声空化治疗胰腺癌：研究进展、临床应用与未来展望

《iScience》：Sonocavitation therapy for pancreatic cancer: Research progress, clinical application and future perspectives

　　

胰腺癌（PC）仍是最致命的恶性肿瘤之一，其特征为致密纤维增生性基质、免疫抑制性微环境以及对常规疗法反应不佳。基于超声微泡（USMB）技术的声空化治疗，已成为一种潜在策略，用于改善瘤内药物递送、重塑肿瘤微环境（TME），并增强化疗、免疫治疗、基因治疗及放疗的疗效。其拟议机制包括声穿孔效应、级联空化、血管正常化以及基质的机械-声学重塑。早期临床研究表明，USMB辅助化疗具有可行性，并可能改善疾病控制，但现有证据仍具有异质性，且主要基于小样本、单中心或早期阶段研究。临床转化的主要障碍包括声学参数缺乏标准化、微泡与共给药药物之间的药代动力学不匹配、临床前模型对人类疾病表征不完整，以及长期安全性数据有限。未来工作应优先推进标准化声学剂量、生物标志物引导的患者筛选、临床实用制剂、严格的药代动力学和生物分布研究，以及具有充分检验效能的随机试验。本综述总结了声空化治疗在胰腺癌中的机制依据、临床前证据及临床进展，并概述了其临床转化的优先事项。

声空化治疗胰腺癌：研究进展、临床应用与未来展望——论文深度解读

一、研究背景与问题

胰腺癌，尤其是胰腺导管腺癌（PDAC），是最具侵袭性的胃肠道恶性肿瘤之一，全球疾病负担持续上升。2023年美国预计新增约64,050例新发病例和50,550例死亡，位居癌症相关死亡原因的第三位。中国胰腺癌发病率亦呈显著上升趋势，总体5年生存率仅为约8.5%。胰腺癌高死亡率的首要原因是早期诊断极度困难，约80%的患者确诊时已处于局部晚期或转移期，失去手术根治机会。即便是接受根治性手术的早期患者，约60%–80%仍会复发，其中70%在一年内进展为转移性疾病。目前临床指南推荐以吉西他滨或氟尿嘧啶类药物为基础的全身化疗方案，但由于肿瘤微环境（TME）形成的机械屏障，实现瘤内有效治疗药物浓度仍是重大挑战。免疫治疗在大多数胰腺癌患者中单药疗效低下（缓解率<5%），主要归因于高度免疫抑制的TME。胰腺癌的治疗困境源于其独特的肿瘤生物学特性：致密的基质屏障阻碍药物渗透；高度遗传异质性（KRAS突变存在于83.2%的患者，常伴有TP53、CDKN2A等共突变）使靶向药物开发复杂化；深度免疫抑制的TME介导免疫逃逸。这些特征凸显了对能够改善肿瘤选择性递送并整合局部治疗效果与全身抗肿瘤免疫的策略的迫切需要。

二、研究内容与结论

基于空化效应，超声微泡（USMB）技术利用气体核心微泡（直径0.5–10 μm，具有脂质、聚合物或白蛋白外壳）及其对低频超声场的动态响应实现治疗功能，形成了声空化治疗这一理论上成熟且临床可行的疗法。具体而言，微泡在低频超声（通常1–3 MHz）下振荡，在低压相膨胀、高压相压缩，最终发生惯性空化和崩塌，释放能量产生局部高压（>1000 atm）、高温（>5000 K）和微射流，能够瞬时破坏血管内皮或细胞膜结构，可逆地打开生理屏障。对细胞而言，空化能量诱导细胞膜上形成瞬时、可逆的孔隙（持续数分钟至数小时），即声穿孔效应，显著增强膜通透性并促进药物/基因的胞内转运。此外，惯性空化释放的高温高压可导致周围介质产生自由基，在水环境中产生活性氧（ROS），通过氧化应激调节TME。因此，声空化治疗不仅有望突破胰腺癌致密基质屏障并促进药物递送至肿瘤部位，还有望重塑TME并增强免疫治疗等其他疗法的效果。然而，当前证据尚不能确定其明确的临床获益：临床前结果往往依赖模型，临床研究规模小且异质性强，声学参数、微泡制剂、治疗时机和反应评估均未标准化，且缺乏经过验证的生物标志物来筛选最可能获益的患者，以及足够长的随访以确定迟发毒性或持久疾病控制。

