Page 40 - 《应用声学》2021年第1期
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的边界检测结果。在大多数情况下,靶向微泡会有 响 [26−27] 。不同的细胞之间距离与微泡直径的相对
一小部分黏附在细胞膜上,这使得微泡在超声激 大小对应于不同的膜穿孔效率 [26,28−30] 。因此,改变
励下不能进行各向同性的球面振动。Lajoinie等 [18] 膜穿孔效率可以通过调整微泡与细胞之间的距离
提出了非球面、轴对称的数学模型,描述了靶向微 (d) 与微泡大小 (D) 的比值 (d/D) 来实现 [26,28−30] 。
泡在声场中的体积振动,如图 3(b) 所示。图 3(b) 中 除了改变超声发生模式外,也可以采用利用配体或
的上图为相同微泡大小 (R 0 = 2.4 µm) 和不同压力 抗体修饰微泡的方式,即将被修饰的微泡与细胞表
(kPa)(颜色)下,塌缩阶段的尖端的形状(左图),z 表 面受体相结合进而改善输送效率。该方式作为应用
示在微泡形状的不同位置高度,r 表示微泡对应位 于靶向药物输送的新的途径,具有相当大的临床治
置 z 的横切面半径。磷脂表面积 S 的是仰角 θ 的函 疗价值。
数 (右图);下图为具有不同初始半径 R 0 的靶向微 小分子物质碘化丙啶是不可渗透细胞膜的,在
泡在 210 kPa 压强驱动下的模拟形状。该模型被用 细胞外不显荧光;当它进入细胞与核酸结合后,会显
于预测加载在微泡膜上的药物分子随微泡振动而 示出红色荧光。碘化丙啶的这种荧光特性使其成为
释放的过程。Baresch等 [19] 实现了单束涡旋声场在 实时指示细胞膜上的小孔的理想指示剂,在声孔效
复杂环境中对微泡的捕获和操控,以及微泡振动而 应的机理性研究中广泛使用。碘化丙啶的实时荧光
导致的可控的载药释放。 显微成像显示,在空化现象发生后,细胞膜上的小孔
随即迅速打开,之后逐渐收缩至闭合;成功闭合的
2 细胞响应 过程一般在100 s 之内 [7−8,17,23,30−31] 。全细胞膜片
钳记录过膜电流,比荧光成像具有更高的时间分辨
2.1 细胞膜上出现瞬态、可逆的小孔
率 (0.5 ms),但是由于超声振动极易振掉膜片钳与
当较为剧烈的声空化发生在细胞附近时,会在 细胞膜形成的紧密吸附,限制了膜片钳的记录能力。
细胞膜上打开小孔。小孔的形成首先是在超声作用 Zhou 等 [22] 和 Fan 等 [23] 使用全细胞膜片钳记录到
后迅速固定的细胞上得到证实。Prentice 等 [5] 使用 的小孔成功闭合发生在10 s之内。Hu等 [24] 对荧光
原子力显微镜,观察到了细胞上直径为 16 µm 的小 染色的细胞膜进行了实时直接观测,结果显示小孔
孔 (图 4(a))。Schlicher 等 [20] 以及 Qiu 等 [21] 使用扫 成功闭合的过程在50 s 之内。总之,小孔的直径、位
描电镜和透射电镜,观察到了细胞膜上直径在1 µm 置、深度和闭合时间由多种因素共同决定,包括超声
左右的小孔 (图 4(b))。随后,一些实时技术被引入 参数 [32] 、微泡特性 [8] 、微泡和细胞的距离 [29,33] 等。
到了声孔的观测中。Zhou 等 [22] 和 Fan 等 [23] 使用 这些小孔的存在增加了血管通透性,有助于膜上药
全细胞膜片钳,监测整个细胞的过膜电流的实时 物的转移。
变化。当有小孔打开时,过膜电流会突然增大,而 关于小孔闭合的机制,多项研究表明 [34−36] ,钙
后随着小孔的闭合而逐渐减小直至恢复为零;并 离子经小孔流入细胞内是小孔成功闭合的必要条
通过对过膜电流的拟合,估算出可逆小孔的直径在 件。Leow 等 [35] 观察到在靶向微泡附着的位置,在
10 ∼ 200 nm(图4(c))。Hu等 [24] 使用共聚焦荧光显 超声作用后,仅在存活的细胞的细胞膜上出现起泡
微成像,对荧光染色的细胞膜进行了实时直接观测; 的现象,因此推测细胞膜的起泡是帮助细胞恢复平
观察到了直径为5.3 µm的可逆小孔(图4(d))。 衡状态的方式。声孔尺寸很小,且在存活的细胞中
Prentice 等 [5] 使用原子力显微镜观察到了深 是瞬态存在,这给研究小孔闭合的生物学机制提出
为 1 µm 的小孔,以及一些穿透细胞直达基质的孔。 了不小的挑战。作为一种机械损伤,声孔很可能也
Helfield 等 [7] 使用实施共聚焦荧光显微镜观察到 是经历扩张、收缩和闭合 3 个阶段;细胞经历感知
了空化所致的小孔穿透了细胞的上下表层。Rong 小孔、修复小孔、闭合小孔和重塑细胞膜及细胞骨
等 [25] 在超声作用后迅速固定的细胞中观察到了细 架的过程;修复过程可能由钙肌动蛋白和肌球蛋白
胞核内、细胞底部都出现了质粒 DNA。这些结果表 驱动,由细胞膜的流动性、内吞、胞吐作用参与完
明,小孔的深度可以穿透整个细胞。 成 [37] 。小孔的闭合能够实现是保证细胞维持活性
在声空化作用下,质膜上孔是否发生以及发生 的必要条件,对于临床应用来说也是保证超声联合
位置会受到微泡大小和微泡与细胞之间距离的影 微泡技术应用的安全性和实用性的必然要求。