03.09.2019

Безопасность ультразвуковых контрастов, а также роль ультразвука в нарушении гематоэнцефалического барьера и аритмии

Колесниченко Ю.Ю., врач УЗД, www.uzgraph.ru

Метки: Последние публикации, безопасность УЗИ, дайджест, новости, справочник, физика ультразвука

Содержание:

По данным публикации в журнале Ультразвук в Медицине и Биологии (Ultrasound in Medicine & Biology) за март 2017 - Mechanical and Biological Effects of Ultrasound: A Review of Present Knowledge / Механические и биологические эффекты ультразвука: обзор современных знаний - внешняя ссылка

Применение ультразвука

Терапевтическое применение ультразвука в медицине было принято и выгодно в течение многих лет (Escoffre и Bouakaz 2016). Ультразвук широко используется в качестве терапевтического инструмента в физиотерапии, литотрипсии для разрушения камней в почках, в форме высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU) для абляции ткани при лечении опухолей и в качестве хирургического инструмента. Он также применялся в качестве инструмента доставки лекарств (Escoffre et al. 2013), доставки генов (Panje et al. 2013) и тромболизиса (Kandadai et al. 2015). Текущее исследование предлагает многообещающие новые применения и достижения в области биомедицинского ультразвука в медицине. Дальнейший прогресс в терапевтическом применении ультразвука требует лучшего понимания механизмов взаимодействия с тканями, чтобы этот метод был безопасным.

Фокусированный режим ультразвукового луча широко использовался в различных терапевтических применениях ультразвука, таких как тромболизис, доставка генов, доставка лекарств, хирургические инструменты и HIFU. Указанные побочные эффекты в сфокусированном режиме, особенно для HIFU, являются значительными, и их следует избегать, чтобы максимизировать соотношение пользы к риску у пациентов. Дальнейший прогресс в создании терапевтического применения ультразвука в достаточной степени терпимого для пациентов требует большего понимания механизма, с помощью которого ультразвук взаимодействует с тканями. Поэтому данный обзор посвящен нетепловым лабораторным / клиническим биологическим эффектам ультразвука как in vitro, так и in vivo.

HIFU и связанные с ним побочные эффекты

Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук(HIFU) - это метод фокусированного ультразвука, используемый для лечения ряда заболеваний. В HIFU ультразвуковой луч фокусируется точно на цель, чтобы доставлять акустическую энергию к части тела неинвазивным или минимально инвазивным способом. HIFU используется в лечебных целях при лечении рака, хирургии и усилении доставки или эффекта химиотерапии или иммунотерапии. Цель HIFU состоит в том, чтобы нагреть целевой объем ткани, не затрагивая предлежащие ткани. HIFU может повысить температуру в выбранной области выше 55 ° C, что приводит к коагулятивному некрозу и немедленной гибели клеток в определенном объеме (в проекции " образования" ) посредством сфокусированного ультразвукового луча. Поскольку длина волны ультразвука на мегагерцовых частотах имеет размер луча в миллиметровом масштабе, а ультразвуковой зонд имеет вогнутую форму, ультразвуковой луч можно сфокусировать на небольшие, клинически значимые объемы ткани. Поглощение энергии повышает температуру в точке фокусировки, но увеличивает ее только до нецитотоксических уровней за пределами региона (Haar and Coussios 2007).

HIFU может использоваться наружно для лечения рака печени, почек, молочной железы, матки, поджелудочной железы и костей, так и эндокавитально - через прямую кишку - для лечения рака простаты (Haar and Coussios 2007). HIFU получает быстрое клиническое признание в качестве методики неинвазивного нагревания и абляции тканей для различных применений. Однако существуют осложнения и побочные эффекты лечения HIFU опухолей. Например, ожоги кожи второй степени были зарегистрированы у всех пациентов Jung et al. 2011 и ожоги кожи третьей степени у 3% пациентов Xiong et al. 2009 во время HIFU-лечения опухолей поджелудочной железы. Неблагоприятные эффекты, такие как разрыв опухоли или сосуда во время HIFU, могут привести к метастазированию через кровоток. Серьезные побочные эффекты, такие как внутрипеченочные метастазы (Xin 2008), эмболия легких, ухудшение функции печени, почечная недостаточность и смерть, могут возникнуть в результате лечения HIFU (Yu и Luo 2011). Частота нежелательных явлений как при злокачественных, так и при доброкачественных поражениях во время HIFU во многом зависит от типа заболевания и используемого устройства HIFU (Yu и Luo 2011). HIFU-терапия включает в себя как тепловые эффекты, так и кавитацию, которая может привести к неблагоприятным последствиям и поражениям. Ожог кожи считается тепловым поражением и возникает в результате теплового воздействия HIFU. Побочные эффекты, такие как разрыв или кровотечение опухоли или сосуда, внематочная эмболия и метастазирование, возникают в результате кавитации во время HIFU. Механическое воздействие кавитации может привести к разрыву стенок сосудов в месте первичной опухоли и в то же время отделить раковые клетки / эмболы и привести к их выбросу в кровообращение, где они могут вызвать метастазирование или эмболию (Miller and Dou, 2006, Yi et al., 2005). Например, сообщалось о внутрипеченочных метастазах (Xin 2008) и разрыве варикозного расширения вен пищевода (Wang et al., 2004, Yongjian et al., 2002) после лечения HIFU. Кавитация вызывает чувствительность ткани к нагреванию и приводит к тому, что образования расширяются за пределы фокуса HIFU (Yu et al. 2006), что может привести к серьезным событиям, если образование находится вблизи жизненно важных структур (Yu и Luo 2011). Повреждение периферических нервов после лечения рака кости (обратимые или необратимые) (Chen et al. 2004), повреждение седалищного или крестцового нерва и гематурия во время лечения миомы матки (потенциально обратимые) (Ren et al. 2009) - некоторые другие неблагоприятные эффекты лечения HIFU. Неблагоприятные эффекты HIFU часто возникают в тканях, примыкающих к фокусу мишени, а также на пути луча HIFU. Следовательно, выбор подходящего пути доставки для пучка HIFU (Yu и Luo 2011) и, что более важно, улучшение методов мониторинга кавитации для повышения точности устройств HIFU необходимы для улучшения профиля безопасности этого метода.

Основные принципы термического и нетеплового взаимодействия ультразвука с клетками, тканями и органами

Тепловые и нетепловые физические и биологические эффекты ультразвука в тканях являются основой различных терапевтических применений. Тепловые эффекты ультразвука, возникающие в результате поглощения ультразвуковой энергии и выделения тепла, зависят от параметров воздействия ультразвука, свойств ткани и конфигурации пучка (Dalecki 2004). Сила акустического излучения, радиационный момент, акустическое течение, ударные волны и кавитация считаются нетепловыми эффектами ультразвука. Сила излучения, возникающая в результате передачи импульса от ультразвукового поля к объекту (Rooney and Nyborg, 1972), является причиной смещения контрастного вещества к стенкам кровеносных сосудов у лабораторных животных (Dayton et al. 1999). Радиационная сила сама по себе является основным механизмом радиационного момента и акустических потоковых эффектов. Акустическое течение происходит, когда распространение акустического поля в жидкости вызывает увеличение потока жидкости. Акустический поток использовался в качестве диагностического метода для неинвазивной идентификации кист (Nightingale et al. 1995). Кавитация, возможно, является наиболее широко изученным нетепловым механизмом ультразвука и часто является основой для новых терапевтических применений (Kooiman et al. 2014). Учитывая, что терапевтический и визуализирующий механизмы ультразвука основаны на взаимодействии звуковых волн с тканью, кавитация также может оказывать опасное биологическое воздействие на ткани. Происходящая кавитация в значительной степени непредсказуема, и биологические эффекты ультразвука могут быть опасными для здоровых тканей. Кавитация признана основной причиной механических и тепловых воздействий, вызванных ультразвуком, и может быть усилена наличием контрастных ультразвуковых агентов в ткани(*интересный поворот! Т.е. использование ультразвуковых контрастов увеличивает потенциальный вред при УЗИ...).