三、主要技术方法

研究人员在临床前研究中采用了多种胰腺癌动物模型，包括皮下异种移植模型（如BxPC-3、PANC-1、SW1990、Capan-1等细胞系）、原位肿瘤模型（如MIA PaCa-2-luc、KPC001S、UN-KC-6141、PaTu 8902等）以及患者来源的异种移植（PDX）模型。超声设备涵盖实验室定制单阵元聚焦换能器、临床诊断超声系统（如GE LOGIQ 9、Philips CX50）以及医用超声治疗仪（如PHYSIOSON-Basic）等。核心研究策略包括两大类：共给药策略（静脉注射化疗药物后立即注射微泡，联合超声照射）和药物装载微泡策略（将化疗药物偶联至微泡表面或包封于核心内，结合超声靶向微泡破坏技术实现触发释放）。临床研究中采用了经改良的诊断超声系统（如VINNO70、Verasonics Vantage 256）或定制双频探头，以机械指数（MI）0.2–0.8范围内的参数实现声穿孔效应，并采用对比增强超声进行实时监测。

四、研究结果

(一) 克服胰腺癌致密基质促进药物递送

研究显示，在静脉化疗药物输注后的特定时间窗内应用USMB治疗，可显著促进药物穿透进入肿瘤组织并改善疗效。Diane Bressand等人探索了USMB技术递送Nab-紫杉醇的效率，结果显示Nab-紫杉醇联合USMB治疗组的肿瘤细胞生长在体外和体内均被显著抑制，即使在高剂量Nab-紫杉醇（20 mg/kg）下也无副作用。药物装载策略方面，John F. Callan等人开发了微泡-脂质体偶联物（IRMB-OxLipo）用于伊立替康（IR）和奥沙利铂（Ox）的共递送，利用超声靶向微泡破坏（UTMD）技术增强了药物递送效率和疗效，同时降低毒性。值得注意的是，空化效应可松散胰腺癌基质并增加血管通透性，不仅促进小分子化疗药物的富集和渗透，还能促进较大尺寸的药物装载纳米颗粒（如直径130 nm的Nab-紫杉醇）的递送。Zhang等人构建了双靶向载药微泡（PTX-RCMBs），通过cCLT1肽和cRGD肽分别靶向肿瘤基质中的纤连蛋白和肿瘤细胞膜，该策略在体外将细胞摄取提高了3倍，在体内将肿瘤体积减小至非靶向微泡组的1/4，实现89.8%的肿瘤生长抑制率。针对胰腺癌复杂的血管内皮和基质屏障系统，Huang等人提出“级联超声空化”策略，开发了巨噬细胞膜修饰的微泡-介孔二氧化硅纳米颗粒复合系统（MMB@TFHPD）。第一次超声照射诱导微泡空化和破裂，选择性打开肿瘤血管内皮屏障；随后弱酸性肿瘤微环境触发载体结构转化，第二次超声照射驱动全氟戊烷（PFP）液-气相变，产生新型空化效应降解致密细胞外基质。该级联机制使PDAC中的药物穿透深度增加4.1倍。Constantina Neophytou团队提出“机械治疗联合声渗透”策略，首先使用TGF-β抑制剂调节癌症相关成纤维细胞功能，将肿瘤弹性模量降低42%，然后超声照射激发微泡空化进一步将弹性模量降低28%，显著将灌注改善3.2倍，纳米药物肿瘤富集增加2.7倍，CD8+ T细胞浸润密度增加4.1倍，Treg比例降至对照组的31%。

(二) 超声控制的药物释放

Ronald X. Xu团队构建了DOX-ML-MBs复合系统，将阿霉素（DOX）负载的磁性脂质体通过硫醇-马来酰亚胺键共价偶联至全氟化碳气体微泡上。超声照射引起微泡破裂，断裂共价键释放负载DOX的磁性脂质体，同时通过声穿孔增强肿瘤血管通透性，使磁性脂质体穿透致密胰腺癌基质。结果显示DOX-ML-MBs联合磁-超声治疗策略使肿瘤体积较对照组减少约60%（p<0.001），同时显著降低心脏毒性。Zhao等人利用微流控电喷雾技术制备了基于海藻酸盐/聚（N-异丙基丙烯酰胺）（ALG/PNIPAM）水凝胶壳的超声响应微泡（Gem-H2S-UDMs），包封吉西他滨和H2S治疗气体。利用PNIPAM在超声诱导轻度热疗下的热敏收缩特性，实现吉西他滨和H2S气体的双重控制释放，联合超声处理后PaTu-8902细胞活力降至45.37%，接受瘤内注射联合超声的组Ki67阳性率仅为21.05%，凋亡率为10.26%。

