專利名稱：超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置及靶向轉移的方法
技術領域：
本發明屬于生物醫學工程技術領域，具體涉及一種超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因及效果評價裝置和一種將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法。
背景技術：
藥物/基因傳輸是充分發揮藥物/基因本身生物學效應的關鍵性技術。目前藥物/基因傳輸載體常見的有病毒類和非病毒類，如藥物/基因的直接注射法、脂質體介導、受體介導、顆粒轟擊技術、電穿孔法等。
在基因傳輸技術中現有的病毒類載體，雖然基因的轉染率高，但存在安全性和機體對病毒產生免疫反應等問題；質粒等非病毒載體，雖然安全，但轉染率低。蛋白質、多肽以及化療藥物等和基因藥物一樣采用靜脈注射的轉輸方式存在靶向性差的缺點，到達特定組織的藥物/基因量少，效率低下；藥物/基因局部注射導入則存在適用范圍有限及有創等問題。目前藥物/基因傳輸技術領域中存在不少尚未解決的問題，特別是缺乏安全、有效、有組織特異性和靶向性的藥物/基因傳輸系統。
而微泡造影劑作為一種新的藥物/基因運載工具，將特定的藥物/基因與微泡造影劑結合起來，通過外周血管注射，以超聲破壞攜基因的微泡，使微泡在特定組織進行定位釋放，這種新的藥物/基因傳輸方法，具有無創、高效、操作簡便、靶向性好、安全且重復性好的優點，但目前尚缺乏用于實現超聲靶向定位控釋藥物/基因的專用裝置，尤其是缺乏具有定位、監控、診斷及治療一體化的裝置。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的上述不足，提供一種能夠提高藥物/基因傳輸效率，并可對其進行定位和監控的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置。
本發明所要解決的另一個技術問題是要提供一種將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法。
解決本發明技術問題所采用的技術方案是該超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置包括超聲觸發/治療單元、超聲監控單元、與超聲觸發/治療單元連接的驅動單元、分別與超聲監控單元及超聲觸發/治療單元連接的計算機控制單元。該計算機控制單元包括有主機、與主機連接的顯示器，主機的中央處理器連接有用于對藥物/基因的傳輸進行控制的組織定征模塊和圖像采集卡，組織定征模塊與超聲觸發/治療單元相連，圖像采集卡與超聲監控單元相連。組織定征模塊包括分別與超聲觸發/治療單元相連的功率控制單元和時間控制單元。其中，超聲監控單元優選B超儀。
優選的是，組織定征模塊還包括有與圖像采集卡相連的用于評定藥物/基因靶向傳輸效果的圖像灰階評判單元，所述功率控制單元和時間控制單元分別與其圖像灰階評判單元相連。使用時，功率控制單元和時間控制單元以一定的功率和作用時間對組織進行作用，并通過作用前后適時的圖像灰階評判單元的圖像灰階對比來進行作用效果的評判，根據作用效果，若沒有達到滿意的效果，則功率控制單元和時間控制單元調整適當的功率和時間，繼續對目標組織進行作用，直到達到滿意的效果。
為了能及時將超聲觸發/治療單元產生的熱量散發，以延長其使用壽命，該裝置還可包括有與超聲觸發/治療單元連接的冷卻單元。
本發明中，超聲監控單元和超聲觸發/治療單元固定在一起，固定的方法有多種，優選的是，超聲觸發/治療單元的中部開有孔路，超聲監控單元的監控探頭穿過該孔路與超聲觸發/治療單元中的超聲觸發/治療頭固定在一起。通過所述超聲監控單元和超聲觸發/治療單元固定在一起，在監控圖像中，可以精確的指示出超聲觸發/治療單元作用區域的位置，使用時可以精確地觀察到作用區域的圖像變化，并可及時進行效果評判。
本發明裝置可利用超聲波觸發破壞微泡實現藥物/基因靶向傳輸，并可進行藥物/基因靶向轉移的效果評價，使診斷、治療和評定一體化，經使用健康的新西蘭大白兔為實驗對象證明本發明裝置可以明顯提高藥物/基因的傳輸效率。
一種將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，包括微泡造影劑與藥物/基因結合形成攜藥物/基因的微泡造影劑，利用以上所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置中的超聲監控單元產生的超聲聲像圖監控攜藥物/基因的微泡造影劑靶向轉移和定位控釋，即將攜有藥物/基因的微泡造影劑進行靜脈注射，當超聲監控單元監控微泡造影劑到達靶組織顯影后，驅動單元驅動超聲觸發/治療單元發射超聲波破壞微泡，待微泡破壞后，再將超聲波直接作用于靶組織，由計算機控制單元控制超聲發射的功率和時間，直至藥物/基因達到定向轉移和定位控釋。
