聚焦超声将强大的能量束定向到体内的特定疾病目标。
频率高于人类听觉阈值的声波在医疗护理中已得到常规应用。这些声波也被称为超声波，可以帮助临床医生诊断和监测疾病，也能让您首次看到新家庭成员的身影。
如今，从癌症到阿尔茨海默病等神经退行性疾病，各种病症的患者可能很快就能从这项技术的最新进展中受益。
我是一名生物医学工程师，研究如何将聚焦超声——将声能集中到特定体积——进行精细调整以治疗各种病症。过去几年，这项技术在临床上得到了显著发展和应用。研究人员继续发现使用聚焦超声治疗疾病的新方法。
聚焦超声的简要历史
超声波是通过探头产生的，该探头包含一种能将电流转换为振动、反之亦然的材料。当超声波穿过人体时，它们会从不同组织边界的反射回来。探头检测这些反射并将其转换回电信号，计算机可以利用这些信号创建这些组织的图像。
80多年前，科学家发现将这些超声波聚焦到大约一粒米大小的体积中，可以加热并破坏脑组织。这种效果类似于用放大镜集中阳光点燃干叶。早期研究者开始测试聚焦超声如何治疗神经系统疾病、疼痛甚至癌症。
然而，尽管有这些早期发现，技术障碍阻碍了聚焦超声在临床上的应用。例如，由于颅骨吸收超声能量，发送能量足够高的聚焦束以到达受损脑组织非常困难。研究人员最终通过将大型超声换能器阵列——在电信号和振动之间转换的探头——与关于颅骨形状和密度的基于图像的信息相结合，克服了这一问题。这一改变使研究人员能够更好地将声束微调到目标位置。
直到近年来科学家在成像技术和声学物理方面取得关键进展后，超声的潜力才在临床上得以实现。旨在治疗数十种疾病的数百项临床试验已经完成或正在进行中。研究人员在一种称为特发性震颤的疾病上取得了显著成功，该疾病会导致无法控制的震颤，通常是手部。如今，特发性震颤的聚焦超声治疗已在世界许多地方常规进行。
我认为聚焦超声最令人兴奋的一些应用包括改善药物向大脑的递送、刺激针对癌症的免疫反应以及治疗中枢神经系统的罕见疾病。
向大脑递送药物
血脑屏障是进化过程中形成的精妙解决方案，用于防止有害物质侵入这一最重要的器官。血脑屏障由紧密连接的血管内壁细胞组成。它只允许某些类型的分子进入大脑，从而保护大脑免受病原体和毒素的侵害。然而，在治疗疾病时，血脑屏障却成为一个问题，因为它阻止了疗法到达预期目标。
20多年前，开创性研究发现，发送低强度的聚焦超声脉冲可以通过引起血管中的微气泡振荡，暂时打开血脑屏障。这种振荡对周围血管壁产生推拉作用，短暂地打开微小孔隙，使血液中的药物能够渗透到大脑中。关键的是，血脑屏障只在应用聚焦超声的部位打开。
经过多年的该技术安全性测试和超声能量控制改进，研究人员已经开发出几种使用聚焦超声打开血脑屏障进行治疗的设备。测试这些设备将药物递送到大脑以治疗胶质母细胞瘤、脑转移瘤和阿尔茨海默病等疾病的临床试验正在进行中。
与此同时，针对多种脑部疾病的基因疗法也取得了显著进展。基因疗法涉及修复或替换有缺陷的遗传物质以治疗特定疾病。将基因疗法应用于大脑尤其具有挑战性，因为这类疗法通常无法穿过血脑屏障。
动物研究表明，使用聚焦超声打开血脑屏障可以促进基因疗法递送到大脑中的预期目标，为在人体中测试该技术打开了大门。
刺激针对癌症的免疫反应
癌症免疫疗法指导患者自身的免疫系统来对抗疾病。然而，许多患者——尤其是患有乳腺癌、胰腺癌和胶质母细胞瘤的患者——的肿瘤是免疫学上的"冷"肿瘤，这意味着它们对传统免疫疗法无反应。
研究人员发现，聚焦超声可以以某种方式破坏实体瘤，使免疫系统能够更好地识别和消灭癌细胞。聚焦超声实现这一目标的一种方式是将肿瘤转化为碎屑，这些碎屑随后实际上会流向淋巴结。一旦淋巴结中的免疫细胞遇到这些碎屑，它们就能启动专门针对癌症的免疫反应。
受这些突破的启发，弗吉尼亚大学于2022年成立了世界上首个聚焦超声免疫肿瘤学中心，以支持该领域的研究并将最有希望的方法推向临床。例如，我的同事正在该中心开展一项临床试验，测试使用聚焦超声和免疫疗法治疗晚期黑色素瘤患者。
用聚焦超声治疗罕见疾病
聚焦超声的研究主要集中在最致命和最普遍的疾病上，如癌症和阿尔茨海默病。然而，我相信聚焦超声在临床上的进一步发展和更广泛应用最终将使罕见疾病患者受益。
我实验室特别感兴趣的一种罕见疾病是脑海绵状血管畸形（CCM）。CCM是脑部病变，当构成血管的细胞发生不受控制的生长时就会发生。虽然不常见，但当这些病变生长并出血时，它们会导致致残性神经症状。CCM最常见的治疗方法是手术切除脑部病变；然而，一些CCM位于难以进入的大脑区域，这会产生副作用风险。放射治疗是另一种选择，但它也可能导致严重的不良反应。
我们发现，使用聚焦超声打开血脑屏障可以改善药物向CCM的递送。此外，我们还观察到，即使不给药，聚焦超声治疗本身也能阻止小鼠CCM的生长。虽然我们尚不清楚聚焦超声如何稳定CCM，但针对其他疾病患者使用该技术的安全性研究已经非常充分，这使得神经外科医生开始设计针对CCM患者的临床试验。
随着进一步的研究和进步，我有信心聚焦超声可以成为许多毁灭性罕见疾病的可行治疗选择。
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