高强度超声对肿瘤营养血管的作用
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中国超生医学杂志 2000年第16卷第5期
关利铭 王智彪 伍烽
关键词：高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU) 肿瘤 血管再生 随着高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)作为一种新的肿瘤治疗方法的开展,发现它可使微小血管栓塞、凝固性坏死,由于肿瘤微血管再生是肿瘤生长、转移的重要条件,HIFU抗血管再生作用可否防止肿瘤增生、转移即促使“肿瘤良性化”,深入研究其机理可能对于肿瘤生长规律的研究和HIFU治疗疗效的进一步提高非常有益。
1.肿瘤血管再生
肿瘤血管再生指无血管的瘤体从宿主基质中建立营养血管的过程。Folkman提出的血管再生过程〔1〕:血管再生调节因子释放并作用于受体;血管内皮的增生和迁移;内皮分化形成毛细血管腔,并与宿主血管连接。Folkman血管再生模式焦点在于内皮细胞。新生血管的形成实际上是内皮增殖、浸润和重组过程。
, 百拇医药
血管再生的因子调节〔2〕:肿瘤可过量表达一种或几种正向调节因子,可使宿主细胞(如巨噬细胞)分泌血管再生因子,最普遍的为血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)等。
另外一些因子为负向调节因子抑制血管再生,如血管抑素(angiostatin)、内皮抑素(endostatin)等,主要用于非耐药性抗肿瘤药物的研制。
血管再生与肿瘤再生:Folkman(1972年)提出“一个肿瘤一旦发生瘤细胞数量的增加必须以围绕肿瘤的新生毛细血管增生为先决条件”。以后的许多研究证实了此假说的正确性,研究表明,当一个实体瘤生长直径大于1～3mm后,它的生长必需依靠新生血管。内皮细胞的再生为肿瘤生长的限速步骤。肿瘤血管再生对肿瘤生长有灌注和旁分泌作用,前者是指营养物质和输入,废物的排出;后者是指内皮分泌或促使巨噬细胞分泌生长因子从而刺激肿瘤生长〔3〕。
, 百拇医药
血管再生与肿瘤转移:由于肿瘤诱发的新生血管结构异常,使血流积聚于盲端,易于引起局部环死。同时,肿瘤组织内微血管基质不完善,血管壁缺乏平滑肌支持,血管壁很薄,易通透,瘤细胞易穿透到血管内顺血流到远隔部位形成微小转移灶。因此血管在肿瘤转移中起重要作用〔3〕。
肿瘤血管再生研究的临床应用前景〔4〕:用于患者病情的诊断如应用血管密度(microvessles density,MVD)作为衡量血管再生的标准之一,推测患者预后;用于抗血管再生,肿瘤部位的血管内皮细胞可作为比肿瘤细胞遗传性状更稳定的靶向治疗对象;用于加速修复。与肿瘤患者有关的为前二者。
2.HIFU的物理治疗机理和对血管作用的应用。
HIFU对肿瘤的杀伤主要来自热效应与空化效应,热效应:HIFU在直径0.5～1.0cm聚焦范围内,5～10秒使靶区温度高达65～100℃,直接破坏肿瘤(包括肿瘤滋养血管)组织。空化效应:高强度、短时间的照射,由于空泡形成,逐渐扩大,获得能量,突然破裂,此种破裂产生巨大压力,损伤临近组织〔5〕。
, 百拇医药
近几年血管栓塞和创伤止血两方面有应用HIFU的报道:Hynynen等用MRI作引导HIFU成功栓塞兔在体肾动脉(直径约0.6mm),说明HIFU无创阻断畸形动静脉和肿瘤的血供〔6〕。
Vaezy实验报道HIFU可用于肝脏创伤止血〔7〕、大血管穿刺〔8〕和切割损伤止血〔9〕。肝脏等特殊部位和大血管(如股动脉、颈动脉等)止血,HIFU提供外科结扎完成较为困难的新疗法。HIFU可迅速终止出血,而且治疗后穿刺损伤100%、切割损伤74%大血管血流无中断。
3.HIFU对血管作用损伤的特点
HIFU损伤的病理特点为团块性凝后固性坏死:Vaezy〔7〕发现肝脏止血机理为围绕切口出现凝固性坏死团块。Vaezy等认为HIFU止血伴有“团块烧灼”的特性,伴有很少或没有健康组织血流受影响,超声焦点在紧靠出血点的深部组织,克服了传统烧灼技术,只对表面组织有效,通常导致继发表皮组织损伤的缺点。
, 百拇医药
