声动力疗法（SDT）是一种聚焦超声（FUS）的应用，可通过声敏剂使肿瘤在超声辐照期间变得更为敏感。然而，目前针对胶质母细胞瘤（GBM）的临床治疗手段仍显不足，导致患者长期生存率较低。SDT 是一种具有前景的治疗 GBM 的方法，具有高效、无创且靶向肿瘤的特点。声敏剂相较于周围脑实质，更易优先进入肿瘤细胞。在声敏剂存在的情况下应用 FUS，可产生活性氧物质，从而诱导细胞凋亡。尽管此前研究已证明该疗法在临床前研究中有效，但目前尚缺乏统一标准化的治疗参数。建立标准化方法对于优化该治疗策略在临床前及临床应用中的效果至关重要。本文详细描述了在临床前 GBM 啮齿类动物模型中使用磁共振引导聚焦超声（MRgFUS）实施 SDT 的实验方案。MRgFUS 是本方案的重要组成部分，它能够精准靶向脑部肿瘤，而无需进行侵入性手术（如开颅术）。本研究所用的台式设备可通过在 MRI 图像上点击目标区域，实现三维空间内特定位置的聚焦，使靶区选择过程简便直观。本方案将为研究人员提供一种标准化的临床前 MRgFUS-SDT 方法，同时具备调整和优化参数的灵活性，以支持转化医学研究。
对于胶质母细胞瘤（GBM）患者而言，亟需新的治疗手段和有效的治疗方案。本方案概述了一种正在深入研究以推动临床转化的、基于聚焦超声（FUS）的GBM临床前治疗方法。尽管声动力治疗（SDT）具有广阔的应用前景，但在临床前阶段仍有许多机制需要深入理解，参数需要进一步优化。
该方案中最重要的组成部分之一是利用磁共振引导的聚焦超声（MR-guided FUS）对肿瘤进行靶向，以实现最大疗效。通过使用模体，可建立一个三维坐标空间，使轴向磁共振成像（MRI）切片中的每个像素都对应一个坐标。随后，只需在MR图像上选择声照射位置，即可告知换能器瞄准何处。所使用的临床前FUS系统具有高度的灵活性，适用于需要靶向特定病理位置（例如肿瘤）的情况，包括那些位置较深、若无影像确认则难以靶向的肿瘤。使用钆作为对比剂，可清晰显示肿瘤，使操作者在选择靶点时能够做出合理决策。SDT相较于许多其他治疗方法的优势在于，它是一种针对肿瘤的特异性治疗。低强度FUS应仅靶向肿瘤组织，而基本不损伤健康的脑实质3,8。
本实验结果突显了该方案的优势如何带来与文献中声动力治疗（SDT）其他研究结果相似的治疗效果。图5显示，在治疗后仅24小时内，治疗组的肿瘤生长速度即出现减缓。尽管在本研究的小样本量下差异尚不显著，但在动物数量增加后可能会达到统计学意义。这种肿瘤生长延迟的现象与Wu等人（2019年）在该领域开创性论文中所报道的结果相似，该研究同样观察到治疗组动物的肿瘤生长速度随时间减缓，并且生存时间延长9。
在设计本方案时，考虑了动物品系、肿瘤类型以及声敏剂的选择。本方案选用裸鼠（athymic nude mice）基于多个原因：首先，裸鼠无毛发，便于进行超声辐照，避免了毛发对超声波的衰减；其次，由于缺乏免疫系统，可成功移植患者来源的异种移植瘤（PDX），使肿瘤模型更接近临床实际情况。然而，使用无胸腺模型的缺点是无法对免疫系统进行表征，因此在这些研究中无法检测声动力疗法（SDT）所引发的免疫反应10。所选用的肿瘤细胞系为一种侵袭性强且生长迅速的PDX细胞系。治疗时机至关重要，必须在确认肿瘤已成功建立的同时，避免肿瘤负荷充满颅内半球。不同的细胞系需要不同的培养时间以获得适合临床前实验的理想肿瘤大小。在本方案中，选用5-ALA作为声敏剂，因其在胶质母细胞瘤（GBM）中具有优先摄取的特性，该特性已在前期实验中通过体外（in vitro）研究得到验证（未发表数据）。其他声敏剂也可替换使用并进行测试，以确定在疗效与安全性方面最合适的化合物。最后，治疗在注射5-ALA后3小时开始，因为既往文献表明，该时间点结合该剂量注射为最佳治疗时机5。