優選的是，本發明方法還包括有藥物/基因轉移后的效果評定步驟，即超聲破壞微泡后，計算機控制單元通過圖像采集卡采集到超聲監控單元所監控到的靶組織的實時圖像，傳送給顯示器進行顯示，可以實時觀察到攜藥物/基因的微泡造影劑到達靶組織及其轉染、表達的情況，同時，組織定征模塊中的圖像灰階評判單元利用超聲監控單元產生的超聲圖像的灰階對比對作用效果進行評判，根據灰階值變化情況，若作用前、后的圖像灰階對比差值小于3-5，認為沒有達到滿意的效果，則調整組織定征模塊中設置的超聲波劑量和作用時間，控制超聲換能器的功率和作用時間，繼續對靶組織進行作用，直至達到定向轉移和定位控釋。
為了精確的控制超聲波的劑量和作用時間，在驅動單元驅動超聲觸發/治療單元發射超聲波破壞微泡前，在組織定征模塊的功率控制單元、時間控制單元中設置相應的參數，然后再發射超聲波。其中，超聲觸發/治療單元所設置的發射的超聲波頻率范圍為20KHz～2MHz，優選1MHz，聲強范圍為0.25～3W/cm2，優選0.5W/cm2，作用時間為0.25～3分鐘，優選1分鐘。
本發明中所涉及的攜藥物/基因的微泡造影劑是將購得的造影劑或自制造影劑與基因粘附后所獲得的，外購微泡造影劑與藥物/基因結合形成攜藥物/基因的微泡造影劑的步驟包括將藥物/基因粘附于微泡造影劑的表面，即將選定的藥物/基因與脂質微泡造影劑或白蛋白微泡造影劑按體積以(3～10)∶10的比例混合，利用靜電吸附作用將藥物/基因粘附于微泡表面。
攜藥物/基因的微泡造影劑另一種制作方法采用自制造影劑，其采用自制造影劑制作攜藥物/基因的微泡造影劑的方法包括的步驟為將藥物/基因包裹于微泡內，即將低溫下為液態的氟碳氣體與藥物/基因按體積以(3～5)∶1混合后，在超聲振蕩作用下形成由脂質材料包裹氟碳液體和藥物/基因的微球，在溫度升高至37℃～45℃條件下微球變為微泡，用緩沖液(比如PBS緩沖液)清洗掉未裹入的藥物/基因，所得到的即為包裹入的攜藥物/基因的微泡造影劑。
所述藥物為腫瘤化療藥物、抗生素或各種蛋白質、多肽藥物，所述基因為血管內皮生長因子(VEGF)、肝細胞生長因子(HGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)等，標記基因如綠色熒光蛋白基因(GFP)、β-半乳糖苷酶基因。
本發明方法無創，簡便、可反復使用。


圖1為本發明超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因及效果評價裝置的結構原理框2為本發明超聲監控單元2和超聲觸發/治療單元3的結構關系立體圖(外殼水平放置時)圖3為本發明超聲監控單元2和超聲觸發/治療單元3的結構關系立體圖(外殼豎立放置時)圖4為本發明計算機控制單元4的結構原理框5A為本發明超聲微泡攜基因促血管新生的對照組的數字減影血管造影5B為本發明超聲微泡攜基因促血管新生的試驗組的數字減影血管造影中1-靶組織 2-超聲監控單元 20-監控探頭 3-超聲觸發/治療單元 30-超聲觸發/治療頭 4-計算機控制單元 41-主機 42-顯示器 43-組織定征模塊 44-圖像采集卡 45-功率控制單元46-時間控制單元 47-圖像灰階評判單元 5-驅動單元 6-冷卻單元7-連接管 8-外殼 9、10、11、12-孔路 13-透聲膜具體實施方式
以下結合實施例和附圖對本發明內容作進一步詳細說明。
以下實施例為本發明的非限定性實施例。
如圖1所示，本發明超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置包括有超聲監控單元2、超聲觸發/治療單元3、驅動超聲觸發/治療單元2發射超聲波的驅動單元5、計算機控制單元4以及冷卻單元6，其中，計算機控制單元4分別與超聲監控單元2以及超聲觸發/治療單元3相連，驅動單元5和冷卻單元6分別與超聲觸發/治療單元3連接。超聲觸發/治療單元3用以觸發破壞微泡實現藥物/基因靶向傳輸以及對靶組織1進行治療，超聲監控單元2用以對靶組織1的治療情況進行監控。超聲觸發/治療單元3中包括有超聲觸發/治療頭30，超聲監控單元2中包括有監控探頭20。本實施例中，超聲監控單元2采用B超儀。