(三) 重塑肿瘤微环境

在缓解缺氧方面，John F. Callan等人制备了氧载微泡，将O2与化疗药物吉米他滨和声敏剂玫瑰红（RB）共递送。氧载微泡将O2递送至TME，直接改善局部肿瘤O2分压，为声动力治疗（SDT）提供丰富O2以产生毒性ROS，同时降低缺氧诱导的耐药性并增强对Gem的化疗敏感性。结果显示治疗后低氧相关基因HIF-1α和VHL的表达显著下调，肿瘤生长延迟>80%（p<0.001）。Wu等人使用临床可用超声系统（Power-Doppler模式）联合NH002微泡，发现治疗后1至3天肿瘤灌注面积增加1.3–1.9倍，缺氧区域减少77%（第1天）和67%（第3天），效应持续至治疗后6天。研究人员还证明USMB技术可增加胰腺癌的血管成熟度，增强周细胞覆盖和内皮紧密连接，减少异常血管分支并优化血流灌注效率，同时减少化疗药物对血管内皮的损伤。在调节免疫抑制状态方面，Jordan B. Joiner等人发现低强度聚焦超声（LoFU）联合微泡治疗2天后，肿瘤细胞中HMGB1向细胞质转位增加，引流淋巴结中活化抗原提呈细胞（如巨噬细胞）数量显著增加，MHC-II阳性巨噬细胞比例增加，启动适应性免疫反应；同时PD-1表达及PD-1+CD8+ T细胞比例降低，CD4+和CD8+ T细胞数量显著增加。Lin等人证明USMB治疗使肿瘤相关巨噬细胞中M1标志物CD86的表达增加2倍，同时下调M2标志物Arg-1。2024年的一项研究确认该技术使瘤内CD8+ T细胞浸润增加4倍，与抗PD-L1抗体联合使用时，中位生存期从28天延长至46天。

(四) 基因递送

Wang等人证实在人胰腺癌细胞系PANC-1中，超声照射（1.0 MHz, 1.0 W/cm2）联合SonoVue微泡将绿色荧光蛋白（GFP）质粒的转染效率提高至21.4%±3.16%，比单独质粒组（2.9%±0.45%）提高近7倍，细胞活力维持在91%以上。Lin等人利用树状金纳米颗粒（Au DENPs）负载吉西他滨和miR-21抑制剂（miR-21i），在USMB介导下使SW1990细胞对miR-21i的摄取效率提高13倍，联合治疗的IC50值比游离Gem低82倍，体内肿瘤体积显著缩小，中位生存期延长至120天。2024年另一项研究采用聚乙烯亚胺（PEI）纳米凝胶作为载体，负载靶向骨膜蛋白的siRNA进行基因沉默，同时包封化疗药物吉西他滨，形成“基因调控+化疗”联合治疗系统。超声0.4 W/cm2使FITC标记载体的摄取率提高至19.66%±2.64%，同时保证高细胞活力（97.38%±1.92%），显著下调骨膜蛋白表达、阻断下游信号通路并促进胰腺癌细胞凋亡，在裸鼠异种移植模型中肿瘤体积和重量较单纯化疗组显著降低（p<0.001）。

(五) 其他

在增强放疗疗效方面，Nakayama团队使用MIAPaCa-2和PANC-1两种胰腺癌细胞系进行体外研究，联合Sonazoid微泡与150 kVp X射线照射。选择4.0 MHz频率、机械指数（MI）1.0、暴露时间3分钟的参数，微泡空化率超过90%。结果显示在低浓度（0.01% v/v）下，声空化治疗联合6 Gy X射线照射显著增强MIAPaCa-2细胞的放射敏感性，细胞活力降低，ROS水平增加1.24倍；而PANC-1细胞在3 Gy X射线联合0.01% USMB下仅表现轻度增敏。研究未观察到USMB与TiOxNPs之间的协同增敏作用。