HIFU对临近靶区的大血管相对安全,肿瘤微血管立即被破坏:Hynynen等认为HIFU对血管的作用可能依据血管的管径、血流速度和超声的特性(频率、强度和照射时间)〔10〕。Yang等〔11〕对在体兔腹主动脉和下腔静脉进行HIFU急、慢实验(4MHz,1.500w/cm2,5s),结果HIFU未造成血管损伤,因为大血管如腹主动脉管径粗,血流速度较快,较长时间照射允许有血流致冷作用,实验表明,HIFU对大血管相对安全;他们应用微血管技术做鼠肝动物模型,发现直径小于0.2mm的肿瘤微血管立即被破坏(4MHz,550w/cm2,4s),Yang等认为HIFU只对小于0.2mm肝脏血管有损伤作用。可见HIFU治疗过程中对附近大血管是相对安全的,但应注意:
(1)、加强影像监测:应用现代影像技术(超声、MRI等)对从血流方面进行鉴别肿瘤和HIFU治疗效果的确定有重要作用。
, 百拇医药 (2)、避免过强空化效应:Hynynen观察HIFU(1.49MHz,1s,≥5800W/cm2)对兔股动、静脉分支的作用时,发现可致血流停止,并有血管出血或破裂发生。原因是由于在低频、高强度照射时产生空化效应引起的,应避免发生〔10〕。
对于前述肝脏创止血,Vaezy等也得出相同的结论。
多环节阻断肿瘤血管再生:HIFU升温比热疗高,导致肿瘤组织凝固性坏死,阻止肿瘤产生血管再生因子;使血管再生因子失去活性;破坏再生的内皮细胞及其形成的管腔。
4.HIFU抗血管再生与“肿瘤良性化”
HIFU抗血管再生与肿瘤的生长:实验表明,HIFU抗血管再生可抑制肿瘤生长。Yang等〔11〕认为在原发和继发性肝癌治疗过程中,血管很重要。减少或切断肿瘤血供将导致肿瘤坏死。实验显示包括HIFU照射区肿瘤营养血管,直径小于0.2mm的肿瘤营养血管立即被破坏。迟发性HIFU照射之间区域性坏死,可能由于后来继发性受照射区微循环破坏所致。
, 百拇医药
HIFU治疗技术在不断改进,已由不能完全固化治疗组织到能完全固化。
Chen〔12〕用HIFU(1.7MHz,1.4～3.5KW/cm2,5～15s)照射HSN纤维肉瘤,靶距2mm,多次照射,同样发现坏死肿瘤中存在活的癌细胞小岛,分析认为这是一种“靶点-靶点作用现象”(Lesion-to-lesion interaction),即若靶距太小,这个靶点会影响下一靶点,以至于留下未杀伤区域。而寻找一个合适的靶距也不容易。有的肿瘤全部坏死,没有上述现象发生,认为这是由于残存的活癌细胞因血供丧失所致。此实验表明肿瘤营养血管在HIFU肿瘤治疗中的作用,也说明Chen使用的HIFU治疗技术有待改进。
随着技术进步,Vaezy等HIFU止血治疗,围绕切口出现凝固性坏死团块。镜下靶区未发现存活组织。
我们实验室在HIFU治疗后采用连续切片,发现肿瘤及营养血管完全凝固坏死,未找到残存的活的肿瘤组织〔13〕, 与Vaezy的研究结果一致,HIFU对原发瘤灶(包括其营养血管)的完全破坏,也就完全根除了肿瘤复发的可能性。
, 百拇医药
HIFU治疗对肿瘤营养血管作用与肿瘤转移:由于开始试用的HIFU治疗仪通常不能完全破坏瘤体,而且对瘤细胞有很强的机械作用,是否会引起肿瘤转移增加,研究结果说法不一〔5〕, 多数报导认为HIFU治疗,转移率降低,少数认为增高转移率。Oosterhof观察鼠后肢前列腺癌肺转移,实验表明不增加转移机率。Oosterhof认为HIFU在数秒内使靶点温度升至65～100℃,引起肿瘤组织(包括营养血管)凝固性坏死,焦点以外的区域完全不受影响,与温热效应相比,对血流影响小得多。确定HIFU治疗是否增加肿瘤转移,根据有以下几点:(1)一些肿瘤模型不具备转移潜能,故不能用此种肿瘤来判定HIFU能否影响其转移;(2)具有潜在转移能力的肿瘤应在转移早期进行HIFU治疗才能确定转移灶的大小和数量;(3)只向一个器官转移的肿瘤才可使用以便所有的转移都计算在内。
但Oosterhof研究的不足之处首先在于,他的HIFU治疗不能完全覆盖整个瘤体,残存的瘤细胞和血管再生后,还可发生转移。现在的HIFU治疗完全破坏原发灶的瘤体与营养血管,如能在肿瘤营养血管再生以前或早期治疗,就有可能防止肿瘤的扩散转移。其次不知瘤细胞是通过何种途径转移的,更难说明如何防止转移。
, 百拇医药
可见,HIFU使瘤细胞和肿瘤营养血管发生完全性凝固坏死,从更多环节彻底阻断肿瘤营养血管再生,HIFU对肿瘤营养血管的作用可能是它抑制肿瘤的增生与转移即肿瘤良性化的一个重要方面。
关利铭(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