Явление кавитации

Ультразвуковая кавитация описывается как образование и колебание газового пузырька. Такие пузырьки могут образовываться из ранее существовавшего стабилизированного газового тела или ядер. Ядра газа могут стабилизироваться в трещинах примесей в жидкости, и когда давление в жидкости падает, газ в расщелине расширяется и образует микропузырьки (Dalecki 2004). Разнообразные биологические эффекты, как in vivo, так и in vitro, можно отнести к акустической кавитации. Нетепловые эффекты ультразвука, включая кавитацию, могут играть более важную роль в лечении образований мягких тканей, чем тепловые эффекты (Speed 2001), но это сильно зависит от типа кавитации. Неинерционная кавитация возникает, когда пузырь подвергается воздействию акустического поля и проходит через повторяющиеся колебания вокруг своего равновесного радиуса в течение многих акустических циклов. Колебание пузырька может привести к тепловыделению, микропотокам близлежащей жидкости и локальным напряжениям сдвига (Dalecki 2004). Инерционная кавитация, известная как образование и разрушение микропузырьков, индуцируется ультразвуковыми волнами, проходящими через тканевые жидкости во время ультразвуковой терапии. Когда акустическое поле имеет более высокие амплитуды, радиус пузырька может увеличиться до максимума и затем разрушиться. Этот вид пузыря называется инерциальным (транзиторные) кавитационным пузырем. Инерциальные кавитационные пузырьки могут расширяться и сильно разрушаться в течение одного ультразвукового воздействия порядка 1 мкс (Flynn 1982). Чрезвычайно высокое давление и температура, высокоскоростные микропотоки (Doinikov and Bouakaz, 2010, Wu, 2002) и высокоскоростные жидкостные микроструи (Ohl et al., 2006, Postema et al., 2005) индуцируются в результате кавитационных процессов. Генерируемые высокое давление и температура локализованы на минимальном радиусе коллапса инерциального пузырька и временно ограничены продолжительностью коллапса (Dalecki 2004). Движение стенки пузыря во время инерциального коллапса создает сферически расходящуюся ударную волну в жидкости, окружающей коллапсирующий пузырь. Инерционная кавитация вблизи твердой поверхности (такой как металл, ткань, клеточная стенка и камень) генерирует высокоскоростную жидкую микрострую, которая врезается в твердую поверхность и приводит к точечной коррозии поверхности (Bekeredjian et al. 2007). Этот механический результат кавитации используется для фрагментации камней в почках во время литотрипсии.

Одним параметром, который может напрямую изменить реакцию пузырька с неинерционной к инерционной кавитации, является амплитуда акустического давления. Акустическое давление, при котором происходит этот переход, называется порогом для инерционной кавитации (Dalecki 2004). Другим параметром, используемым для определения вероятности кавитации, является механический индекс (МИ, англ. MI). МИ основан на сниженном пиковом давлении разрежения и определяется как максимальное значение отрицательного пикового давления, деленное на квадратный корень акустической центральной частоты (Nelson et al. 2009).

Механическое воздействие кавитации может привести к серьезному повреждению клеток, когда микропузырьки, вызванные ультразвуком, расширяются, а затем разрушаются (микровзрыв) рядом с ними. Неинерционная кавитация (или стабильная кавитация, в которой микропузырьки не коллапсируют с силой и вместо этого колеблются в течение многих циклов вокруг своего резонансного размера) считается более полезной для поврежденной ткани, чем инерционная (транзиторная) кавитация, которая вызывает повреждение ткани (Sun et al., 2015, Wells, 1977). Многие терапевтические применения ультразвука основаны на способности ультразвука фокусироваться в тканях в точке, где сходится луч, и использовать энергию для неинвазивных термических или механических воздействий. Количественный анализ количества тепла, выделяемого ультразвуком, показал, что инерционная кавитация является ключевой в решении некоторых основных проблем высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (Coussios and Roy 2008). В контексте доставки лекарств играют роль как инерционные, так и неинерционные кавитационные пузырьки. Когда ультразвук применяется in vivo, кавитация может происходить в любом месте, где присутствуют соответствующие микропузырьки, а именно в легких, кишечнике или тканях, содержащих контрастные ультразвуковые агенты.

Микропузырьковые контрастные агенты

Ультразвуковые контрастные агенты представляют собой заполненные газом микропузырьки, заключенные в оболочку из белка, липида или полимера, стабилизированные от растворения и вводимые внутривенно (Lammertink et al. 2015). Эти ультразвуковые контрастные агенты используются клинически для улучшения диагностических изображений и имеют новые применения в областях молекулярной визуализации, доставки лекарств и генной терапии (Klibanov, 1999, Unger et al., 2002). Применение контрастных ультразвуковых агентов облегчает доставку лекарств из-за образования ультразвуком временных пор в клеточной мембране. Deng et al. 2004 сообщили, что ультразвук повышает трансмембранный ток как прямой результат образования пор, что приводит к снижению сопротивления мембраны.

Микропузырьки также использовались в качестве нового терапевтического метода для прямого отложения стволовых клеток в месте повреждения после острого инфаркта миокарда (Woudstra et al. 2016). В этом новом методе лечения стволовыми клетками комплексы стволовые клетки-микропузырьки (StemBells) собираются путем связывания микропузырьков с двумя мишенями со стволовыми клетками, полученными из жировой ткани. Эти комплексы нацелены на область инфаркта миокарда сердца через микропузырьки; в частности, StemBells вводили в тело модели острого инфаркта-реперфузии миокарда у крыс и " разгружали" их с помощью ультразвука. Влияние ультразвука на направление StemBells в стенку сосуда было показано на модели потока in vitro. Возможность улучшения сердечной функции была успешно проиллюстрирована на крысиной модели (Woudstra et al. 2016).

Другим эффективным использованием микропузырьков и ультразвука является доставка терапевтического газа через микропузырьки и липосомы. Газообразные молекулы оксида азота (NO), оксида углерода (CO), ксенона (Xe), кислорода (O2) и сероводорода (H2S) медиируют клеточные сигнальные пути, играют важную роль в физиологических и биологических реакциях и обладают большим терапевтическим потенциалом. Однако контролируемая доставка является серьезной проблемой для терапевтических методов, использующих эти газы. Исследователи используют микропузырьки и липосомы в новых методах доставки терапевтического газа (Fix et al. 2015). Были проведены обширные исследования по доставке газообразных микропузырьков при оксигенационной терапии микропузырьками гипоксических опухолей (McEwan et al. 2015) на кроличьей модели гипоксемии (Legband et al. 2015) у крыс с острым респираторным дистресс-синдромом (Legband et al. 2016 ) и при раке поджелудочной железы (McEwan et al. 2016). Ткани, которые в естественных условиях содержат газ, такие как легкие и кишечник, а также сосуды, содержащие ультразвуковые контрастные агенты, более восприимчивы к ультразвуковым биоэффектам. Механическое повреждение (связанное с кавитацией) микроциркуляторного русла в легких и кишечнике наблюдалось в нескольких лабораторных исследованиях на млекопитающих (Child et al., 1990, Dalecki et al., 1996).