在声学簇治疗（ACT）方面，ACT利用带负电的微泡（全氟丁烷，H-EPS壳）和带正电的微滴（全氟甲基环戊烷，DSPC壳）组成的簇，通过两步超声序列激活。首先高频（2–10 MHz）超声诱导微滴相变形成大泡（20–30 μm）滞留在肿瘤微血管中，随后低频（0.5 MHz）超声触发这些大泡的振荡活动增强血管通透性。与传统微泡相比，ACT平台具有两大优势：大泡瞬时滞留在肿瘤微血管中延长血管接触时间至5–10分钟；低频诱导的振荡产生更强的生物力学效应。Ng Serina等人使用保留原始肿瘤基质成分并携带K-RASG12V突变的PDX小鼠胰腺癌模型评估ACT联合化疗（nab-紫杉醇+吉西他滨或脂质体伊立替康），结果显示ACT使完全肿瘤缓解概率增加7.2倍（95% CI: 1.622–51.77, p=0.0195）。化疗单独治疗仅产生11%的抑制作用，而ACT联合nab-紫杉醇和Gem达到89%的抑制作用（q=0.0075），联合脂质体伊立替康达80%抑制（q=0.0429）。

五、临床转化进展

2013年Kotopoulis等人首次报道了5例不可切除胰腺癌患者接受Gem联合SonoVue微泡和超声暴露治疗的病例系列，结果显示每位患者平均化疗周期从历史对照组的9个增加至16个，部分患者肿瘤缩小且无额外毒性。2016年同一团队开展的I期临床试验（10例患者）进一步验证了超声刺激微泡联合Gem未增加不良事件，中位总生存期（OS）从对照组的8.9个月延长至17.6个月（p=0.011）。2018年Wang等人研究发现MI≤1.0具有较好安全性，胰腺癌肝转移患者（MI=0.4治疗）达到部分缓解，无进展生存期168天。2024年Liu等人开展的多中心、开放标签、随机对照II期试验纳入82例III/IV期胰腺癌患者，结果显示声化疗组中位生存时间（MST）从6.1个月显著改善至9.1个月（HR=0.61, p=0.037），疾病控制率（DCR）从42.5%提高至73.7%（p=0.005），ECOG评分<2的持续时间延长2.2个月（p=0.029），50%的患者实现肿瘤缩小。然而2025年Haram等人进行的随机对照先导试验纳入了20例不可手术患者，但未观察到肿瘤体积或总生存期的显著差异（11.7 vs. 9.8个月，p>0.05），这一中性结果可能受样本量小、患者异质性、治疗时机、肿瘤可及性、声波遮挡及超声参数差异等因素影响。

六、讨论与结论

研究人员指出临床前模型选择存在系统性偏差：超过60%的研究使用皮下异位移植模型，与胰腺癌独特的临床病理特征显著偏离；仅有约5%的研究纳入转移模型；约78.9%使用免疫缺陷小鼠，忽视了胰腺癌典型的免疫抑制微环境。制剂策略方面，42.8%的临床前研究偏好载药微泡，但这类组合产品面临监管机构（如FDA、NMPA）要求的全面额外毒理学评估障碍；所有当前临床试验都采用了共给药策略以避免监管复杂性，但这引入了药代动力学（PK）不匹配的关键科学局限——微泡半衰期极短（秒至分钟级），而小分子化疗药物循环时间更长，导致超声触发时微泡与药物浓度比例欠佳。技术标准化方面，超过71.4%的临床前研究使用各种实验室自制超声设备，核心超声参数存在显著异质性；许多临床试验方案对关键参数描述不足，使其难以被精确复制。未来发展方向包括：在更具预测性的模型（PDX模型、猪等大动物模型）中验证治疗方案的普遍性和安全性；基于个体肿瘤纤维化的影像学评估实现个性化声学参数调整；通过定量监测瘤内药物浓度建立清晰的浓度-疗效关系；优化超声应用时机以解决PK不匹配问题；加速3D超声探头或MRI引导系统的开发应用；积极探索与免疫检查点抑制剂及基质调节剂（如PEGPH20透明质酸酶）的联合策略。研究结论指出，声空化治疗在机制上具有吸引力，可解决胰腺癌的多个核心障碍，如灌注不良、基质致密、缺氧和瘤内药物暴露有限，但当前证据尚未确立明确的临床获益。未来应在生物标志物定义的人群中开展充分把握度的多中心随机试验，并配合可复现的制造和监管策略，以确定声空化治疗能否在当前标准治疗基础上改善患者生存和生活质量。