CN101028524B - 超声微泡靶向定位控释药物/基因装置及靶向转移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声微泡靶向定位控释药物/基因装置和一种将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法，一种超声微泡靶向定位控释药物/基因及效果评价装置和将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法。该超声微泡靶向定位控释药物/基因装置包括超声触发/治疗单元、与超声触发/治疗单元连接的驱动单元及超声监控单元，该装置还包括计算机控制单元，其包括有主机、显示器，主机中连接有用于评定药物/基因靶向传输效果的组织定征模块和图像采集卡。一种将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法。本发明可利用超声波触发破坏微泡实现药物/基因靶向传输，并可进行药物/基因靶向转移的效果评价，使诊断、治疗和评定一体化。

Description

超声微泡靶向定位控释药物/基因装置及靶向转移的方法

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种超声微泡靶向定位控释药物/基因及效果评价装置和一种将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法。

背景技术

药物/基因传输是充分发挥药物/基因本身生物学效应的关键性技术。目前药物/基因传输载体常见的有病毒类和非病毒类，如药物/基因的直接注射法、脂质体介导、受体介导、颗粒轰击技术、电穿孔法等。

在基因传输技术中现有的病毒类载体，虽然基因的转染率高，但存在安全性和机体对病毒产生免疫反应等问题；质粒等非病毒载体，虽然安全，但转染率低。蛋白质、多肽以及化疗药物等和基因药物一样采用静脉注射的转输方式存在靶向性差的缺点，到达特定组织的药物/基因量少，效率低下；药物/基因局部注射导入则存在适用范围有限及有创等问题。目前药物/基因传输技术领域中存在不少尚未解决的问题，特别是缺乏安全、有效、有组织特异性和靶向性的药物/基因传输系统。

而微泡造影剂作为一种新的药物/基因运载工具，将特定的药物/基因与微泡造影剂结合起来，通过外周血管注射，以超声破坏携基因的微泡，使微泡在特定组织进行定位释放，这种新的药物/基因传输方法，具有无创、高效、操作简便、靶向性好、安全且重复性好的优点，但目前尚缺乏用于实现超声靶向定位控释药物/基因的专用装置，尤其是缺乏具有定位、监控、诊断及治疗一体化的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种能够提高药物/基因传输效率，并可对其进行定位和监控的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是要提供一种将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该超声微泡靶向定位控释药物/基因装置包括超声触发/治疗单元、超声监控单元、与超声触发/治疗单元连接的驱动单元、分别与超声监控单元及超声触发/治疗单元连接的计算机控制单元。该计算机控制单元包括有主机、与主机连接的显示器，主机的中央处理器连接有用于对药物/基因的传输进行控制的组织定征模块和图像采集卡，组织定征模块与超声触发/治疗单元相连，图像采集卡与超声监控单元相连。组织定征模块包括分别与超声触发/治疗单元相连的功率控制单元和时间控制单元。其中，超声监控单元优选B超仪。

优选的是，组织定征模块还包括有与图像采集卡相连的用于评定药物/基因靶向传输效果的图像灰阶评判单元，所述功率控制单元和时间控制单元分别与其图像灰阶评判单元相连。使用时，功率控制单元和时间控制单元以一定的功率和作用时间对组织进行作用，并通过作用前后适时的图像灰阶评判单元的图像灰阶对比来进行作用效果的评判，根据作用效果，若没有达到满意的效果，则功率控制单元和时间控制单元调整适当的功率和时间，继续对目标组织进行作用，直到达到满意的效果。

为了能及时将超声触发/治疗单元产生的热量散发，以延长其使用寿命，该装置还可包括有与超声触发/治疗单元连接的冷却单元。

本发明中，超声监控单元和超声触发/治疗单元固定在一起，固定的方法有多种，优选的是，超声触发/治疗单元的中部开有孔路，超声监控单元的监控探头穿过该孔路与超声触发/治疗单元中的超声触发/治疗头固定在一起。通过所述超声监控单元和超声触发/治疗单元固定在一起，在监控图像中，可以精确的指示出超声触发/治疗单元作用区域的位置，使用时可以精确地观察到作用区域的图像变化，并可及时进行效果评判。

本发明装置可利用超声波触发破坏微泡实现药物/基因靶向传输，并可进行药物/基因靶向转移的效果评价，使诊断、治疗和评定一体化，经使用健康的新西兰大白兔为实验对象证明本发明装置可以明显提高药物/基因的传输效率。