Применение ультразвукового контрастного вещества (суспензии стабилизированных пузырьков), по-видимому, вызывает биологические эффекты в результате активации газа и тела (Miller 2007). Brayman et al. 1999 наблюдали, что контрастное вещество в суспензии, смежное с ориентацией монослоя (то есть моделирующее участки входа или выхода ультразвука из кровеносного сосуда), приводило к повреждению и эрозии клеток. Они моделировали эндотелиальный слой кровеносных сосудов, используя монослои фибробластов in vitro, и проводили ультразвуковое лечение на частотах 1,0, 2,1 и 3,5 МГц. Лизис или разрыв эритроцитов приводит к выделению гемоглобина в окружающую жидкость. Частотная зависимость гемолиза с ультразвуковым контрастным агентом первого поколения (Albunex; Mallinckrodt Medical, Сент-Луис, Миссури, США) в цельной крови и с ультразвуковым контрастным агентом второго поколения на основе перфторуглеродов (Optison; Molecular Biosystems Inc., Сан-Диего, Калифорния) был изучен Miller et al. (Miller and Gies, 1998, Miller et al. 1997). Авторы сообщили, что Оптисон(Optison) вызывал больше гемолиза, чем Albunex, особенно когда ультразвуковое воздействие было в импульсном режиме. Газовые тела ультразвукового контрастного вещества могут образовывать инерционную кавитацию (Miller and Thomas, 1995), поскольку существует хорошая корреляция между количеством гемолиза, вызванного ультразвуком, и активностью инерционной кавитации (Chen et al., 2003; Everbach et al., 1997, Miller et al., 2001). Ультразвуковой индуцированный гемолиз сильно зависит от частоты (Brayman et al., 1997, Miller et al., 2001, Miller et al., 2003), причем общие биологические эффекты снижаются с частотой (Health Protection Agency 2010).

Введение контрастного вещества может повысить риск разрыва капилляра с помощью диагностического ультразвука (Health Protection Agency 2010). Miller and Quddus 2000 анестезировали безволосых мышей, вводили им Оптисон (5 мл/кг) и сканировали их с использованием преобразователя с частотой 2,5 МГц (импульсы 610 нс с частотой повторения 3,6 кГц и частотой кадров 61 Гц); это привело к увеличению числа петехий (разрывов капилляров с экстравазацией эритроцитов) в кишечнике и мышцах живота. Увеличение петехий было значительно выше 0,64 МПа для мышц и 1 МПа для кишечника (Health Protection Agency 2010). Li et al., 2003, Li et al., 2004 использовали сердце крысы в качестве модели для исследования микрососудистого повреждения, вызванного ультразвуком. Крыс исследовали в водяной ванне с использованием диагностической ультразвуковой системы с частотой 1,7 МГц и болюсных доз трех разных ультразвуковых контрастных агентов (Optison; Mallinckrodt Inc., Сент-Луис, Миссури), Imagent (Alliance Pharmaceutical Corp., Сан-Диего, Калифорния) и Definity (Bristol-Myers Squibb Medical Imaging, Inc., N. Billerica, MA). Li et al. обнаружил петехию на поверхности сердца и микрососудистую утечку путем введения синего красителя Эванса(Evans) перед сканированием. Результаты их исследования показывают, что режим доставки дозы и контрастного вещества, а также параметры ультразвука оказывают значительное влияние на кардиомиоциты. Повреждение сосудов может быть физиологическим и не сопровождаться необратимым повреждением клеток (Zachary et al. 2006). Фактически, динамика микропузырьков как in vitro, так и in vivo показывает, что колебание микропузырьков увеличивает проницаемость сосудов и даже локальное повреждение сосудистой сети (Hwang et al., 2005, Stieger et al., 2007). В зависимости от степени повышения температуры во время ультразвукового воздействия воздействие на сосудистую сеть может быть либо обратимым / восстановимым, либо необратимым. В обратимых случаях эффекты являются временными, и постоянная сосудистая окклюзия не происходит. В необратимых случаях отложение энергии является достаточным для долговременного повреждения с постоянными последствиями спазма сосудов, затрудненного кровотока и увеличения разрушения эндотелия, которые приводят к потере реакции расслабления сосудов (Shaw et al. 2014). Поэтому необходимо разработать соответствующие стратегии, чтобы минимизировать необратимое повреждение капилляров (Stieger et al. 2007).

Kobayashi et al., 2002, Kobayashi et al., 2003 изучали микрососудистое повреждение в брыжейке крыс, вызванное применением ультразвуковой системы с фазированной решеткой на частоте 1,8 МГц. Эндотелиальные клетки были повреждены в капиллярах и венулах при всех условиях при 0,82 МПа. Влияние контрастного диагностического ультразвука (Оптисон и несколько экспериментальных агентов) в почках крыс на трех различных частотах 1,8, 4 и 6 МГц было изучено Wible et al. 2002. Гломерулярное капиллярное кровоизлияние было перенесено из гломерулярного пучка в капсулу Боумена(Bowman) и проксимальные извитые канальцы. Shigeta et al. 2004 сообщили, что агрегация тромбоцитов в синусоидах печени крыс произошла после воздействия на печень диагностическим ультразвуком при 8 и 12 МГц с контрастным ультразвуковым агентом (Левовист). Они также наблюдали повреждение эндотелиальных клеток в образцах, взятых через 5 ч после акустического воздействия. На основании экспериментов Stroick et al. (2006) и Hardig et al. (2003) в модели животных обнаружили, что степень внутримозгового кровоизлияния не увеличивается при воздействии ультразвука в присутствии ультразвукового контрастного вещества. Эффект воздействия ультразвука на сердце крысы был обнаружен с помощью диагностической визуализации с экспериментальным ультразвуковым контрастным агентом Vancraeynest et al. (2006). Результаты гистологически определяемых повреждений в сердцах крыс были подтверждены (Miller et al., 2005) и указывают на то, что повышение параметров терапевтической эффективности приводит к тяжелому микромасштабному повреждению и функциональным нарушениям сердца (Vancraeynest et al. 2006).

Новые методы были разработаны в отношении использования ультразвука и специально разработанных контрастных веществ для облегчения доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ)(Health Protection Agency 2010). Сначала считалось, что открытие ГЭБ было вызвано инерционной кавитацией, хотя это наблюдалось и при отсутствии показателей инерционной кавитации(Агентство по охране здоровья 2010). Практически в каждом исследовании, в котором использовалась комбинация ультразвука и ультразвукового контрастного вещества, наблюдалось некоторое повреждение ГЭБ (Health Protection Agency 2010). Mesiwala et al. (2002) сообщили, что HIFU приводил к избирательному и неразрушающему разрушению(*" открытию" ) ГЭБ в модели на крысах. Возможно, что ГЭБ открывается в фокусе без резкого повреждения нейронов, если микропузырьки вводятся в кровоток перед воздействием сфокусированного ультразвука (Hynynen et al. 2001). Следовательно, ограничение воздействия ультразвука на сосудистую сеть и уменьшение интенсивности, необходимой для открытия ГЭБ, может быть достигнуто путем введения кавитационных ядер(*микропузырьков) в кровоток. Это также снижает риск повреждения тканей (Health Protection Agency 2010). Разрушение ГЭБ также было обнаружено Hynynen et al. (2001) и Kinoshita et al. (2006) после использования контрастной магнитно-резонансной томографии (МРТ) в желаемом месте, а также Mesiwala et al. (2002) и Kinoshita et al. (2006) в посмертной гистологии. Hynynen et al. (2005) изучали локализованные эффекты воздействия ультразвука на мозг кролика с помощью МРТ с контрастным усилением. Их исследование показало нарушение ГЭБ для амплитуд давления выше 0,4 МПа с экспозицией 10 мс на частоте 690 кГц, частотой повторения 1 Гц и общим временем экспозиции 20 с. Результаты гистологического исследования через 4 часа после воздействия выявили от 70 до 80% некроза мозговой ткани при уровнях амплитуды давления более 2,3 МПа. Небольшие участки экстравазации эритроцитов также наблюдались при более низких уровнях амплитуды давления. В другом исследовании сообщалось, что когда мозг кролика подвергался воздействию ультразвука при 1,63 МГц, длительности импульса 100 мс и частоте повторения импульсов 1 Гц при 0,7-1,0 МПа в течение 20 с, только несколько клеток в некоторых ультразвуковых зонах подвергались ишемии или апоптозу, но не наблюдалось ишемической области, которая указывала бы на нарушение кровоснабжения. МРТ или гистология через 4 недели после воздействия ультразвуком не выявили отсроченного эффекта (McDannold et al. 2005). Следовательно, возможно, что разрушение ГЭБ ультразвуком может произойти без какого-либо повреждения сосудов; однако экстравазация эритроцитов в ткани указывает на то, что произошло повреждение ГЭБ, и, как таковой, этот метод может быть вредным, особенно в терапевтических применениях при заболеваниях головного мозга (Health Protection Agency 2010).

