1。引言

聚焦超声(FUS)是一种新兴的经颅图像引导手术方法，允许超声能量沉积到大脑中的离散目标上。与神经肿瘤学相关的超声诱导生物效应的范围很广，如热消融、热疗、血脑屏障(BBB)破坏和组织切片。许多此类应用在临床前研究和早期临床试验中显示出前景。此外，许多假定的FUS机制可能同时发生，最终可能适用于针对癌症病理生物学多个方面的合理联合方法。本章将讨论FUS的机制以及应用于神经肿瘤学的临床前和临床研究的现状。

2.聚焦超声

 2.1高强度（HIGH INTENSITY）

目前，美国食品和药物管理局(FDA)唯一批准的FUS神经学应用是用于特发性震颤(ET)和震颤显性帕金森病的运动障碍的热消融治疗。获得批准的ExAblate Neuro设备采用相控阵换能器，工作频率为650 khz高强度FUS通过加热到高于55℃的温度后组织的坏死热凝来实现热消融，这在批准的临床参数下迅速发生FUS具有覆盖深层结构的广泛治疗包膜的优点，而MRgFUS通过考虑颅骨衰减和使用共注册CT扫描超声路径的颅内障碍，可以达到亚毫米精度的高精度。

高强度FUS也被研究用于热疗，包括延长亚局部温度以进行放射致敏，以及通过机械力进行组织消融的组织学检查在动物实验中，FUS对静脉注射微泡的作用所引起的机械力可导致靶组织的快速液化它可以精确和快速地消融靶标组织，而不会对邻近区域造成热损伤，从而改善治疗包络面和治疗体积（ It is possible to precisely and rapidly ablate the target tissue without thermal injury to adjacent areas, improving the treatment envelope and treatment volume over thermoablation）。然而，这种方法在目前的临床原型中还不能轻易实现。

2.2低强度

除了热烧蚀之外，该技术的许多新应用正在出现。低强度FUS正在研究血脑屏障(BBB)打开，超声治疗，神经调节，液体活检。此外，目前正在开发和研究一些用于超声介导的血脑屏障打开的设备。这些系统包括ExAblate Neuro 220 kHz (Insightec)、NaviFUS和SonoCloud (Carthera)设备。前两种系统是非侵袭性的，分别采用外部相控阵换能器与实时和先前的MRI进行神经导航。相比之下，SonoCloud是一种植入式设备，通过颅骨上的一个孔操作，使用非聚焦超声，不涉及术中图像引导。所有这些装置在使用基于微泡的超声造影剂后通过超声破坏血脑屏障。

在热消融形成的高强度FUS病变周围，首先观察到FUS血脑屏障开放后来的研究表明，低强度FUS在没有组织学损伤的情况下可以实现血脑屏障的开放。我们确定空化或气泡的振荡是导致FUS血脑屏障开放的原因这导致使用现有的静脉(IV)微泡超声造影剂作为原位空化的人工基质，允许更有效地打开血脑屏障特别是，使用静脉微泡可以使血脑屏障打开，超声强度降低100倍对血脑屏障。

打开机制的研究确定了FUS增加通透性的两种途径:1)机械破坏内皮细胞之间的紧密连接，2)增强内皮细胞间的胞吞作用，可能通过小泡(图1)。血脑屏障的结构完整性和低通透性似乎在几个小时后恢复(图2)。此外，FUS血脑屏障打开还可以通过短暂减少外排转运蛋白(如p -糖蛋白)的表达间接增强药物递送，p -糖蛋白对许多化疗药物具有广泛的亲和力。

初步研究表明，FUS诱导的血脑屏障打开也可能影响淋巴功能，如动物模型中的淀粉样蛋白清除，和无创液体活检中中枢神经系统生物标志物的释放。与FUS相结合，载药纳米液滴以超声敏感的方式转化为微泡，也可用于同时进行空间定位的药物释放，无论是否有血脑屏障打开。这种方法允许将较高的局部浓度的治疗药物输送到目标组织，同时降低全身暴露，潜在的副作用也更少。

3 热消融（THERMOABLATION）

用FUS消融术治疗脑肿瘤是一个活跃的研究领域，热消融术在许多外周肿瘤中很常见MRgFUS在消融手术中有几个吸引人的优势:(i)它没有切口，比开颅手术风险更小;(ii)立即造成毁损;(iii)它是图像引导的，允许术中靶向;(iv)术中MRI测温允许在线目标调整和治疗监测;(V)治疗可以无限重复。此外，辐射可促进肿瘤免疫抑制，其中FUS热消融可增强肿瘤免疫原性并诱导免疫反应。