王智彪(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
伍烽(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
参考文献
1，Folkman J,Shing Y.Minireview:Angiogenesis.The Journal of Chemistry.1992，267(16):10931～10934
, 百拇医药
2，Hanahan D,Folkman J.Pattern and mechanisms of the angiogenic switch during tumorigenesis.Cell,1996,(3):353～364
3，Folkman J.Clinical application of research on angiogenesis.The New England Journal of Medicine,1995,333(26):1757～1763
4，Baillie CT,Winslet M,Bradley NJ.Tumour vasculature-apotential therapeutic target.British Journal of Cancer,1995，72:257～267
5，Oosterhof.GON,Cornel EB,Smits GAHJ,et al.Influence of High-Intensity Focused Ultrasound on the development of metastases.European Urology,1997,32:91～95
, http://www.100md.com
6，Hynynen K,Chung A,Colucci V.Noninvasive arterial occlusion using MRI-guided focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1996,22(8):1071～1077
7，Vaezy S,Martin R,Schmiedl U,et al.Liver hemostasis using high-intensity focused ultrasound;Ultrasound in Med and biol,1997，23(9):1413～1420
8，Vaezy S,Martin R,Yaziji H,et al.Hemostasis of punctured blood vesseles using high-intensity focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1998,24(6):903～910
, 百拇医药
9，Vaezy S,Martin R,Kaczkowski P,et al.Use of high-intesity focused ultrasound to control bleeding.J Vasc Surg,1999,29(3):533～542
10，Hynynen K,Chung A,Colucci V, et al. Potential adverse effects of high-intensity focused ultrasound exposure on blood vessels in vivo.Ultrasound Med Biol,,1996，22:193～201
11，Yang R,Sanghvi NT,Rescorla FJ,et al.Liver cancer ablation with extracorporeal high-intensity focused ultrasound.Eur Urol,1993,23:17～23
12，Chen L1,Rivens I,ter Harr G,et al.Histological chances in rat liver tumours treated with high-intensity focused ultrasound.J.Ultrasound Biol Med,1993,(19):67～74
13，王智彪,伍烽,王芷龙,等。高强度聚焦超声对香猪肝组织定位损伤的研究。中国超声医学杂志,1997,13(2):1～3, 百拇医药