一种将微泡造影剂与药物/基因结合用超声波实现靶向转移的方法，包括：微泡造影剂与药物/基因结合形成携药物/基因的微泡造影剂，利用以上所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置中的超声监控单元产生的超声声像图监控携药物/基因的微泡造影剂靶向转移和定位控释，即将携有药物/基因的微泡造影剂进行静脉注射，当超声监控单元监控微泡造影剂到达靶组织显影后，驱动单元驱动超声触发/治疗单元发射超声波破坏微泡，待微泡破坏后，再将超声波直接作用于靶组织，由计算机控制单元控制超声发射的功率和时间，直至药物/基因达到定向转移和定位控释。

优选的是，本发明方法还包括有药物/基因转移后的效果评定步骤，即：超声破坏微泡后，计算机控制单元通过图像采集卡采集到超声监控单元所监控到的靶组织的实时图像，传送给显示器进行显示，可以实时观察到携药物/基因的微泡造影剂到达靶组织及其转染、表达的情况，同时，组织定征模块中的图像灰阶评判单元利用超声监控单元产生的超声图像的灰阶对比对作用效果进行评判，根据灰阶值变化情况，若作用前、后的图像灰阶对比差值小于3-5，认为没有达到满意的效果，则调整组织定征模块中设置的超声波剂量和作用时间，控制超声换能器的功率和作用时间，继续对靶组织进行作用，直至达到定向转移和定位控释。

为了精确的控制超声波的剂量和作用时间，在驱动单元驱动超声触发/治疗单元发射超声波破坏微泡前，在组织定征模块的功率控制单元、时间控制单元中设置相应的参数，然后再发射超声波。其中，超声触发/治疗单元所设置的发射的超声波频率范围为20KHz～2MHz，优选1MHz，声强范围为0.25～3W/cm²，优选0.5W/cm²，作用时间为0.25～3分钟，优选1分钟。

本发明中所涉及的携药物/基因的微泡造影剂是将购得的造影剂或自制造影剂与基因粘附后所获得的，外购微泡造影剂与药物/基因结合形成携药物/基因的微泡造影剂的步骤包括：将药物/基因粘附于微泡造影剂的表面，即将选定的药物/基因与脂质微泡造影剂或白蛋白微泡造影剂按体积以(3～10)∶10的比例混合，利用静电吸附作用将药物/基因粘附于微泡表面。

携药物/基因的微泡造影剂另一种制作方法采用自制造影剂，其采用自制造影剂制作携药物/基因的微泡造影剂的方法包括的步骤为：将药物/基因包裹于微泡内，即将低温下为液态的氟碳气体与药物/基因按体积以(3～5)∶1混合后，在超声振荡作用下形成由脂质材料包裹氟碳液体和药物/基因的微球，在温度升高至37℃～45℃条件下微球变为微泡，用缓冲液(比如：PBS缓冲液)清洗掉未裹入的药物/基因，所得到的即为包裹入的携药物/基因的微泡造影剂。

所述药物为肿瘤化疗药物、抗生素或各种蛋白质、多肽药物，所述基因为血管内皮生长因子(VEGF)、肝细胞生长因子(HGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)等，标记基因如：绿色荧光蛋白基因(GFP)、β-半乳糖苷酶基因。

本发明方法无创，简便、可反复使用。

附图说明

图1为本发明超声微泡靶向定位控释药物/基因及效果评价装置的结构原理框图

图2为本发明超声监控单元2和超声触发/治疗单元3的结构关系立体图(外壳水平放置时)

图3为本发明超声监控单元2和超声触发/治疗单元3的结构关系立体图(外壳竖立放置时)

图4为本发明计算机控制单元4的结构原理框图

图5A为本发明超声微泡携基因促血管新生的对照组的数字减影血管造影图

图5B为本发明超声微泡携基因促血管新生的试验组的数字减影血管造影图

图中：1-靶组织  2-超声监控单元  20-监控探头  3-超声触发/治疗单元  30-超声触发/治疗头  4-计算机控制单元  41-主机  42-显示器  43-组织定征模块  44-图像采集卡  45-功率控制单元46-时间控制单元  47-图像灰阶评判单元  5-驱动单元  6-冷却单元7-连接管  8-外壳  9、10、11、12-孔路  13-透声膜

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明内容作进一步详细说明。

以下实施例为本发明的非限定性实施例。

如图1所示，本发明超声微泡靶向定位控释药物/基因装置包括有超声监控单元2、超声触发/治疗单元3、驱动超声触发/治疗单元2发射超声波的驱动单元5、计算机控制单元4以及冷却单元6，其中，计算机控制单元4分别与超声监控单元2以及超声触发/治疗单元3相连，驱动单元5和冷却单元6分别与超声触发/治疗单元3连接。超声触发/治疗单元3用以触发破坏微泡实现药物/基因靶向传输以及对靶组织1进行治疗，超声监控单元2用以对靶组织1的治疗情况进行监控。超声触发/治疗单元3中包括有超声触发/治疗头30，超声监控单元2中包括有监控探头20。本实施例中，超声监控单元2采用B超仪。