虽然FDA也批准了多种高强度FUS设备用于热消融体癌(如前列腺癌)，但由于颅骨的骨外壳，脑部和脊柱肿瘤在技术上仍然具有挑战性。高强度FUS利用大量超声换能器在颅内产生可控的温度升高，具有小的建设性干扰焦点区域。MRgFUS造成的病变的特征是明显划分的凝固性坏死然而，病变很小，尚未成功转化为脑肿瘤消融。

早期试验使用早期迭代的ExAblate设备，由于设备功率的限制，未能实现显著的消融在一个中心位置的肿瘤中已经部分成功地进行了消融，但是在更大的临床试验中，还需要进行系统的调查颅内肿瘤位置的变化会影响MRgFUS热消融的成功，因为中心位置的靶标降低了超声路径的入射角，导致超声阵列中可用的换能器更多，从而更有效地向靶标传递能量，减少脱靶颅骨加热相比之下，靠近颅骨的目标更容易由于超声从入射角偏转而导致脱靶加热，并且可用的换能器较少，需要通过小面积颅骨传递更多能量。旨在改善肿瘤消融的新兴方法目前仍处于严格的研究阶段，稍后将详细讨论。

4开放血脑屏障给药

大脑的独特环境对治疗递送提出了许多挑战，这是影响中枢神经系统(CNS)的癌症所特有的。特别是血脑屏障是目前可用的癌症治疗效果的主要障碍大脑中的毛细血管具有许多独特的特征，这对药物递送构成了重大挑战，包括内皮细胞之间的紧密连接，限制了极性分子和大于400da的治疗药物的细胞旁扩散，抑制了非特异性胞吞作用，以及药物外排转运体，使许多化疗药物从大脑中移除。在临床前模型中，FUS血脑屏障破坏已被证明可以通过局部可逆地破坏紧密连接、增强胞饮作用和减少药物外排转运蛋白(如p -糖蛋白)的表达来解决所有这些障碍(图1)。此外，许多研究表明，在脑肿瘤动物模型中，治疗递送和疗效都有所提高(表1)，这引起了人们对使用FUS开放血脑屏障给药的兴趣，如多形性胶质母细胞瘤(GBM)，其预后较差，近年来取得的进展有限。到目前为止，临床试验已经采用FUS血脑屏障开放来进行常规化疗，主要用于GBM等高级别胶质瘤患者。一项使用带Definity微泡的经颅相控阵ExAblate装置阿霉素或替莫唑胺给药的试验成功地证明了该方法在5例高级别胶质瘤患者中的安全性和可行性(图3)。特别是，没有报告3级或更高级别的AE，尽管24小时后收集的手术组织经质谱评估不含高水平的替莫唑胺。在另一项试验中，植入的SonoCloud装置和SonoVue微泡在19例复发性胶质母细胞瘤患者的卡铂输送中被证明是安全有效的(图.4)报告了3级和4级AE，但被认为与BBB打开操作无关。在明显（clearly）开放血脑屏障的患者与开放不良的患者的比较中，无进展生存期分别为4.1个月和2.7个月。最近，一项针对6名GBM患者的反复打开血脑屏障的试验在6个治疗周期的145个试验中，有131个成功地开放血脑屏障。

图1.聚焦超声血脑屏障破坏。聚焦超声结合血管内微泡增加血脑屏障通透性的机制，即微泡的稳定空化导致内皮细胞之间紧密连接的物理破坏和微泡的胞吞作用增加(放大图)。

图2使用Exablate装置对完整血脑屏障的短暂破坏及其随后的分辨率。1例右侧额叶3级间变性星形细胞瘤患者的T1加权增强和T2*加权MR图像。从左至右:基线时完整的血脑屏障(治疗前30天)，瘤周血脑屏障破坏通过实质造影剂外渗可见(治疗后立即)，T2*图像显示没有微出血(治疗后立即)，随访对比增强的T1加权MR图像显示血脑屏障破坏的分辨率(治疗后20小时)。

图3上:放大后的图像:患者使用ExAblate设备在MRgFUS诱导血脑屏障开放后不久的钆T1加权MRI显示对比剂以精确的网格状模式外渗。下图:靶体的示意图，显示了由ExAblate设备排列的超声靶的网格状模式。

图4植入Sonocloud设备的超声路径上血脑屏障的破坏(在白框内观察到)。对比增强T1加权图像显示血脑屏障破坏，治疗后FLAIR上未见炎症或SWAN成像可见出血。

更多的临床试验目前正在招募或进行中(NCT03744026, NCT03322813)，希望能治疗更多的脑肿瘤患者，包括胶质瘤和转移瘤，以增强癌症治疗的传递。这些试验有助于优化具有FUS开放血脑屏障的神经肿瘤疾病的治疗方案，并确定该方法的安全性和有效性。现有的临床试验主要是尝试提供小分子治疗，但正在进行试验以提供更大的治疗，例如，HER2抑制剂曲妥珠单抗等抗体用于颅内HER2阳性乳腺癌转移瘤(NCT03714243)。FUS开放血脑屏障促进包括生物制剂和细胞疗法在内的大型治疗药物递送的能力特别令人感兴趣，因为它们在正常情况下的血脑屏障通透性非常差，并且有很好的临床前证据。如果成功，这将在脑肿瘤治疗中提高整个治疗类药物的应用。