如圖4所示，計算機控制單元4包括主機41和與主機41連接的顯示器42。主機41包括有組織定征模塊43和圖像采集卡44，組織定征模塊43與超聲觸發/治療單元3相連，圖像采集卡44與超聲監控單元2相連。組織定征模塊43包括功率控制單元45和時間控制單元46和圖像灰階評判單元47。功率控制單元45和時間控制單元46在外部同時與超聲觸發/治療單元3連接，在內部同時與圖像灰階評價單元47連接，圖像灰階評價單元47與圖像采集卡44連接。
在功率控制單元45和時間控制單元46中可以設置一定的技術參數，使得超聲觸發/治療頭30以一定的功率和作用時間對靶組織1進行作用，并通過作用前后對圖像采集卡44所采集的圖像由圖像灰階評判單元47進行適時的圖像灰階對比，若作用前、后的圖像灰階對比差值小于3-5，則由功率控制單元45和時間控制單元46分別對功率和時間進行適當的調整，繼續對靶組織1進行作用，直到達到滿意的效果。
其中，超聲觸發/治療單元3所發射的超聲波為聚焦/不聚焦的治療/診斷用超聲波，該超聲波為脈沖波或連續波，頻率可為20KHz～2MHz、強度可為0.25-3W/cm2。
超聲監控單元2的監控探頭20(即B超探頭)和超聲觸發/治療單元3中的超聲觸發/治療頭30結合為一體。如圖2、3所示，超聲觸發/治療頭30中部有監控探頭20可以通過的孔路，監控探頭20固定在該孔路中。
如圖2、3所示，超聲觸發/治療單元3的外部包圍有外殼8，超聲觸發/治療頭30和外殼8由螺釘通過孔路10固定在一起，監控探頭20下部有一連接管7，螺釘通過孔路11將外殼8和連接管7固定，這樣，外殼8就將超聲觸發/治療頭30和監控探頭20固定成為一體。外殼8中提供超聲觸發/治療頭30與驅動單元5及計算機控制單元5連接用電纜的孔路12，孔路12同時也是與冷卻單元6相通的冷卻通道。連接管7中還安裝有超聲監控單元2與計算機控制單元4連接的電纜。
如圖3所示，超聲觸發/治療頭30中包括有超聲換能器，超聲換能器上開有孔路9用作該超聲換能器的進水和排除通道，超聲觸發/治療頭30端部通過粘接或其它方式固定有透聲膜13。
使用本發明裝置時，監控探頭20和超聲觸發/治療頭30沿著靶組織1的方向運動，超聲觸發/治療頭30發射超聲波觸發破壞微泡實現藥物/基因靶向傳輸并對靶組織1進行治療。
在將本發明裝置用于實施超聲波破壞微泡實現藥物/基因靶向轉移效果時，首先需要將微泡造影劑與藥物/基因結合，形成攜藥物/基因的微泡造影劑，通過外周血管注射攜藥物/基因的微泡造影劑，再利用超聲監控單元2中產生的超聲聲像圖監控攜藥物/基因的微泡造影劑靶向轉移和以超聲破壞攜藥物/基因的微泡，使微泡在特定組織進行定位釋放，具體的方法是按照以下步驟進行的(1)將藥物/基因粘附于微泡造影劑的表面將選定的藥物/基因與脂質微泡造影劑按體積以(3～10)∶10的比例混合(即使混合物中藥物/基因的量約為0.1～1mg/ml)，利用靜電吸附作用將藥物/基因粘附于微泡表面，制成將藥物/基因粘附于表面的微泡造影劑；或將藥物/基因包裹于微泡內將低溫下為液態的氟碳氣體與藥物/基因按體積以(3～5)∶1混合后，在超聲振蕩作用下形成由脂質材料包裹氟碳液體和藥物/基因的微球，在溫度升高至37℃～45℃條件下變為微泡，用PBS緩沖液清洗掉未裹入的基因，所得到的即為包裹入的攜藥物/基因的微泡造影劑；(2)再利用超聲監控單元2中產生的超聲聲像圖監控攜藥物/基因的微泡造影劑靶向轉移和定位控釋在組織定征模塊43的功率控制單元45中設置聲強參數為0.5W/cm2、頻率為1MHz，時間控制單元46中設定作用時間為1分鐘，再將攜藥物/基因的微泡造影劑進行靜脈注射，用超聲監控單元2(B超儀)的聲像圖監控造影劑到達靶組織1顯影后，驅動單元5驅動超聲觸發/治療單元3的超聲觸發/治療頭30發射超聲波破壞微泡，微泡破壞后的“空化效應”、“聲孔效應”可致微血管破裂、細胞膜產生聲孔，可使基因在靶組織1的轉染率明顯提高；(3)藥物/基因轉移后的效果評定的步驟超聲破壞微泡后，組織定征模塊43中的圖像灰階評判單元47利用圖像采集卡44所采集的圖像信息在顯示器中所顯示的攜基因的微泡造影劑到達靶組織及其轉染、表達的情況的圖像灰階對比，根據圖像灰階值變化情況，若作用前、后的圖像灰階對比差值小于3～5時，則適當調整功率控制單元45和時間控制單元46中的相關參數，繼續對靶組織1進行作用，直到達到定向轉移和定位控釋的目的。
在本發明工作的整個過程中，由冷卻單元6提供冷卻水冷卻超聲觸發/治療單元3所產生的熱量。
圖5A、5B所示為超聲微泡攜藥物/基因具有顯著的促血管新生效果對比圖。