Hynynen et al. (2003) изучали влияние на ткань головного мозга импульсного режима ультразвука при наличии ультразвукового контраста с использованием МРТ и гистологии с контрастным усилением. Повреждение ткани головного мозга, включая повреждение сосудистой стенки, кровоизлияние и иногда некроз, индуцировалось при амплитуде давления 6,3 МПа (условия воздействия: 1,5 МГц, импульсы 10 мкс, повторяемые с частотой 1 кГц в течение 20 с). При всех испытанных давлениях случайное гладкое повреждение сосудов наблюдалось почти в 50% обработанных ультразвуком мест без каких-либо признаков ишемии.

Fatar et al. (2005) изучали влияние ультразвука (при 2 МГц, пиковом отрицательном давлении 1052 кПа и временной интенсивности 37,3 Вт/см^2) и микропузырьков (SonoVue) на объем инфаркта мозга, апоптоз, интерлейкин-6, уровни альфа-фактора некроза опухоли и нарушение ГЭБ в модели окклюзии средней мозговой артерии у крыс. Они наблюдали уменьшение объема инфаркта в обработанных образцах по сравнению с контролем. Результаты показали отсутствие дополнительного нарушения ГЭБ и увеличение апоптоза за пределами зоны инфаркта. Другое исследование показало, что воздействие на мозг кролика ультразвуком низкой интенсивности (при 1,7 МГц в течение 30 с) и близким к порогу повреждения ткани приводило к появлению апоптотических клеток в течение 48 ч, но в очагах поражения преобладал некроз (Vykhodtseva et al. 2001). Добавление ультразвукового контрастного вещества (Optison) к процессу лечения (при 1,5 МГц, 1,4–8,8 МПа и в течение 20 с) приводило к доминированию апоптоза, при этом число апоптотических клеток примерно в шесть раз превышало количество некротических клеток ( Vykhodtseva et al. 2006). В другом исследовании краткосрочной переносимости открытия ГЭБ с использованием сфокусированного ультразвука и контрастного ультразвукового агента (Baseri 2010) сообщается о возможности переносимого открытия ГЭБ при определенном наборе параметров ультразвука. В этом исследовании краткосрочная (30-минутная или 5-часовая выживаемость) гистологическая оценка была выполнена для 49 мышей с внутривенно введенным ультразвуковым контрастным агентом. Мышей подвергали воздействию ультразвука с частотой 1,525 МГц, длительностью импульса 20 мс, частотой повторения импульсов 10 Гц, пиковым редким фракционным акустическим давлением 0,15–0,98 МПа и двумя эпизодами воздействия ультразвуком по 30 с с перерывом в 30 с. Сообщалось, что порог открытия ГЭБ и наиболее допустимое акустическое давление составляют 0,15–0,3 и 0,3–0,46 МПа соответственно (Baseri 2010). Другое исследование показало, что повторное открытие ГЭБ с помощью фокусированного ультразвука и ультразвуковых контрастных агентов в базальных ганглиях нечеловеческих приматов безопасно в течение 20 месяцев без каких-либо долгосрочных негативных физиологических или неврологических эффектов (Downs et al. 2015). Это исследование было проведено с использованием ультразвуковых параметров 500 кГц, 200–400 кПа, введения микропузырьков размером 4–5 мкм и обработки ультразвуком в течение 2 минут, что привело к многократному раскрытию ГЭБ. Эти результаты показали перспективность для клинических и базовых научных применений (Downs et al. 2015)(*Этот момент также является интересным, с точки зрения вероятности нарушения ГЭБ при УЗИ).

Ультразвуковые биологические эффекты

Обсуждение кавитационного поведения обычно предполагает наличие пузырьков или ядер пузырьков с потенциалом роста в среде, распространяемой ультразвуковым лучом. Хотя жидкости могут быть насыщены газом, подходящие кавитационные ядра могут присутствовать не всегда. В некоторых случаях ультразвуковой контрастный агент используется и вводится в организм для улучшения диагностики с помощью ультразвука. Весьма сомнительно, происходит ли инерционная или неинерциальная кавитация на диагностических уровнях ультразвука в мягких тканях или жидкостях в организме в отсутствие контрастных веществ (Health Protection Agency 2010). Ниже приводится ряд исследований биологических эффектов ультразвука, связанных с наличием кавитации / микропузырьков при воздействии ультразвука в различных органах, жидкости организма и микроциркуляторного русла, в клетках и внутриутробно.

Исследования органов

Легкие

Ткани, содержащие природные газовые тела, такие как легкие и кишечник, более чувствительны к био-эффектам воздействия ультразвука из-за присутствия газа. Поскольку легкие плода не содержат газа, они не проявляют каких-либо признаков повреждения, очевидного в легких заполненных воздухом(Hartman et al. 1990). Травма на поверхности легких и в кишечнике интерпретируется как следствие кавитационных процессов в организме (Dalecki et al., 1996, Hartman et al., 1990). Чтобы исследовать гипотезу био-эффектов диагностического ультразвука на основе кавитации на легкие млекопитающих, на легкие крысы воздействовали импульсным допплеровским ультразвуковым ультразвуком с порогом 4,0 МГц (порог повреждения легких у крыс); затем, с использованием схемы обнаружения активной кавитации 30 МГц, были получены первые in vivo доказательства кавитации от диагностических ультразвуковых импульсов (Holland et al. 1996). Повреждение микроциркуляторного русла легкого характеризовалось экстравазацией эритроцитов из капилляров в альвеолярное пространство (Penney et al. 1993). Хотя эта экстравазация эритроцитов была обратимой и, по-видимому, происходила во время воздействия без увеличения тяжести в течение последующих 5 минут, воздействие импульсным ультразвуком было вредным для легких (Penney et al. 1993). О повреждении легких впервые сообщили in situ и в условиях воздействия пикового положительного давления около 1 МПа, частоты 2 МГц, длительности импульса 10 мкс в течение 3 минут (Child et al. 1990), и с тех пор сообщалось о мышах, обезьянах, свиньях, кроликах и крысах (Baggs et al., 1996, Dalecki et al., 1997; Holland et al., 1996, O' Brien and Zachary, 1997, Tarantal and Canfield, 1994, Zachary and O' Brien, 1995). Исследование на людях сообщило об отсутствии повреждения легких после интраоперационной чреспищеводной эхокардиографии с ультразвуковым воздействием (Meltzer et al. 1998). Кровотечение из легких может возникнуть в результате термического, механического или кавитационного воздействия ультразвука. Связанное с ультразвуком кровоизлияние в легкие является функцией частоты (Child et al., 1990, Zachary et al., 2001), длительности импульса (Child et al., 1990, O' Brien et al., 2003), частота повторения импульсов (Child et al., 1990, O' Brien et al., 2001) и продолжительность воздействия (Hartman et al., 1990, O' Brien et al., 2001). Биологические эффекты, связанные с кавитацией, в большей степени зависят от частоты (Child et al., 1990, Zachary et al., 2001).

Child et al. (1990) наблюдали кровоизлияние в легочную ткань мыши после воздействия ультразвука (при 1,2 МГц, средняя интенсивность импульса 1 мВт/см^2, импульс 10 мкс, пиковое положительное давление 0,7 МПа, воздействие в течение 3 минут) (Child et al. 1990). После этого было сообщено об ультразвуковом кровоизлиянии легких in vivo у мышей (Child и др., 1990, Dalecki et al., 1997; O' Brien et al., 2000, O' Brien et al., 2001, Zachary et al., 2001), крыс (Kramer et al., 2001, O' Brien et al., 2001, O' Brien et al., 2003, O' Brien et al., 2005), кроликов (O' Brien and Zachary, 1997, Zachary and O' Brien, 1995) и свиней (Harrison et al., 1995, O' Brien и Zachary, 1997, O' Brien et al., 2003, Zachary and O' Brien, 1995).

