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超声波是一种对生物组织可以产生很强的穿透能力的机械波

作者:    时间:2019-10-27    浏览次数:6

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目前有很多研究证实,菌斑生物膜中的一种特殊遗传系统可使其中的细菌中发挥致病作用,从而与浮游状态时的细菌相比具有更高的抵抗药物作用的能力、更强的毒性能力和更严密的免疫防御能力,导致实验室的结果用于临床效果不佳。近年来,通过对牙菌斑生物膜的研究,人们逐渐意识到菌斑生物膜细菌与其他活组织一样,具有生长和繁殖能力,并且具有独特的形态结构和代谢规则。
超声波是一种对生物组织可以产生很强的穿透能力的机械波,许多药物(例如光敏剂)可以被超声波激活,产生单线态氧等活性物质,其效果是单纯超声作用的几十倍。这一现象最初由日本学者研究发现的,Akram等将这一现象首次定义为声动力学疗法(sono dynamic therapy,SDT)。SDT具有相对较小的毒性和不良反应,并且具有非侵入性的优点,因而受到了全世界学者的高度关注。
低频率超声增加药物的渗透作用及协同杀灭细菌的作用,可以打破生物膜对其中细菌的阻隔作用,诱导药物进入生物膜深部,提高SDT/光动力疗法(photo dynamic theraphy,PDT)的有效性,提高药物灭菌的效果。实验证实,声动力产生的声敏化过程与光动力的光敏化过程极为相似,而且两种作用过程也可以产生相似的活化产物,如单线态氧(1O2)、过氧化氢(H2O2)、自由基(ROS)等。本文对低频率超声作用后生物膜所产生的渗透效应的研究进展进行综述。
1.低频超声促渗的原理
一直以来有很多关于超声促进渗透的原理研究,大多数研究者通过实验证实了经过加热、空化效应、机械效应和辐射压力作用后的声波作用组织后,其渗透系数增加,从而药物通过组织的渗透能力大大加强了。
1.1热效应
超声在穿透媒介时产生大量的热,产生的热量可以使周围组织的温度升高,血管扩张、直径增大,加快血液的流动,从而增加药物穿透组织的能力。热产生的程度与声波的强度和频率呈正相关。如果组织温度显著升高或长时间处于较高的温度下,会引起一系列的不良反应,如表皮坏死、脱落、烫伤等。
1.2空化效应
空化现象所产生的气泡的寿命大约为0.1μs,突然爆破的时候能够产生出巨大的能量。研究结果显示,空穴可能存在于细胞和组织中,并可能对细胞和组织产生一定的影响。空化效应在增加组织的渗透性作用中扮演一个重要的角色,产生的空化气泡由于受到声波的作用,会产生强烈冲击作用,造成整个角质层细胞排列紊乱,还会形成一个水通道,这些通道的存在是增大药物的有效渗透率的前提。空化作用可以说是低频超声增加组织渗透能力的关键一环。
1.3超声效应还有一个最基本的最主要的作用形式——机械效应
它可以使组织软化,使组织的渗透性增强,使新陈代谢速度加快,加快血液循环,完善神经系统和细胞的功能,超声波声压和波的振动可以直接影响组织和细胞,在机械效应的作用下,细胞间隙可以被扩大,而且剪切应力和微流可以使细胞膜遭到破坏。经证实,超声在表皮附近引起的微小声波流会引起角质层的脂质结构紊乱,破坏皮肤屏障的防御功能。Wang等采用低频超声和十二烷基硫酸钠(SLS)共同促进药物经皮传递,在皮肤毛孔半径的计算分析中,证实了超声对角质层增强效果的影响是不均匀的。因此机械效应对提高组织的渗透能力具有一定的影响。
1.4辐射压力
一些研究表明,超声对皮肤或偶联剂之间的界面的直接影响也是增加组织渗透性的一种机制,一些药物以流动的形式渗透皮肤,在超声波传输过程中产生的辐射压力可以促进药物通过皮肤和血管中的栓塞渗透。超声能引起组织休克,加速血液输送和药物输送,尽管这是目前超声治疗的基础,但Simonin证明,声波产生的力非常小,提高皮肤通透性的效果也是可以忽略不计的。
2.低频超声促进渗透的影响因素
2.1声波的强度
超声强度的定义是单位面积上的超声功率,声波强度的大小直接决定了渗透效应的强弱。液体超声强度增大时,空泡的平均强度也随之增加,从而加强渗透效果,但达到某一定值后,空化作用趋向于饱和状态,此时不管声波的强度增大到什么程度,产生的气泡不会产生任何作用,只能带来散射衰减。
2.2超声波频率