具體實驗如下以健康的新西蘭大白兔為實驗對象，其體重為2.5～3kg，速眠新肌肉麻醉(0.1～0.15ml/kg)，用8％Na2S脫毛，仰臥固定于操作臺上，行左下肢股動脈及其分支結扎術，造成下肢閉塞性血管病模型。造模成功后隨機分為實驗組和對照組，實驗組為超聲微泡處理組(A)，對照包括空白對照組(B)，單純超聲輻照組(C)、單純微泡處理組(D)。實驗中所用的微泡為白蛋白微泡造影劑，造影劑濃度為8.3×108個/ml，微泡大小為2.7±0.8μm。A組即造模成功后采用局部輸入白蛋白微泡和pcDNA3.1/VEGF165質粒的混合物，其中含有pcDNA3.1/VEGF165質粒25μg，并用超聲波輻照，其參數為發射頻率1MHz，聲強為2.0W/cm2，輻照1min；B組不采用超聲和微泡處理，為空白對照組。C組不用微泡的前提下單純采用超聲輻照，其參數同A組；D組為單純微泡處理組即造模成功后采用骨骼肌局部輸入pcDNA3.1/VEGF165質粒25μg，不采用超聲輻照。術后4周腹主動脈內插管，加壓1s內注入76％泛影葡胺造影劑2mL，采用連續電影攝影記錄造影結果，攝影速度25禎/s，觀察新生血管和側枝循環的形成狀況，結果顯示對照組骨骼肌新生血管數較少(如圖5A所示)，而實驗組即超聲微泡處理組骨骼肌新生血管數明顯增多(如圖5B所示)。表明超聲破壞攜VEGF165基因微泡能顯著促進缺血骨胳肌的血管新生。
微泡造影劑可為自制造影劑，也可為直接購買的微泡造影劑如意大利生產的Sonovue，美國生產的Optison、Albunex，德國生產的Levovist等產品或自制的聲學造影劑。將購得的微泡造影劑或自制造影劑用于與藥物/基因粘附，并可在微泡表面連接上針對特定組織抗原的相應抗體或針對特定受體的配體，可大大提高微泡的靶向作用。如抗CD34、抗ICAM、抗E-選擇素、抗P-選擇素等，將各種抗體在聲振過程中混合入液體中，形成具有靶向作用的超聲微泡造影劑。
本發明方法所涉及的基因為可獲得的現有基因，各種生長因子如血管內皮生長因子(VEGF)、肝細胞生長因子(HGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)等；標記基因如綠色熒光蛋白基因(GFP)、β-半乳糖苷酶基因等。適合本實施的藥物包括一切有生物活性的物質如腫瘤化療藥物、抗生素以及各種蛋白質、多肽藥物等。
權利要求
1.一種超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于該裝置包括超聲觸發/治療單元、超聲監控單元、與超聲觸發/治療單元連接的驅動單元、分別與超聲監控單元及超聲觸發/治療單元連接的計算機控制單元。
2.根據權利要求1所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于該計算機控制單元包括有主機、與主機連接的顯示器，主機的中央處理器連接有用于對藥物/基因的傳輸進行控制的組織定征模塊和圖像采集卡，組織定征模塊與超聲觸發/治療單元相連，圖像采集卡與超聲監控單元相連。
3.根據權利要求2所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于所述組織定征模塊包括分別與超聲觸發/治療單元相連的功率控制單元和時間控制單元。
4.根據權利要求3所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于所述組織定征模塊還包括有與圖像采集卡相連的用于評定藥物/基因靶向傳輸效果的圖像灰階評判單元，所述功率控制單元和時間控制單元分別與圖像灰階評判單元相連。
5.根據權利要求1-4之一所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于該裝置還包括有與超聲觸發/治療單元連接的冷卻單元。
6.根據權利要求5所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于所述超聲監控單元采用B超儀。
7.根據權利要求5所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于超聲監控單元和超聲觸發/治療單元固定在一起。
8.根據權利要求7所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置，其特征在于超聲觸發/治療單元中部有孔路，超聲監控單元中的監控探頭穿過該孔路與超聲觸發/治療單元中的超聲觸發/治療頭固定在一起。