Повреждение легких проявляется в виде локальных повреждений на поверхности легких, но до сих пор не было сообщений о повреждении легких взрослых или новорожденных людей (Health Protection Agency 2010). Причина такого воздействия ультразвука на поверхность легкого до конца не выяснена и до сих пор изучается. Считается, что присутствие газа в легких и кишечнике приводит к механической травме соседних мягких тканей в результате кавитационного процесса.

Кишечник

Акустическая кавитация может возникать в широком диапазоне кишечной среды, так как в ней содержатся газовые тела, расположенные в жидкости (Dalecki 2004). Повреждение, связанное с кавитацией, более выражено в кишечнике и микроциркуляторном русле с наличием микропузырьков, чем в легких (Dalecki 2004). Исследования млекопитающих выявили возникновение кишечных кровотечений, когда тепловые эффекты ультразвука были минимизированы (Dalecki et al., 1995, Dalecki et al., 1996, Miller and Thomas, 1995). Петехиальное кровоизлияние в кишечнике лабораторных животных, подвергшихся воздействию литотриптера, было зарегистрировано в нескольких исследованиях (Dalecki et al., 1995, Miller and Thomas, 1995, Raeman et al., 1994). Порог давления для кишечного кровоизлияния у мышей варьируется от 1 до 3 МПа (Dalecki et al., 1995, Miller and Thomas, 1995).

Дальнейшие доказательства, раскрывающие кавитацию как механизм, лежащий в основе воздействия ультразвука на кишечник, основаны на исследованиях с использованием ультразвуковых контрастных веществ. Область кишечного кровотечения у мышей значительно увеличилась, когда сосудистая сеть была заполнена ультразвуковыми контрастными веществами и подверглась воздействию ультразвука (Miller and Gies, 1998, Miller and Gies, 2000). Порог повреждения кишечника в присутствии контрастного вещества составлял около 3 МПа при 2,4 МГц с длительностью импульса 10 мкс (Miller and Gies 2000). Влияние ультразвука на повреждение кишечника возрастает с увеличением частоты и уменьшением длительности импульса (Miller and Gies, 1998, Miller and Gies, 2000). Реакция микропузырьков на отрицательное давление больше, чем реакция на положительное давление. Больше повреждений было отмечено в кишечнике, а также в других тканях мышей, подвергшихся воздействию отрицательного или положительного давления поля литотриптера в присутствии микропузырьков (Dalecki et al. 2000). Lehmann и Herrick (1953) наблюдали повреждение сосудов в стенке кишечника; за этим последовало исследование Dalecki et al., 1995), в котором отмечались участки кровоизлияния на нескольких брюшных участках мышей, подвергшихся воздействию импульсного ультразвука (10 мкс, 100 Гц) на 0,7–3,6 МГц. Кровоизлияние произошло при уровне воздействия выше порога около 1 МПа; более низкие уровни частоты более эффективны при возникновении кровотечений, чем более высокие уровни частоты. Используя пьезоэлектрический литотриптер, Dalecki et al. 1995, определили, что порог кровотечения, вызванного ультразвуком, составляет около 1–3 МПа. Кроме того, они обнаружили, что активация газового тела важна, наблюдая очень обширное кровоизлияние в (газосодержащем) кишечнике взрослых мышей и почти не влияя на кишечник (без газа) их плодов (при амплитуде давления 10 МПа) (Dalecki et al., 1996). Петехии и кровоизлияния в кишечнике наблюдались также у Miller and Gies, 1998. Они обнаружили, что пороговый уровень для петехий составляет 0,28 МПа (среднее по пространству, временная средняя интенсивность [ISATA] = 2,6 Вт/ см^2), а для кровотечения - 0,65 МПа (ISATA = 14,2 Вт/см^2) для самого длительного воздействия ( до 1000 с) на модель (безволосые мыши) посредством 0,4 МГц непрерывного ультразвука при 37 ° С. Импульсные воздействия или более высокие температуры в ванне влияют на пороговый уровень кровоизлияния и особенно петехий. Пороговый уровень петехий повышается при импульсном воздействии. Кроме того, применение ультразвукового контрастного агента как в непрерывном, так и в импульсном режимах ультразвукового воздействия увеличивало количество петехий и кровоизлияний (Miller and Gies, 1998, Miller and Gies, 2000). Stanton et al. (2001) сообщили о влиянии диагностического ультразвука на прогрессирование эпителиальных клеток в криптах тонкой кишки через клеточный цикл. Гистологическое исследование дистальной части кишечника взрослых мышей CD 1, чья передняя часть живота подверглась воздействию ультразвука (при 8 МГц в течение 15 минут; пространственная пиковая временная средняя интенсивность [ISPTA] = 1120 мВт / см2; PMAX = 420 мВт), выявило что количество клеток, подвергающихся митозу, значительно уменьшилось через 4,5 часа после воздействия, а количество апоптотических клеток наоборот выросло (Stanton et al. 2001). В целом, исследования по поводу кишечного повреждения, связанного с ультразвуком, показывают, что кавитация является ответственным механизмом.

Мочевыделительная система

Применение литотрипсии в качестве клинического лечения мочекаменной болезни или камней в почках произвело революцию в неинвазивном лечении этого заболевания. Во время процедуры литотрипсии генерируются акустические импульсы высокой амплитуды на месте камней в почках с использованием коротких импульсов ультразвука под высоким акустическим давлением. Ударная волна литотриптера представляет собой короткий импульс длительностью около 5 мкс с почти мгновенным скачком до пикового положительного давления, которое обычно колеблется между 30 и 110 МПа. Этот быстрый скачок в форме волны называется «ударным». После этого давление падает до нуля примерно через 1 мкс и сопровождается отрицательным давлением от -5 до -15 МПа. Это отрицательное давление приводит к образованию кавитационных пузырьков, которые имеют решающее значение для разрушения камня. Большая часть энергии в ударной волне составляет от 100 кГц до 1 МГц (Cleveland and McAteer 2007).

Кавитация, вызванная литотриптерами, ведет себя как кластер пузырьков, а не отдельных пузырьков, и когерентный коллапс кластера может привести к увеличению разрушительной силы (Pishchalnikov et al., 2003, Pittomvils et al., 1995, Tanguay and Colonius, 2002). Почти все пациенты, которые получают хотя бы среднюю дозу ударных волн (2000 ударных волн на среднем или более высоком уровне мощности), испытывают ту или иную форму травмы ткани, а некоторые пациенты могут испытывать серьезные, даже катастрофические, побочные эффекты (Tuteja et al. 1997), в том числе повреждение капилляров и кровотечение вокруг почек (Evan et al. 1998). Клиническое значение таких побочных эффектов все еще изучается. Механизмы, которые могут способствовать повреждению тканей, включают напряжение сдвига и кавитацию. При литотрипсии кавитация с большей вероятностью может привести к повреждению кровеносных сосудов и вызвать механическое повреждение таких органов, как почка. Однако часто сообщается о серьезных ожогах кожи после экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии почечных камней (Rao et al. 2014) или ожогах второй степени после ударно-волновой литотрипсии (Rangarajan et al. 2012). Некоторые пациенты также сталкиваются с послеоперационными побочными эффектами, такими как боль, рвота и кожные раны.

Эксперименты с литотрипсией показывают, что повреждение клеток in vitro и тканей in vivo значительно уменьшается при уменьшении или устранении кавитации (Evan et al., 2002, Williams et al., 1999). Время цикла кавитации (время для роста и разрушения пузыря) составляет порядка 300 мкс в свободном поле и около 600 мкс на поверхности камня (Bailey et al. 1999). На основании недавних исследований было обнаружено, что кавитационные пузырьки, создаваемые одним импульсом литотрипсии, могут манипулироваться вторым импульсом (Соколов и соавт., 2001, Соколов и соавт., 2003).