声波的频率越低,越容易在液体中产生空泡,可以使药物达到更好的渗透效果。例如,空化现象发生在液体中时,如果声波的频率达到400kHz,其功率是10kHz的10倍,也就是说空化效应与频率呈负相关。所以通常来讲,我们选择的用于增加渗透作用的超声的频率范围是20~40kHz。
2.3屏障效应
Costerton——现代生物膜之父,在1999年第1次发现正是由于细菌受到生物膜的保护作用才使得细菌感染一直无法彻底消除,从此许多学者开始了对细菌生物膜的研究。可是,到目前为止,研究人员对细菌生物膜感染的控制仍然不能令人满意,最主要的原因是生物膜的屏障效应。激光共焦显微镜的结果显示,牙菌斑的生物膜是一种微生态的三维立体结构,其外包裹着获得膜和(或)胞外基质成分,内部区间由丰富的大小不同的液体流通道组成,内部有液体的自由流通。细菌生物膜由于外面包裹的基质粘度高,能提高其防御能力而较好地发挥屏障作用,也能对水有抵抗冲刷的能力。
2.4超声波的有效作用时间
体外实验表明,超声作用的时间和药物穿透组织的量之间存在一定的关系。蒋治楠等通过体外实验发现在同样的情况下,超声波有效作用时间越长,牙菌斑生物膜中导入的光敏剂就越多。
3.牙菌斑生物膜的屏障功能
菌斑生物膜形成过程呈现运动状态,包括以下几个方面:①细菌的初始定植;②细菌之间的附着力和共聚作用;③斑块的成熟。细菌表面存在一种特殊的能识别宿主的表面受体,它是一种粘附蛋白,作用是可以避免细菌被流动的液体冲走。因此,菌斑生物膜具有很强的抵抗能力,高粘度基质具有屏障效应,能抵抗干燥环境。对宿主防御或药物渗透的耐药性使菌斑对抗菌药物的敏感度降低,并能抵抗液体的冲刷。生物膜中的细菌和处于浮游状态的细菌相比,其抵抗药物的能力要增大10~1000倍。
主要原因如下:①胞外聚合物(EPS)形成了细菌的保护屏障,限制了抗生素的进入。②生物膜中的细菌在不断成熟过程中不断适应使生长在其中的细菌生活在一特殊的微环境中,代谢过程中产生的酸性代谢产物会影响很多抗生素的灭菌活性,而且细菌在生长过程中会消耗大量的氧,致使微环境处于厌氧状态,会降低抗生素特别是氨基苷类的代谢活性。③诱导细菌表达不同的基因,这些基因对抗生素有很强的耐药性。④多细菌生物膜中各种菌株的协同作用。菌斑生物膜中的不同细菌之间可以有补给营养的特殊途径,一种细菌可以为其他菌种清除代谢物,协同作用可以使其致病性成倍增加,是有利于不同细菌共同生长的常见方式。菌群内部几乎全部为厌氧菌群,每一层的水通道中,都可以发现一定浓度的溶解氧,因此水性通道附近的需氧菌可以存活下来,使得生物膜中不同种属的细菌可以生活在一起,产生协同效应。
4.低频超声对细菌生物膜促渗作用的研究
低频超声促进药物渗透到细菌生物膜,研究采用标准淀粉片吸收渗透生物膜,测定抑菌环直径的大小可以推算出药物渗透量的多少。蒋治楠等在实验中选用血卟啉单甲醚(hematoporphyrin monomethyl ether,HMME)做为渗透药物,通过荧光光谱技术能迅速检测出细菌生物膜中的HMME含量,从而反映渗透能力的大小。徐杰等研究表明,生物膜的形成减少了4种抗生素的渗透量,这与细菌生物膜细胞外基质的形成存在密切的关系。超声波可以增强抗生素对表皮葡萄球菌的渗透且随时间的增加而加强。
空化效应的强弱与超声波频率的大小呈现负相关,频率越低,产生越明显的促渗效果。朱晨等研究发现,一方面超声作为机械压力波,能产生高压力和高剪切应力,细胞间的微对流可以被增强,细胞膜的通透性增加,促进药物通过生物膜传播。另一方面,增加受辐射区域的局部温度,并在组织中产生自由基,可能会促进细菌细胞膜的渗透性。在此实验中,超声波可以使生物膜上的微孔显著增大,利于药物在细胞膜和胞内运输。
有研究表明常规剂量环丙沙星对生物膜中的细菌没有杀灭作用,也不会破坏生物膜的结构,但是能量为300mW/cm2低频超声却可以使环丙沙星对生物膜的破坏效果有效增强。
5.总结
综上所述,很多实验已经证实低频超声可显著提高药物在菌斑生物膜中的渗透能力。但超声促进渗透技术仍然存在许多局限性,目前超声促进渗透机制和具体发生变化的部位还存在一定的争议,虽然已经对不同药物所需的最佳超声波参数(波形、频率、强度和持续时间等)进行了探讨,但是仍然缺乏深入的系统研究。因此,仍需要长期深入的研究和探索低频超声对菌斑生物膜的促渗作用,这些研究结果将会具有非常高的理论和临床实用价值。
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