本方案中选择的聚焦超声（FUS）参数（在每个靶点位置以515 kHz频率、10 W/cm2强度照射2分钟）是基于对以往文献的综述和初步实验结果确定的4,9。为在整个肿瘤区域内产生活性氧（ROS）效应，选取了覆盖整个肿瘤区域的声照射点阵。此处使用的强度高于其他已发表研究中的强度，但由于作用时间较短，预计不会引起任何与温度相关的不良效应，因为已有研究成功在小鼠模型中使用高达25 W/cm2的强度而未观察到显著副作用11。重要的是，目前文献中尚未发布标准化或优化的FUS参数组合。因此，本文报告的具体参数值可进一步调整，以确定在保证安全性的前提下实现肿瘤组织最大程度消减的最佳参数组合。此外，由于不同细胞系具有不同的血管化程度和缺氧水平，该治疗方案可能需要相应调整。我们已观察到在声动力治疗（SDT）后24小时内肿瘤生长总体受到抑制（图5），尽管仍需优化参数并增加动物数量以确定该治疗的最大效应。治疗后的磁共振成像（MRI）扫描显示，在健康组织中未出现由FUS治疗引起的病灶，效应局限于肿瘤组织内（图6）。此外，还可将SDT与其他FUS技术联合应用，例如暂时性开放血脑屏障，以提高5-氨基酮戊酸（5-ALA）在肿瘤中的摄取效率12。本方案还可通过多种组织学技术进一步补充，以在结构层面评估治疗的安全性和有效性。可进行苏木精和伊红（H&E）染色以评估组织结构或肿瘤损伤情况13，也可进行末端脱氧核苷酸转移酶dUTP缺口末端标记（TUNEL）染色以检测细胞凋亡14。无论如何，本方案展示了一种安全且具有肿瘤特异性的治疗方法，治疗后24小时即可观察到明显变化，这可通过比较接受SDT治疗与未治疗肿瘤的生长速率，以及对比声照射前后肿瘤切片的结果得以证实。
任何实验方案都存在需要权衡的缺点或局限性。本方案的主要局限在于耗时和成本较高。然而，该方案的一个优势在于其自动化的精准定位。为了实现这种精准操作，需要对每只动物个体进行磁共振成像（MRI）扫描，以确保对肿瘤的靶向准确无误，这一过程可能既耗时又昂贵。此外，根据所需焦点数量的不同，即使仅对少数几只动物实施该方案，所需时间也可能长达数小时，导致实验动物数量受限。尽管存在这些不足，与开放性手术方案相比，这种靶向性非侵入性方法仍然是一个可行的优选方案。
综上所述，本方案在临床前小鼠模型中证明，声动力治疗（SDT）可在治疗后24小时内抑制脑内肿瘤生长，同时保护健康的神经组织。为使该疗法具备临床适用性，有必要进一步研究SDT的疗效，并优化各项参数以提高活性氧（ROS）的产量。应探索SDT作为非侵入性治疗模式的新应用方向。
作者声明，本研究在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。Amir Manbachi 为 BK Medical（GE Healthcare）、Neurosonics Medical 提供教学和咨询服务，并拥有多项正在申请专利的聚焦超声（FUS）技术的发明权。Betty Tyler 获得美国国立卫生研究院（NIH）的研究资助，并是 Accelerating Combination Therapies* 的共同所有人。Ashvattha Therapeutics 公司已获得她的一项专利授权，她同时也是 Peabody Pharmaceuticals 的股东（*包括股权或期权）。
作者感谢美国国家科学基金会（NSF）小型企业技术转让计划第一阶段资助（项目编号：1938939）、美国机械工程师学会国防高级研究计划局（DARPA）资助（项目编号：N660012024075）以及约翰斯·霍普金斯临床与转化研究研究所（ICTR）临床研究学者计划（KL2）的支持，该计划由美国国立卫生研究院（NIH）国家转化科学促进中心（NCATS）负责管理。细胞由梅奥医学教育与研究基金会购买并提供。