床研究监管批准铺平道路。该系统已部署于AD患者的先导性安全性和耐受性研究，该研究采用本研究在绵羊中确立的SUS参数安全范围，即每点单次6 s声脉冲发射。值得关注的是，人体研究中2.6 MPa的自由场PNP未能被耐受，因此后续试验采用降低25%的1.95 MPa PNP。

研究结论指出：尽管样本量较小，本研究在大动物绵羊模型中的结果，进一步丰富了超声介导神经调控安全性的现有文献体系，为SUS技术的临床转化提供了重要的前期安全性证据。