Сердце

Преждевременные сокращения желудочков - это еще один эффект, возникающий в результате воздействия ультразвукового поля литотриптера (Dalecki et al., 1991, Delius et al., 1994). На сердечный ритм может влиять даже один высокоамплитудный импульс. Порог, необходимый для возникновения преждевременных сердечных сокращений, ниже амплитуд давления, применяемого при клинической литотрипсии (положительное давление от 30 до 110 МПа и отрицательное давление от -5 до -15 МПа). Чтобы избежать влияния на сердечный ритм во время литотрипсии, клиническая доставка импульсов литотриптера синхронизирована с электрокардиограммой (Dalecki 2004). Чтобы вызвать преждевременные сокращения, требуются длительные импульсы ультразвука и амплитуды высокого давления (например, импульс 5 мс и 2–5 МПа, который является порогом, вызывающим преждевременное сокращение у мышей и лягушек при 1,2 МГц), которые не являются характеристиками воздействия диагностического ультразвука (Dalecki 2004). Следовательно, преждевременные сокращения желудочков не должны(*что не означает, что воообще не могут, особенно при параллельном использовании контрастного вещества - см. ниже) возникать во время диагностической ультразвуковой визуализации.

Исследования с использованием контрастных ультразвуковых препаратов показывают, что кавитация может быть причиной преждевременных сердечных сокращений, связанных с ультразвуком. Порог для этого эффекта ультразвука значительно ниже в присутствии ультразвуковых контрастных агентов и при более коротких длительностях импульса (например, порог для преждевременного сокращения в присутствии контрастных агентов у мышей, подвергшихся воздействию одного ультразвукового импульса 10 мкс при 1,2 МГц было около 1 МПа [Dalecki et al. 2005]) (Dalecki et al., 2005, Li et al., 2003, van der Wouw et al., 2000, Zachary et al., 2002). О преждевременных сокращениях желудочков сообщалось у людей с ультразвуковыми контрастными веществами в крови, которые подвергались диагностическому ультразвуковому исследованию (van der Wouw et al. 2000). Пороговыми условиями для такого эффекта у лабораторных животных являются импульс длительностью 10 мкс с частотой ультразвука 1 МГц и амплитуды пикового давления (положительного и отрицательного) порядка 1 МПа (Dalecki et al., 2005, Li et al., 2003). ). О повреждении микроциркуляторного русла также сообщалось в сердцах, подвергшихся воздействию ультразвука в присутствии контрастных ультразвуковых агентов, но без какой-либо определенной связи с генерацией аритмии (Li et al., 2003, Zachary et al., 2002).

Другим механическим био-эффектом ультразвука на сердце является сократимость сердца, которая может генерироваться одним импульсом ультразвука высокой амплитуды (пиковое положительное давление около 1 МПа) (Dalecki et al., 1993, Dalecki et al., 1997). Ряд экспериментальных исследований предполагает, что радиационная сила ответственна за этот эффект (Dalecki et al., 1997). Исследования на животных (лягушки) показали, что влияние ультразвука на прямое давление в аорте связано с величиной силы излучения, воздействующей на сердце (Dalecki et al., 1997). Роль только радиационной силы в этом эффекте была подтверждена исследованием, в котором акустический отражатель был помещен на поверхность сердца, чтобы исключить возможность нагревания и кавитации и вместо этого максимизировать доставляемую радиационную силу (Dalecki et al., 1997).

Кости

Импульсный ультразвук низкой интенсивности (например, 0,5-50 мВт/см^2) оказывает благоприятное влияние на заживление переломов костей (Busse et al. 2002). Несколько исследований показали, что ультразвук низкой интенсивности увеличивает скорость восстановления тканей после травм, особенно тех, которые связаны с переломом кости (Dijkman et al., 2009, Mundi et al., 2009). Причины, по которым ультразвук может привести к восстановлению тканей и функционально значимому изменению в миграции нейронов в развивающемся мозге мышей, неизвестны.

В физиотерапии, гипертермии и импульсном доплеровском воздействии при максимальной выходной мощности одной из основных проблем была индукция боли, вызванная нагревом высоко иннервируемой надкостницы. Биологически значимое повышение температуры (> 2 ° C) в кости черепа лабораторных животных было зарегистрировано во время воздействия ультразвука (Health Protection Agency 2010). Смит(Smith) и соавт. (2001) сообщили, что воздействие ультразвука с высокой интенсивностью (> ISATA = 40 Вт/см^2) при термической абляционной терапии может привести к повреждению остеоцитов и термическому некрозу. Данные свидетельствуют о том, что ультразвук очень низкой интенсивности (ISATA = 12–100 мВт/см^2) может влиять на регенерацию кости (Claes and Willie 2007) и по этой причине используется для лечения переломов. Эти эффекты обусловлены преимущественно нетепловым механизмом, который критически зависит от применяемой интенсивности (Health Protection Agency 2010). Повышение температуры для ISATA = 20–50 мВт/см^2 было ниже 1 ° C (Chang et al. 2002). Duarte (1983) также сообщил о незначительном повышении температуры (0,01 ± 0,005 ° C) при остеотомии малоберцовой кости кролика после лечения при ISATA = 50 мВт/см^2 в течение 15 минут в день. Однако даже небольшое повышение температуры (< 1 ° C) может повлиять на некоторые ферменты, такие как матриксная металлопротеиназа 1, которая, как сообщается, очень чувствительна к температуре (Welgus et al., 1981, Welgus et al., 1985).

Биофизический процесс стимуляции регенерации кости остается неизвестным. Однако некоторые исследования показывают, что ультразвук низкой интенсивности может влиять на проницаемость клеточной мембраны (Dyson and Brookes, 1983, Chen et al., 2013a, Chen et al., 2013b; Dinno et al., 1989, Hu et al., 2014, Lim et al., 2013, Montalti et al., 2013, Mortimer and Dyson, 1988, Rawool et al., 2003, Ryaby, 1991, Ryaby et al., 1989, Sun et al., 2001) и повышают гидростатическое давление ( Rawool et al. 2003) или может вызывать механическую стимуляцию микродвижений (Wolff 1892) и вызывать ускорение заживления переломов. По сравнению с необработанным контролем высокоинтенсивный ультразвук (ISATA = 0,2–3 Вт/см^2) вызывает образование каллуса(*костная мозоль) и ускоряет заживление переломов лучевых костей у кроликов (Corradi and Cozzolino, 1953, De Nunno, 1952) и большеберцовых (Klug et al. и др. 1986) и локтевых костей у свиней (Murolo и Claudio 1952). Лечение высокоинтенсивным ультразвуком (ISATA = 0,5 Вт/см^2) конечностей привело к 36% увеличению образования новой кости и 80% увеличению торсионной жесткости по сравнению с контрольной группой, в исследовании Chang et al. 2002.

Микроциркуляторное русло, кровеносные сосуды и жидкость организма

Разрыв или разрушение клеток крови в присутствии контрастных ультразвуковых агентов на диагностических уровнях ультразвука произошло в исследованиях in vivo на лабораторных животных (Miller et al. 2008). Эритроциты плода еще более восприимчивы к лизису от воздействия ультразвука в присутствии контрастных веществ in vitro (Miller et al., 2001). Однако об этом не сообщалось у млекопитающих при диагностических уровнях ультразвука в отсутствие контрастных ультразвуковых агентов (Dalecki 2004). В исследовании in vivo гемолиз происходил, когда мышей подвергали воздействию ультразвука с частотой 1,1 МГц (длительность импульса 10 мкс) и отрицательным давлением ± 2 МПа с контрастными ультразвуковыми агентами (Dalecki et al., 1997).

Чтобы изучить влияние ультразвука и контрастных веществ на микроциркуляторное русло, изолированные сердца кроликов обрабатывали с использованием ультразвуковой системы сердца с частотой 1,8 МГц с частотой кадров изображения 1Гц (Ay et al. 2001). Повреждение капилляров и экстравазация эритроцитов (эритроцитов) наблюдались при МИ 1,6 при обследовании обработанного сердца. Chen et al. (2002) исследовали вредное воздействие ультразвуковых контрастных агентов (Optison или Definity) на сердце крысы in vivo и наблюдали повышение уровня тропонина Т в плазме крови в качестве доказательства повреждения миокарда.