如图4所示，计算机控制单元4包括主机41和与主机41连接的显示器42。主机41包括有组织定征模块43和图像采集卡44，组织定征模块43与超声触发/治疗单元3相连，图像采集卡44与超声监控单元2相连。组织定征模块43包括功率控制单元45和时间控制单元46和图像灰阶评判单元47。功率控制单元45和时间控制单元46在外部同时与超声触发/治疗单元3连接，在内部同时与图像灰阶评价单元47连接，图像灰阶评价单元47与图像采集卡44连接。

在功率控制单元45和时间控制单元46中可以设置一定的技术参数，使得超声触发/治疗头30以一定的功率和作用时间对靶组织1进行作用，并通过作用前后对图像采集卡44所采集的图像由图像灰阶评判单元47进行适时的图像灰阶对比，若作用前、后的图像灰阶对比差值小于3-5，则由功率控制单元45和时间控制单元46分别对功率和时间进行适当的调整，继续对靶组织1进行作用，直到达到满意的效果。

其中，超声触发/治疗单元3所发射的超声波为聚焦/不聚焦的治疗/诊断用超声波，该超声波为脉冲波或连续波，频率可为20KHz～2MHz、强度可为0.25-3W/cm²。

超声监控单元2的监控探头20(即B超探头)和超声触发/治疗单元3中的超声触发/治疗头30结合为一体。如图2、3所示，超声触发/治疗头30中部有监控探头20可以通过的孔路，监控探头20固定在该孔路中。

如图2、3所示，超声触发/治疗单元3的外部包围有外壳8，超声触发/治疗头30和外壳8由螺钉通过孔路10固定在一起，监控探头20下部有一连接管7，螺钉通过孔路11将外壳8和连接管7固定，这样，外壳8就将超声触发/治疗头30和监控探头20固定成为一体。外壳8中提供超声触发/治疗头30与驱动单元5及计算机控制单元5连接用电缆的孔路12，孔路12同时也是与冷却单元6相通的冷却通道。连接管7中还安装有超声监控单元2与计算机控制单元4连接的电缆。

如图3所示，超声触发/治疗头30中包括有超声换能器，超声换能器上开有孔路9用作该超声换能器的进水和排除通道，超声触发/治疗头30端部通过粘接或其它方式固定有透声膜13。

使用本发明装置时，监控探头20和超声触发/治疗头30沿着靶组织1的方向运动，超声触发/治疗头30发射超声波触发破坏微泡实现药物/基因靶向传输并对靶组织1进行治疗。

在将本发明装置用于实施超声波破坏微泡实现药物/基因靶向转移效果时，首先需要将微泡造影剂与药物/基因结合，形成携药物/基因的微泡造影剂，通过外周血管注射携药物/基因的微泡造影剂，再利用超声监控单元2中产生的超声声像图监控携药物/基因的微泡造影剂靶向转移和以超声破坏携药物/基因的微泡，使微泡在特定组织进行定位释放，具体的方法是按照以下步骤进行的：

(1)将药物/基因粘附于微泡造影剂的表面：将选定的药物/基因与脂质微泡造影剂按体积以(3～10)∶10的比例混合(即：使混合物中药物/基因的量约为0.1～1mg/ml)，利用静电吸附作用将药物/基因粘附于微泡表面，制成将药物/基因粘附于表面的微泡造影剂；

或将药物/基因包裹于微泡内：将低温下为液态的氟碳气体与药物/基因按体积以(3～5)∶1混合后，在超声振荡作用下形成由脂质材料包裹氟碳液体和药物/基因的微球，在温度升高至37℃～45℃条件下变为微泡，用PBS缓冲液清洗掉未裹入的基因，所得到的即为包裹入的携药物/基因的微泡造影剂；

(2)再利用超声监控单元2中产生的超声声像图监控携药物/基因的微泡造影剂靶向转移和定位控释：在组织定征模块43的功率控制单元45中设置声强参数为0.5W/cm²、频率为1MHz，时间控制单元46中设定作用时间为1分钟，再将携药物/基因的微泡造影剂进行静脉注射，用超声监控单元2(B超仪)的声像图监控造影剂到达靶组织1显影后，驱动单元5驱动超声触发/治疗单元3的超声触发/治疗头30发射超声波破坏微泡，微泡破坏后的“空化效应”、“声孔效应”可致微血管破裂、细胞膜产生声孔，可使基因在靶组织1的转染率明显提高；