9.一種利用權利要求1-8之一所述的超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，包括微泡造影劑與藥物/基因結合形成攜藥物/基因的微泡造影劑，利用超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置中的超聲監控單元產生的超聲聲像圖監控攜藥物/基因的微泡造影劑靶向轉移和定位控釋，即將攜有藥物/基因的微泡造影劑進行靜脈注射，當超聲監控單元監控微泡造影劑到達靶組織顯影后，驅動單元驅動超聲觸發/治療單元發射超聲波破壞微泡，待微泡破壞后，再將超聲波直接作用于靶組織，由計算機控制單元控制超聲發射的功率和時間，直至藥物/基因達到定向轉移和定位控釋。
10.根據權利要求9所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于該方法還包括有藥物/基因轉移后的效果評定步驟，即超聲破壞微泡后，計算機控制單元通過圖像采集卡采集到超聲監控單元所監控到的靶組織的實時圖像，傳送給顯示器進行顯示，可以觀察到攜藥物/基因的微泡造影劑到達靶組織及其轉染、表達的情況，同時，組織定征模塊中的圖像灰階評判單元利用超聲監控單元產生的超聲圖象的灰階對比對作用效果進行評判，根據作用效果評判的結果調整組織定征模塊中設置的超聲相關參數，繼續對靶組織進行作用，直至達到定向轉移和定位控釋。
11.根據權利要求10所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于超聲觸發/治療單元中所設置的發射的超聲波頻率范圍為20KHz～2MHz、聲強范圍為0.25～3W/cm2，作用時間為0.25～3分鐘。
12.根據權利要求9所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于微泡造影劑與藥物/基因結合形成攜藥物/基因的微泡造影劑的步驟包括將藥物/基因粘附于微泡造影劑的表面，即將選定的藥物/基因與脂質微泡造影劑按體積以(3～10)∶10的比例混合，利用靜電吸附作用將藥物/基因粘附于微泡表面。
13.根據權利要求9所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于微泡造影劑與藥物/基因結合形成攜藥物/基因的微泡造影劑的步驟包括將藥物/基因包裹于微泡內，即將低溫下為液態的氟碳氣體與藥物/基因按體積以(3～5)∶1混合后，在超聲振蕩作用下形成由脂質材料包裹氟碳液體和藥物/基因的微球，在溫度升高至37℃～45℃條件下微球變為微泡，用緩沖液清洗掉未裹入的藥物/基因，所得到的即為包裹入的攜藥物/基因的微泡造影劑。
14.根據權利要求9所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于微泡造影劑與藥物/基因粘附形成攜藥物/基因的微泡造影劑，在微泡表面連接上針對特定組織抗原的相應抗體或針對特定受體的配體，將各種抗體在聲振過程中混合入液體中，形成具有靶向作用的超聲微泡造影劑。
15.根據權利要求9所述的將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，其特征在于所述藥物為腫瘤化療藥物、抗生素或各種蛋白質、多肽藥物，所述基因為血管內皮生長因子、肝細胞生長因子、成纖維細胞生長因子。
全文摘要
本發明涉及一種超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置和一種將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法，一種超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因及效果評價裝置和將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法。該超聲微泡靶向定位控釋藥物/基因裝置包括超聲觸發/治療單元、與超聲觸發/治療單元連接的驅動單元及超聲監控單元，該裝置還包括計算機控制單元，其包括有主機、顯示器，主機中連接有用于評定藥物/基因靶向傳輸效果的組織定征模塊和圖像采集卡。一種將微泡造影劑與藥物/基因結合用超聲波實現靶向轉移的方法。本發明可利用超聲波觸發破壞微泡實現藥物/基因靶向傳輸，并可進行藥物/基因靶向轉移的效果評價，使診斷、治療和評定一體化。
文檔編號A61K47/00GK101028524SQ20061005670
公開日2007年9月5日 申請日期2006年3月3日 優先權日2006年3月3日
發明者王志剛, 冉海濤, 許川山, 張群霞, 凌智瑜, 鄭元義, 燕思源 申請人:重慶融海超聲醫學工程研究中心有限公司