关键词：高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU) 肿瘤 血管再生 随着高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)作为一种新的肿瘤治疗方法的开展,发现它可使微小血管栓塞、凝固性坏死,由于肿瘤微血管再生是肿瘤生长、转移的重要条件,HIFU抗血管再生作用可否防止肿瘤增生、转移即促使“肿瘤良性化”,深入研究其机理可能对于肿瘤生长规律的研究和HIFU治疗疗效的进一步提高非常有益。
1.肿瘤血管再生
肿瘤血管再生指无血管的瘤体从宿主基质中建立营养血管的过程。Folkman提出的血管再生过程〔1〕:血管再生调节因子释放并作用于受体;血管内皮的增生和迁移;内皮分化形成毛细血管腔,并与宿主血管连接。Folkman血管再生模式焦点在于内皮细胞。新生血管的形成实际上是内皮增殖、浸润和重组过程。
, 百拇医药
血管再生的因子调节〔2〕:肿瘤可过量表达一种或几种正向调节因子,可使宿主细胞(如巨噬细胞)分泌血管再生因子,最普遍的为血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)等。
另外一些因子为负向调节因子抑制血管再生,如血管抑素(angiostatin)、内皮抑素(endostatin)等,主要用于非耐药性抗肿瘤药物的研制。
血管再生与肿瘤再生:Folkman(1972年)提出“一个肿瘤一旦发生瘤细胞数量的增加必须以围绕肿瘤的新生毛细血管增生为先决条件”。以后的许多研究证实了此假说的正确性,研究表明,当一个实体瘤生长直径大于1～3mm后,它的生长必需依靠新生血管。内皮细胞的再生为肿瘤生长的限速步骤。肿瘤血管再生对肿瘤生长有灌注和旁分泌作用,前者是指营养物质和输入,废物的排出;后者是指内皮分泌或促使巨噬细胞分泌生长因子从而刺激肿瘤生长〔3〕。
, 百拇医药
血管再生与肿瘤转移:由于肿瘤诱发的新生血管结构异常,使血流积聚于盲端,易于引起局部环死。同时,肿瘤组织内微血管基质不完善,血管壁缺乏平滑肌支持,血管壁很薄,易通透,瘤细胞易穿透到血管内顺血流到远隔部位形成微小转移灶。因此血管在肿瘤转移中起重要作用〔3〕。
肿瘤血管再生研究的临床应用前景〔4〕:用于患者病情的诊断如应用血管密度(microvessles density,MVD)作为衡量血管再生的标准之一,推测患者预后;用于抗血管再生,肿瘤部位的血管内皮细胞可作为比肿瘤细胞遗传性状更稳定的靶向治疗对象;用于加速修复。与肿瘤患者有关的为前二者。
2.HIFU的物理治疗机理和对血管作用的应用。
HIFU对肿瘤的杀伤主要来自热效应与空化效应,热效应:HIFU在直径0.5～1.0cm聚焦范围内,5～10秒使靶区温度高达65～100℃,直接破坏肿瘤(包括肿瘤滋养血管)组织。空化效应:高强度、短时间的照射,由于空泡形成,逐渐扩大,获得能量,突然破裂,此种破裂产生巨大压力,损伤临近组织〔5〕。
, 百拇医药
近几年血管栓塞和创伤止血两方面有应用HIFU的报道:Hynynen等用MRI作引导HIFU成功栓塞兔在体肾动脉(直径约0.6mm),说明HIFU无创阻断畸形动静脉和肿瘤的血供〔6〕。
Vaezy实验报道HIFU可用于肝脏创伤止血〔7〕、大血管穿刺〔8〕和切割损伤止血〔9〕。肝脏等特殊部位和大血管(如股动脉、颈动脉等)止血,HIFU提供外科结扎完成较为困难的新疗法。HIFU可迅速终止出血,而且治疗后穿刺损伤100%、切割损伤74%大血管血流无中断。
3.HIFU对血管作用损伤的特点
HIFU损伤的病理特点为团块性凝后固性坏死:Vaezy〔7〕发现肝脏止血机理为围绕切口出现凝固性坏死团块。Vaezy等认为HIFU止血伴有“团块烧灼”的特性,伴有很少或没有健康组织血流受影响,超声焦点在紧靠出血点的深部组织,克服了传统烧灼技术,只对表面组织有效,通常导致继发表皮组织损伤的缺点。
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HIFU对临近靶区的大血管相对安全,肿瘤微血管立即被破坏:Hynynen等认为HIFU对血管的作用可能依据血管的管径、血流速度和超声的特性(频率、强度和照射时间)〔10〕。Yang等〔11〕对在体兔腹主动脉和下腔静脉进行HIFU急、慢实验(4MHz,1.500w/cm2,5s),结果HIFU未造成血管损伤,因为大血管如腹主动脉管径粗,血流速度较快,较长时间照射允许有血流致冷作用,实验表明,HIFU对大血管相对安全;他们应用微血管技术做鼠肝动物模型,发现直径小于0.2mm的肿瘤微血管立即被破坏(4MHz,550w/cm2,4s),Yang等认为HIFU只对小于0.2mm肝脏血管有损伤作用。可见HIFU治疗过程中对附近大血管是相对安全的,但应注意:
(1)、加强影像监测:应用现代影像技术(超声、MRI等)对从血流方面进行鉴别肿瘤和HIFU治疗效果的确定有重要作用。
, 百拇医药 (2)、避免过强空化效应:Hynynen观察HIFU(1.49MHz,1s,≥5800W/cm2)对兔股动、静脉分支的作用时,发现可致血流停止,并有血管出血或破裂发生。原因是由于在低频、高强度照射时产生空化效应引起的,应避免发生〔10〕。
对于前述肝脏创止血,Vaezy等也得出相同的结论。
多环节阻断肿瘤血管再生:HIFU升温比热疗高,导致肿瘤组织凝固性坏死,阻止肿瘤产生血管再生因子;使血管再生因子失去活性;破坏再生的内皮细胞及其形成的管腔。
4.HIFU抗血管再生与“肿瘤良性化”
HIFU抗血管再生与肿瘤的生长:实验表明,HIFU抗血管再生可抑制肿瘤生长。Yang等〔11〕认为在原发和继发性肝癌治疗过程中,血管很重要。减少或切断肿瘤血供将导致肿瘤坏死。实验显示包括HIFU照射区肿瘤营养血管,直径小于0.2mm的肿瘤营养血管立即被破坏。迟发性HIFU照射之间区域性坏死,可能由于后来继发性受照射区微循环破坏所致。
, 百拇医药
HIFU治疗技术在不断改进,已由不能完全固化治疗组织到能完全固化。
Chen〔12〕用HIFU(1.7MHz,1.4～3.5KW/cm2,5～15s)照射HSN纤维肉瘤,靶距2mm,多次照射,同样发现坏死肿瘤中存在活的癌细胞小岛,分析认为这是一种“靶点-靶点作用现象”(Lesion-to-lesion interaction),即若靶距太小,这个靶点会影响下一靶点,以至于留下未杀伤区域。而寻找一个合适的靶距也不容易。有的肿瘤全部坏死,没有上述现象发生,认为这是由于残存的活癌细胞因血供丧失所致。此实验表明肿瘤营养血管在HIFU肿瘤治疗中的作用,也说明Chen使用的HIFU治疗技术有待改进。
随着技术进步,Vaezy等HIFU止血治疗,围绕切口出现凝固性坏死团块。镜下靶区未发现存活组织。
我们实验室在HIFU治疗后采用连续切片,发现肿瘤及营养血管完全凝固坏死,未找到残存的活的肿瘤组织〔13〕, 与Vaezy的研究结果一致,HIFU对原发瘤灶(包括其营养血管)的完全破坏,也就完全根除了肿瘤复发的可能性。
, 百拇医药
HIFU治疗对肿瘤营养血管作用与肿瘤转移:由于开始试用的HIFU治疗仪通常不能完全破坏瘤体,而且对瘤细胞有很强的机械作用,是否会引起肿瘤转移增加,研究结果说法不一〔5〕, 多数报导认为HIFU治疗,转移率降低,少数认为增高转移率。Oosterhof观察鼠后肢前列腺癌肺转移,实验表明不增加转移机率。Oosterhof认为HIFU在数秒内使靶点温度升至65～100℃,引起肿瘤组织(包括营养血管)凝固性坏死,焦点以外的区域完全不受影响,与温热效应相比,对血流影响小得多。确定HIFU治疗是否增加肿瘤转移,根据有以下几点:(1)一些肿瘤模型不具备转移潜能,故不能用此种肿瘤来判定HIFU能否影响其转移;(2)具有潜在转移能力的肿瘤应在转移早期进行HIFU治疗才能确定转移灶的大小和数量;(3)只向一个器官转移的肿瘤才可使用以便所有的转移都计算在内。
但Oosterhof研究的不足之处首先在于,他的HIFU治疗不能完全覆盖整个瘤体,残存的瘤细胞和血管再生后,还可发生转移。现在的HIFU治疗完全破坏原发灶的瘤体与营养血管,如能在肿瘤营养血管再生以前或早期治疗,就有可能防止肿瘤的扩散转移。其次不知瘤细胞是通过何种途径转移的,更难说明如何防止转移。
, 百拇医药
可见,HIFU使瘤细胞和肿瘤营养血管发生完全性凝固坏死,从更多环节彻底阻断肿瘤营养血管再生,HIFU对肿瘤营养血管的作用可能是它抑制肿瘤的增生与转移即肿瘤良性化的一个重要方面。
关利铭(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
王智彪(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