Кавитация с большей вероятностью может привести к травме в кровеносных сосудах, чем в окружающей ткани, потому что пузырек, окруженный тканью, ограничен и не может пройти цикл бурного роста и коллапса по сравнению с пузырьком в текучей среде, такой как кровеносный сосуд. Пузырьки могут вызвать механическое повреждение таких органов, как почка, по крайней мере, двумя механизмами: коллапсом и расширением. Асимметричный коллапс кавитационных пузырьков образует высокоскоростные микроструи жидкости, которые движутся со скоростями, близкими к 111 м/с (Chemat et al. 2004), а также излучение вторичных ударных волн, которые излучаются в пузырь и имеют амплитуду сравнимую с фокусной ударной волной (Cleveland and James 2007). Жидкие микроструи достаточно сильны, чтобы легко проколоть хрупкую стенку капилляра или другого кровеносного сосуда. Стенки сосуда могут также разрываться во время фазы расширения цикла кавитации пузырьков (Cleveland and James 2007). Когда пузырь подвергается взрывному росту в сосуде, он выталкивает сосуд наружу и разрывает его. Эксперименты с использованием капиллярных фантомов в системе in vitro подтверждают эту гипотезу (Zhong et al., 1998, Zhong et al., 2001).

Механизм расширения пузырьков также может привести к повреждению других тканей. Когда кровеносные сосуды разрываются и кровь собирается в пулы (например, в гематоме), потенциал для кавитации увеличивается, потому что объединение крови обеспечивает заполненное жидкостью пространство, в котором может возникнуть кавитация (Cleveland and James 2007). Хотя кавитация является основным механизмом изученного повреждения тканей, все же требуется гораздо больше исследований (Cleveland and James 2007).

В нескольких исследованиях сообщалось о повреждении микроциркуляторного русла в тканях, таких как почка и печень у лабораторных животных, после воздействия ультразвука высокой амплитуды литотриптера (Delius et al., 1990; Mayer et al., 1990 , Raeman et al., 1994). Повреждение микроциркуляторного русла значительно увеличивается в присутствии ультразвуковых контрастных агентов в сосудистой сети (Dalecki et al., 1997; Miller and Gies 1999). В присутствии контрастных ультразвуковых агентов и амплитуды всего 2 МПа обратимое повреждение микроциркуляторного русла наблюдалось в мягких тканях нескольких мышей, включая мышцы, брыжейку, почку, желудок, мочевой пузырь и жир, с постоянной чувствительностью к воздействию литотриптера в течение нескольких часов(Dalecki et al., 1997). При отсутствии ультразвуковых контрастных веществ минимальное повреждение происходит при амплитудах до 40 МПа. Импульсы литотриптера с высоким амплитудным давлением могут вызывать кавитацию in vivo, а в присутствии контрастных веществ инерционная кавитация может вызывать повреждение микроциркуляторного русла. Это понимание основывается на том факте, что кровоизлияние в ткани (как признак реакции микропузырьков) при отрицательном давлении намного больше, чем при положительном давлении, как сообщалось в различных исследованиях (Dalecki, 2004, Dalecki et al., 2000).

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что импульсное ультразвуковое исследование также может привести к повреждению капилляров при наличии в крови ультразвуковых контрастных веществ. Разрыв капилляров наблюдался в мышцах (Miller and Quddus, 2000, Price et al., 1998), почках (Wible et al. 2002) и тканях сердца (Li et al. 2003) лабораторных животных, подвергшихся диагностическим уровням ультразвука. Учитывая, что в этих тканях не было зарегистрировано повреждений от воздействия ультразвука в отсутствие контрастного ультразвукового агента, можно сделать вывод, что нормальная ткань может не содержать кавитационных ядер (Dalecki 2004).

Влияние ультразвука на ткани в присутствии контрастных ультразвуковых агентов может быть уменьшено путем увеличения применяемой частоты, а также уменьшения амплитуд давления и количества контрастного вещества в ткани (Dalecki 2004). Как правило, механическое воздействие ультразвука увеличивается в присутствии микропузырьков контрастного вещества, которые потенциально могут быть использованы в будущих терапевтических применениях ультразвука. Например, влияние ультразвука на капиллярное повреждение в присутствии контрастных ультразвуковых агентов облегчает процесс доставки микропузырькового лекарственного средства или гена, при котором микропузырьки загружаются лекарственным средством или геном, а затем выгружаются в определенной локализованной области тела (Aryal et al., 2015, Chu et al., 2016, Meairs and Alonso, 2007, Price и др., 1998, Song et al., 2002); он также способствует артериогенезу (Chen et al., 2013, Song et al., 2002) и терапии опухолей (Aryal et al., 2015, Ji et al., 2016 , Simon et al., 1993, Zhang et al., 2016).

VanBavel (2007) рассмотрел влияние ультразвуковых напряжений на эндотелиальные клетки, вызванное ультразвуком, и отметил, что основным стимулом для многих эндотелиальных реакций является напряжение сдвига, связанное с нормальным кровотоком. Например, нормальное напряжение сдвига, обнаруживаемое в крупных артериях вдали от ветвей, составляет порядка 2–4 Па (Davies 1995) и очень редко превышает 8 Па. Напряжение сдвига, которое испытывают вены, составляет около 0,1–0,6 Па (VanBavel 2007). Микропоток, связанный с ультразвуковым полем, вызывает напряжения сдвига, которые, как можно ожидать, увеличат биологические эффекты. Эти сдвиговые напряжения выше нормальных физиологических уровней и могут возникать на мембране, разрывать ее или изменять ее проницаемость (Health Protection Agency 2010).

Исследования влияния ультразвука на кровь были сосредоточены на тромбоцитах, наиболее хрупком компоненте. Эксперименты in vitro показали, что воздействие ультразвука может привести к активации тромбоцитов. В присутствии стабильных пузырьков (которые не сильно разрушаются, а вместо этого колеблются в течение нескольких циклов вокруг своего резонансного размера), амплитуда давления 10 МПа и низкая средняя интенсивность ультразвука ISATA = 0,8 Вт/см^2 могут вызвать разрушение тромбоцитов (Miller et al., 1979). Хотя эритроциты, по-видимому, более устойчивы, чем тромбоциты, к ультразвуковому повреждению, при инерционной кавитации сообщалось о гемолизе (Rooney, 1970, Williams et al., 1970, Wong et al 1983). Williams и Miller (1980) предполагают, что аденозин-5' -трифосфат(*АТФ) может высвобождаться с меньшей интенсивностью, когда происходит инерционная кавитация.

Из-за постоянной фильтрации примесей в цельной крови in vivo вероятность возникновения кавитационных ядер снижается, и поэтому при нормальных условиях кавитация вряд ли произойдет (Health Protection Agency 2010). Однако Brayman et al. (1996) сообщили, что кавитация может происходить при достаточно высоких давлениях. Повреждение компонентов крови in vivo четко не проиллюстрировано (Dalecki et al., 1997; Deng et al., 1996, Poliachik et al., 1999, Williams et al., 1977). В экспериментах Dalecki et al., 1997 клинически незначимый уровень гемолиза (0,46%) был обнаружен у мышей, подвергшихся воздействию ультразвука через стенку грудной клетки с частотой 2,35 МГц и максимальной амплитудой положительного давления 10 МПа.