虽然大多数FUS的中枢神经系统应用都集中在大脑上，但扩大FUS血脑屏障开放以破坏血脊髓屏障(BSCB)的努力正在顺利进行。FUS和微泡对BSCB的破坏已在大鼠、兔和猪中得到证实。这种给药方法的可行性也通过静脉滴注腺病毒载体后脊髓细胞的局部转染得到了证实。最近，当FUS BSCB破坏联合曲妥珠单抗时，也观察到柔脑膜HER2+肿瘤大鼠的肿瘤生长减少，如果正在进行的FUS血脑屏障开放研究证明对脑肿瘤患者有益，这项研究可能有助于将这些进展快速转化为影响脊柱的癌症患者。

表1。部分动物实验中聚焦超声破坏血脑屏障后药物原位相对浓度升高情况。BPN，穿透大脑的纳米颗粒

4.1药物载体

大脑由密集的毛细血管网络提供服务，脑实质由密集堆积的细胞和细胞外基质(ECM)网络形成，即使在药物通过血脑屏障后也会阻碍药物的流动性。ECM形成一个带电网，孔径约为100 nm，净电荷为负，通过物理和静电相互作用过滤颗粒。因此，带电和/或大于网目尺寸的颗粒受到ECM的极大阻碍，并可能导致药物的非均匀输送。中和表面电荷的修饰，如聚乙二醇化，允许更大的纳米颗粒具有更大的移动性，并可能导致药物在通过血脑屏障后的更大的传递和更均匀的分布。然而，这些好处必须与受损的细胞相互作用和聚乙二醇化纳米颗粒的摄取以及它们的货物可能被优先降解的可能性相平衡。事实上，带正电的粒子更倾向于通过静电吸附和跨血脑屏障的胞饮作用进行吸收。尽管这种方式的非特异性胞饮作用被认为会因FUS血脑屏障破坏而上调，并有助于药物传递，但其在人类中的相对重要性尚未确定。尽管如此，临床前研究表明，FUS血脑屏障打开可以增强聚乙二醇化纳米颗粒在细胞内进行基因治疗的递送和疗效此外，在乳腺癌脑转移小鼠模型中，类似的研究表明，FUS热疗同样可以增强含聚乙二醇化阿霉素脂质体的递送和疗效。因此，即使在FUS开放血脑屏障后，ECM也会对药物输送到大脑构成重大障碍，但合理设计药物输送系统可以克服这些挑战，并可能与FUS协同作用以提高疗效。

5 MRgFUS的其他应用

5.1热疗（HYPERTHERMIA）

另一种通过开放MRgFUS热消融或血脑屏障治疗脑肿瘤的方法是亚局部加热或热疗。这种方法可以提高化疗的吸收和放射敏感性，以及肿瘤的免疫原性。热疗似乎抑制了广泛的DNA修复和细胞存活途径，并在广泛的癌症中具有放射增敏作用。尽管超声热疗的临床研究主要是在全身性癌症患者中进行的，但1991年进行了一项试验，通过颅窗对GBM患者进行超声治疗。在这里，热疗对大多数患者是可行的，但由于技术限制和肿瘤位置，有效治疗的肿瘤体积存在很大差异。现代的FUS设备是非侵袭性的，在治疗包膜、准确性、精密度、术中监测和超声传输控制方面有了很大的改进。尽管如此，在大量组织中实现足够的温度升高和限制治疗的颅骨加热仍然存在重大挑战。

5.2免疫调节

开放FUS血脑屏障也可能是操纵免疫微环境的一种有价值的工具。在神经胶质瘤中，免疫抑制微环境的发展与向更高级别发展、肿瘤侵袭性增加和治疗耐药性密切相关啮齿类动物FUS血脑屏障破坏诱导炎症反应，包括内皮细胞激活的特征，包括促进免疫细胞侵入的细胞粘附蛋白的短暂上调。进一步的研究发现，FUS开放血脑屏障可以改变肿瘤免疫微环境，以对抗肿瘤免疫抑制，如减少免疫抑制调节性T细胞和髓源性抑制细胞的丰度，同时也增加细胞毒性T细胞和NK细胞的数量。在临床前研究中，FUS开放血脑屏障也被用于细胞毒性肿瘤治疗的递送。