伍烽(400016 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所)
参考文献
1，Folkman J,Shing Y.Minireview:Angiogenesis.The Journal of Chemistry.1992，267(16):10931～10934
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2，Hanahan D,Folkman J.Pattern and mechanisms of the angiogenic switch during tumorigenesis.Cell,1996,(3):353～364
3，Folkman J.Clinical application of research on angiogenesis.The New England Journal of Medicine,1995,333(26):1757～1763
4，Baillie CT,Winslet M,Bradley NJ.Tumour vasculature-apotential therapeutic target.British Journal of Cancer,1995，72:257～267
5，Oosterhof.GON,Cornel EB,Smits GAHJ,et al.Influence of High-Intensity Focused Ultrasound on the development of metastases.European Urology,1997,32:91～95
, http://www.100md.com
6，Hynynen K,Chung A,Colucci V.Noninvasive arterial occlusion using MRI-guided focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1996,22(8):1071～1077
7，Vaezy S,Martin R,Schmiedl U,et al.Liver hemostasis using high-intensity focused ultrasound;Ultrasound in Med and biol,1997，23(9):1413～1420
8，Vaezy S,Martin R,Yaziji H,et al.Hemostasis of punctured blood vesseles using high-intensity focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1998,24(6):903～910
, 百拇医药
9，Vaezy S,Martin R,Kaczkowski P,et al.Use of high-intesity focused ultrasound to control bleeding.J Vasc Surg,1999,29(3):533～542
10，Hynynen K,Chung A,Colucci V, et al. Potential adverse effects of high-intensity focused ultrasound exposure on blood vessels in vivo.Ultrasound Med Biol,,1996，22:193～201
11，Yang R,Sanghvi NT,Rescorla FJ,et al.Liver cancer ablation with extracorporeal high-intensity focused ultrasound.Eur Urol,1993,23:17～23
12，Chen L1,Rivens I,ter Harr G,et al.Histological chances in rat liver tumours treated with high-intensity focused ultrasound.J.Ultrasound Biol Med,1993,(19):67～74
13，王智彪,伍烽,王芷龙,等。高强度聚焦超声对香猪肝组织定位损伤的研究。中国超声医学杂志,1997,13(2):1～3, 百拇医药