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BMEF：低强度聚焦超声助力缺血性脑卒中治疗

Research Article | Open Access

Volume 2022 |Article ID 9864910 |

https://doi.org/10.34133/2022/9864910

缺血性脑卒中可导致残疾和死亡，且患者常表现为预后不良。在缺血性脑卒中的超急性期，大血管闭塞（Large Vessel Occlusion，LVO）后进行的外科血栓切除术是清除原发性阻塞并恢复半影脑血流（Cerebral Blood Flow，CBF）的最佳干预措施。用静脉注射血栓溶解剂（rt-PA）进行全身治疗对LVO疗效甚微，因此需要在血栓切除手术前后补充其他干预手段。

聚焦超声（Focused Ultrasound，FUS）有良好的颅骨穿透性，可以增强溶栓作用并减少脑梗塞。在多种超声技术中，低强度聚焦超声（Low- Intensity Focused Ultrasound, LIFU）已经成为可用于治疗多种疾病的非侵入性疗法。有研究表明，在心脏病、血管性痴呆和阿尔茨海默症的动物模型中，这种疗法可以上调神经营养素，还可以通过血管生成和神经生成产生长期作用。

为了研究LIFU如何影响脑卒后的神经保护和血管变化，作者团队以永久性大脑中动脉闭塞（Permanent Middle Cerebral Artery Occlusion，pMCAO）的非血栓性成年雄性CD1小鼠模型为研究对象，使用1.1 MHz的单元素FUS换能器给模型小鼠行经颅LIFU，以此评估定向 LIFU 是否可以促进实验小鼠模型的急性神经保护作用，并对LIFU在缺血条件下对大脑是否有不良影响进行验证。

作者首先研究了LIFU治疗的安全性和疗效。他们比较了1.8 MPa和3.5 MPa两种峰值负压的LIFU对pMCAO组和对照（sham）组小鼠的影响。所有组别在手术后经颅进行LIFU治疗30分钟（图1），其中3.5 MPa-pMCAO组4只小鼠1只死亡，1只有出血，3.5 MPa-sham组3只小鼠1只死亡，1只有出血，出血处可看到大脑动脉和软脑膜动脉的破坏；而1.8 MPa的两组均未出现死亡或出血（图2），因此作者在后续实验中均采用2.0 MPa的峰值负压，以最好地发挥LIFU的治疗效果，并将实验对象的风险降到最低。

图1：缺血性脑卒中后聚焦超声治疗的实验装置。（SD：sonication duration，超声持续时间，ISI：inter-stimulus interval刺激间期，TBD：tone-burst duration，脉冲持续时长，PRF：pulse repetition frequency，脉冲重复频率）

图2:峰值负压为1.8 MPa和3.5 MPa的LIFU处理后的组织。A-B:1.8 MPa-sham组大脑，无出血；C:1.8MPa-sham组血管图像，无超声引起的损伤；D-E:3.5 MPa-sham组大脑，有出血；F:3.5 MPa-sham组血管图像，有明显组织损伤。

图3：缺血性脑卒中后用LIFU治疗的小鼠的梗塞体积减少。（A：mock组，B：LIFU治疗组）

血管源性水肿是缺血性中风后的一个主要问题，是由于血脑屏障（ Blood-BrainBarrier，BBB）被破坏所致，IgG沉积可以间接衡量BBB 的功能。所以，作者接着对pMCAO 小鼠模型施以30分钟1.1MHz、2.0 MPa的LIFU或模拟LIFU（mock LIFU），并在24小时后评估梗塞区域体积，并量化IgG沉积的面积，发现与mock组相比，LIFU治疗组的梗塞体积和IgG沉积明显减少（图3、图4），说明LIFU可防止pMCAO后的皮质组织损伤、细胞外液积聚和 BBB被破坏。

图4：LIFU处理的小鼠在pMCAO后IgG沉积减少。（A：mock组，B：LIFU治疗组）

此外，作者用血管标记物CD31对小鼠脑冠状切片染色，并测量同侧皮层的微血管直径。发现与mock组相比，LIFU治疗组皮层微血管直径增加（图5），表明超声的急性血管扩张作用可能有助于防止 pMCAO诱发的缺血性中风。事实上，过去对人类的研究结果显示无创经皮低频超声波会导致肱动脉的血管扩张，聚焦超声能触发内皮细胞释放一氧化氮，导致血管扩张，且对内皮细胞的激活支持VEGF信号、血管生成和BBB的恢复，这些变化可能在缺血性卒中时LIFU的神经保护中发挥核心机制作用。

图5：缺血性卒中后，用LIFU治疗的小鼠微血管大小增加。（B、D：mock组，C、E：LIFU治疗组；绿色：CD31，微血管，红色：Nissl，神经元

图6：LIFU治疗并没有明显改变小脑侧枝的大小

软脑膜吻合血管或侧支循环为卒中后血流进入梗塞区提供替代途径，对保护缺血半影有一定作用。侧支循环的评价也成为梗死治疗策略选择时的重要影像学标志。

作者量化了pMCAO后24小时同侧和对侧、mock LIFU和LIFU治疗小鼠的侧支循环的直径和数量(图6A-B、C-D为代表性共聚焦图像)。其中mock组和LIFU治疗组同侧MCA-ACA(大脑中动脉-大脑前动脉)旁路的直径比对侧显著增加，但mock组与LIFU治疗组间没有差异，且各组间旁支数量无差异，MCA-PCA(大脑后动脉)和所有MCA间的旁路都有类似的结果(图6E-H)。

作者还统计了侧支的大小分布，按血管直径分为<20 μm、21-30 μm、31-40 μm、41-50μ m和>50 μm五段，其中对于所有MCA旁支，LIFU治疗组小鼠的同侧旁支对比对侧31-40 μm段和41-50 μm段比例增加，而mock组小鼠仅31-40 μm段比例增加，两组小鼠同侧<20 μm段血管比例对比对侧均下降，MCA-ACA旁路也有类似结果(图61-J)。虽然在24小时内，LIFU治疗组的侧支大小没有明显变化，但并不排除LIFU治疗能够改善或改变侧支循环的血管扩张，这可能影响神经保护。这些血管没有扩大可能是由于LIFU治疗时间短，也说明神经保护可能与毛细血管的扩张有关,而非侧支循环。

总之，这些发现表明LIFU可能通过动脉生成替代机制提供重要的神经保护。