5.3液体活检

血脑屏障破坏的后果是外周循环和中枢神经系统内物质双向交换的建立。这引入了一种可能性，即开放FUS血脑屏障可以从大脑中释放生物标志物，从而促进通过血液对无法到达的中枢神经系统环境进行无创液体活检。事实上，在临床前模型中FUS开放血脑屏障后，外周循环中异种移植物肿瘤来源的核酸和中枢神经系统来源的蛋白的浓度都增加了。这些发现是特别有趣的，因为液体活检在全身性癌症的敏感检测中所取得的成功并没有在中枢神经系统癌症中得到有效的复制。存在血脑屏障被认为是肿瘤来源的生物标志物(尤其是核酸)全身性释放的潜在限制因素，而核酸是最成功诊断的基础通过FUS开放血脑屏障进行液体活检，不仅可以用于诊断，还可以将治疗与预后分析相结合，促进个性化的医学方法。

5.4手术标记

使用FUS标记组织以供后期随访或治疗是一个新兴的概念。例如，低强度FUS开放血脑屏障沉积的染料可用于划定进一步手术切除的区域。在颅外研究中，使用高强度MRgFUS标记离体火鸡乳房中不可触及的肿瘤的探索性工作发现，与MRI引导的针线标记相比，手术切除的肿瘤阳性边缘面积更小。人们对超声和5-ALA的结合也越来越感兴趣，5-ALA是一种荧光光敏剂，由于它们的联合细胞毒性作用，被许多癌症优先采用，并用于指导手术切除。值得注意的是，一项正在进行的临床试验正在研究在手术前立即打开FUS血脑屏障的能力，以促进5-ALA标记肿瘤边缘，以改善切除(NCT03322813)。虽然该方法的发展有限，但进一步的进展可能被证明广泛适用于改善肿瘤的手术切除，也有助于切除MRgFUS消融后进展性肿瘤。

5.5 组织毁损（HISTOTRIPSY）

高强度MRgFUS对脑肿瘤的热消融仍然存在显著的局限性，这是由于在大体积治疗过程中颅骨过热和难以向肿瘤提供足够的能量造成的。组织组化，或通过气泡空化产生的机械力快速液化组织，为这些挑战提供了一种可能的解决方案。与传统的热消融相比，该方法具有许多优点，包括更低的能量需求，更高的精度，更清晰的界限，更快速的病变分辨率，以及潜在的更好的免疫原性。对组织消融和凝块溶解的组织学检查越来越感兴趣。在颅骨切除术后的几个动物模型中，已经成功地完成了FUS组织消融，没有明显的脱靶效应。此外，通过离体人类颅骨的凝块液化也已成功实现尽管组织切片的超声方案能够在治疗前原位破坏意外的气泡，以及重新产生气泡的能力，但外源性微气泡的管理作为一种降低体内机械消融所需的强度阈值的方法特别有趣。FUS组织学的发展有可能扩大消融FUS应用的治疗范围，特别是在神经肿瘤学领域，该领域的靶体积通常很大，可能出现在许多解剖位置，目前传统的MRgFUS热消融难以靶向。

6.挑战和未来方向

尽管近年来FUS治疗进展迅速，但对中枢神经系统肿瘤的临床研究仍处于起步阶段，大量试验和研究正在进行中(表2)。有效的临床转化仍然存在重大障碍。使用FDA批准的设备进行肿瘤热消融的成功率有限。治疗组织的潜在体积的治疗包络受到颅骨超声能量吸收的限制，在治疗包络扩大之前，可能会限制该方法的实用性。然而，正在进行的超声组织切片设备消融周围肿瘤的试验的积极结果确实为将病灶性FUS应用于颅内肿瘤提供了希望。此外，FUS热疗也开始进入临床试验，早期报告表明该方法治疗周围肿瘤的安全性和可行性。FUS血脑屏障开放的未来主要取决于证明其优于单独给药的疗效的能力，以及可能限制其广泛采用的实际挑战。这可能取决于给药药物或药物载体的性质，包括其大小、电荷和基线血脑屏障通透性。在肿瘤疾病患者中进行了一些早期临床试验，提供了初步证据，证明化疗药物在人类中是安全可行的。神经退行性适应证的试点试验有助于证明类似的安全性和可行性。进一步的试验计划或正在进行中，用于一系列神经肿瘤疾病，包括新的或复发的胶质瘤，以及颅内转移瘤(NCT03322813, NCT03744026, NCT03714243)。这些技术未来的成功发展也可能为进一步的或互补的应用打开大门，如热疗、手术标记和液体活检。

尽管存在这些局限性，但超声治疗的适应证和方法的迅速扩大表明FUS在神经肿瘤学领域的作用将继续增强。尽管许多超声疗法及其神经肿瘤学应用尚处于早期阶段，但潜在应用的范围和FUS机制表明这一新兴技术的前景令人兴奋。