(3)药物/基因转移后的效果评定的步骤：超声破坏微泡后，组织定征模块43中的图像灰阶评判单元47利用图像采集卡44所采集的图像信息在显示器中所显示的携基因的微泡造影剂到达靶组织及其转染、表达的情况的图像灰阶对比，根据图像灰阶值变化情况，若作用前、后的图像灰阶对比差值小于3～5时，则适当调整功率控制单元45和时间控制单元46中的相关参数，继续对靶组织1进行作用，直到达到定向转移和定位控释的目的。

在本发明工作的整个过程中，由冷却单元6提供冷却水冷却超声触发/治疗单元3所产生的热量。

图5A、5B所示为超声微泡携药物/基因具有显著的促血管新生效果对比图。

具体实验如下：以健康的新西兰大白兔为实验对象，其体重为2.5～3kg，速眠新肌肉麻醉(0.1～0.15ml/kg)，用8％Na₂S脱毛，仰卧固定于操作台上，行左下肢股动脉及其分支结扎术，造成下肢闭塞性血管病模型。造模成功后随机分为实验组和对照组，实验组为超声微泡处理组(A)，对照包括空白对照组(B)，单纯超声辐照组(C)、单纯微泡处理组(D)。实验中所用的微泡为白蛋白微泡造影剂，造影剂浓度为8.3×10⁸个/ml，微泡大小为2.7±0.8μm。A组即造模成功后采用局部输入白蛋白微泡和pcDNA3.1/VEGF165质粒的混合物，其中含有pcDNA3.1/VEGF165质粒25μg，并用超声波辐照，其参数为发射频率1MHz，声强为2.0W/cm²，辐照1min；B组不采用超声和微泡处理，为空白对照组。C组不用微泡的前提下单纯采用超声辐照，其参数同A组；D组为单纯微泡处理组即造模成功后采用骨骼肌局部输入pcDNA3.1/VEGF165质粒25μg，不采用超声辐照。术后4周腹主动脉内插管，加压1s内注入76％泛影葡胺造影剂2mL，采用连续电影摄影记录造影结果，摄影速度25祯/s，观察新生血管和侧枝循环的形成状况，结果显示对照组骨骼肌新生血管数较少(如图5A所示)，而实验组即超声微泡处理组骨骼肌新生血管数明显增多(如图5B所示)。表明超声破坏携VEGF165基因微泡能显著促进缺血骨胳肌的血管新生。

微泡造影剂可为自制造影剂，也可为直接购买的微泡造影剂如意大利生产的Sonovue，美国生产的Optison、Albunex，德国生产的Levovist等产品或自制的声学造影剂。将购得的微泡造影剂或自制造影剂用于与药物/基因粘附，并可在微泡表面连接上针对特定组织抗原的相应抗体或针对特定受体的配体，可大大提高微泡的靶向作用。如抗CD34、抗ICAM、抗E-选择素、抗P-选择素等，将各种抗体在声振过程中混合入液体中，形成具有靶向作用的超声微泡造影剂。

本发明方法所涉及的基因为可获得的现有基因，各种生长因子如：血管内皮生长因子(VEGF)、肝细胞生长因子(HGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)等；标记基因如：绿色荧光蛋白基因(GFP)、β-半乳糖苷酶基因等。适合本实施的药物包括一切有生物活性的物质如肿瘤化疗药物、抗生素以及各种蛋白质、多肽药物等。

Claims (9)

1.一种超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于该装置包括超声触发/治疗单元、超声监控单元、与超声触发/治疗单元连接的驱动单元、分别与超声监控单元及超声触发/治疗单元连接的计算机控制单元。

2.根据权利要求1所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于该计算机控制单元包括有主机、与主机连接的显示器，主机的中央处理器连接有用于对药物/基因的传输进行控制的组织定征模块和图像采集卡，组织定征模块与超声触发/治疗单元相连，图像采集卡与超声监控单元相连。

3.根据权利要求2所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于所述组织定征模块包括分别与超声触发/治疗单元相连的功率控制单元和时间控制单元。

4.根据权利要求3所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于所述组织定征模块还包括有与图像采集卡相连的用于评定药物/基因靶向传输效果的图像灰阶评判单元，所述功率控制单元和时间控制单元分别与图像灰阶评判单元相连。

5.根据权利要求1-4之一所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于该装置还包括有与超声触发/治疗单元连接的冷却单元。

6.根据权利要求5所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于所述超声监控单元采用B超仪。

7.根据权利要求5所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于超声监控单元和超声触发/治疗单元固定在一起。

8.根据权利要求7所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于超声触发/治疗单元中部有孔路，超声监控单元中的监控探头穿过该孔路与超声触发/治疗单元中的超声触发/治疗头固定在一起。

9.根据权利要求8所述的超声微泡靶向定位控释药物/基因装置，其特征在于超声触发/治疗单元中所设置的发射的超声波频率范围为20KHz～2MHz、声强范围为0.25～3W/cm²。

Images