Пренатальное воздействие ультразвука

При более низких уровнях ультразвука, например, для диагностических целей, ультразвук не вызывает кавитации в отсутствие пузырьков газа и, как правило, не вызывает нагревания за пределами нормального физиологического диапазона (Health Protection Agency 2010). Пренатальное воздействие диагностического уровня ультразвука вызывает изменения в миграции нейронов в развивающемся мозге мышей (Ang et al. 2006). Значительные проблемы при изучении побочных эффектов ультразвука у людей связаны с воздействием диагностического ультразвука в утробе матери. Основываясь на имеющихся данных, нет влияния на перинатальную смертность и злокачественные новообразования у детей; тем не менее, некоторые обсервационные исследования обнаружили увеличение распространенности неправорукости(*т.е леворукости, т.е. стало больше левшей) у мужчин с пренатальным ультразвуковым воздействием (Health Protection Agency 2010). Это может отражать смешанные последствия, а не причинно-следственную связь; тем не менее, случайное сравнение лиц, которые имели внутриутробное воздействие ультразвука, по сравнению с теми, кто не имел такого воздействия, предоставило слабое доказательство влияния ультразвука на праворукость (Health Protection Agency 2010). При высоких уровнях воздействия ультразвук способен нанести непоправимый урон биологическим тканям в результате нагревания, акустической кавитации и радиационной силы (Health Protection Agency 2010), что может нарушить развитие эмбриона или плода (т.е. имеет тератогенное воздействие).

В работе Williams et al. (1978), было обнаружено, что терапевтический ультразвук уменьшает время рекальцификации антикоагулированной цельной крови in vitro. Было также обнаружено, что терапевтический ультразвук способен индуцировать агрегацию тромбоцитов и высвобождать тромбоцитарный белок бета-тромбоглобулин, что указывает на то, что тромбоцит является вероятным участком взаимодействия и повреждения (Williams et al. 1978). Их исследование также показало, что ультразвук взаимодействует с тромбоцитами крови (исключительно хрупкими клетками, которые играют важную роль на ранних стадиях образования сгустка), возможно, через возникновение кавитационных процессов на мегагерцовых частотных уровнях. Кроме того, их исследование in vivo сообщило о продукции тромбоцитарных тромбов(*белые тромбы) и истинных тромбов(*красных, тромбо-эритроцитарных) в интактной сосудистой системе мышей в результате акустического микропотока, подобного тому, который развился вокруг колеблющихся газовых пузырьков (Williams et al. 1978).

Опасения относительно влияния ультразвука на развитие плода и эмбриона (тератогенный эффект) вызвали большое количество исследований с использованием различных видов животных и различных условий воздействия. Вероятность неблагоприятного воздействия ультразвука на развитие плода и эмбриона была рассмотрена Ziskin and Barnett, 2001, Miller et al., 2002 и Church and Miller 2007. Нетепловые взаимодействия импульсного ультразвука, особенно кавитационные механизмы в присутствии контрастного ультразвукового агента, могут оказывать неблагоприятное влияние на целостность материнской и развивающейся ткани. Тем не менее, существует низкая вероятность возникновения этих взаимодействий у плода (Abramowicz, 2005, Sienkiewicz, 2007). Кроме того, тератогенный тепловой эффект в результате вероятной локализованной гипертермии при ультразвуковом сканировании беременности был подробно рассмотрен в работах Miller и Ziskin, 1989, Miller et al., 2002 и Edwards et al. 2003. Высокая температура матери или плода может оказывать неблагоприятное воздействие на многие развивающиеся ткани, особенно на мозг и нервную систему (Miller et al. 2002).

Тератогенное воздействие тепла на млекопитающих является общепризнанным, и среди всех органов и тканей развивающаяся центральная нервная система проявляет наибольшую чувствительность (Health Protection Agency 2010). Miller и Ziskin, 1989, Miller et al., 2002 и Edwards et al., 2003 провели исследования на животных для выявления возможных патогенных механизмов и тепловых воздействий на эмбрион и плод. Смерть эмбриона, задержка роста, внутренние и внешние аномалии, дефицит развития и поведенческие изменения, которые сохраняются во взрослом возрасте, являются одними из последствий гипертермии плода (Edwards et al. 2003). Возникновение этих тепловых эффектов зависит от трех основных параметров: степени повышения нормальной внутренней температуры, продолжительности повышения температуры и конкретной фазы развития (предимплантационный, органогенез или период плода), в которой произошло нагревание (Health Protection Agency 2010). Edwards et al. (2003) сообщили, что чувствительность эмбриона и плода к нагреванию значительно изменяется во время развития и зависит от конкретного клеточного цикла, например, пролиферации, дифференцировки или миграции клеток. Они также описали тератогенное или биологическое воздействие тепла на разных этапах развития. Более высокие температуры в течение более короткого времени могут повысить риск определенного дефекта; Miller et al. (2002) определили средний патологический порог, на 1,5-2,5 ° C выше нормальной температуры тела в течение приблизительно часа у беременных животных, со ссылкой на то, что у каждого типа дефекта и вида есть свой собственный температурный порог.

В дополнение к тепловому эффекту ультразвука, ультразвук с импульсной и непрерывной волной может влиять на размножение и внутриутробное развитие эмбриона и плода (Jensh and Brent, 1999, Sikov, 1986). В некоторых исследованиях были отмечены заметные ультразвуковые эффекты, такие как увеличение частоты пороков развития и изменения веса, тогда как в других не сообщалось о каких-либо эффектах, связанных с воздействием ультразувука, как у матери, так и у ребенка (Brown et al., 2004, Carnes et al., 1991, Devi et al., 1995, Fisher et al., 1994, Fisher et al., 1996, Gu et al., 2002, Hande and Devi, 1992, Hande and Devi, 1995, Jia et al., 2005, Karagoz et al., 2007, Norton et al., 1991, Oh et al., 1999, Ryo et al., 2001, Tarantal et al., 1993). В этих исследованиях использовались различные конечные точки, возраст беременности, виды и условия ультразвукового воздействия, что затрудняет прямое сравнение результатов. Никаких значительных, связанных с лечением эффектов не наблюдалось ни на репродуктивном исходе, ни на материнском весе во время беременности, ни на жизнеспособности или весе плода, ни на заболеваемости скелетными или висцеральными пороками развития, когда крысы подвергались воздействию непрерывной волны 3 МГц (Vorhees et al., 1991, Vorhees et al., 1994) или импульсном (Fisher et al., 1994, Fisher et al., 1996) ультразвуком до 30 Вт/см^2 (ISPTA). Статистически значимое снижение массы плода наблюдалось после частого воздействия ультразвука на макак циномолгус (при 7,5 МГц и ISATA = 0,28–12 мВт/см^2) (Tarantal and Hendrickx, 1989, Tarantal et al., 1993); этот эффект имел место в течение первых 3 месяцев жизни, но не последующих 9 месяцев.

В исследовании, в котором для количественного мониторинга перфузии матки и плаценты при беременности у крыс использовались ультразвуковая визуализация с контрастом и допплерография, Arthuis et al. (2013), не обнаружили микропузырьков в пупочной вене или плоде. Отсутствие контрастных веществ в зародыше указывает на безвредность ультразвукового изображения с контрастным усилением при развитии плода (Arthuis et al. 2013). В целом, не может быть никаких реальных проблем переносимости в отношении общего клинического использования сонографии; однако следует соблюдать осторожность, когда в акушерстве применяются высокопроизводительные режимы, такие как импульсный допплер (ter Haar 2010). Учитывая сложность установления пороговых значений для биологических эффектов, предлагается использовать как можно меньшую выходную мощность сканера для сбора необходимой диагностической информации. Ненужные обследования (немедицинская сонография) во время беременности не рекомендуются из-за большого количества оставшихся неизвестных (ter Haar 2010).

Влияние ультразвука на клетки

Чтобы изучить взаимодействие ультразвука с биологическими системами, экспериментальные исследования с клетками и животными были проведены в различных условиях воздействия. Исследования, которые описывают индуцированные ультразвуком биологические изменения в клетках in vivo и in vitro, были рассмотрены Feril и Kondo, 2004, Miller, 2007, ter Haar, 2007, Национальным советом по радиационной защите и измерениям ( Nyborg et al. 2002) и Американским институтом ультразвука в медицине (Holland 2000). Наиболее важными типичными примерами потенциальных неблагоприятных воздействий на клетки являются лизис клеток, изменения способности деления клеток, ультраструктурные изменения, хромосомные и цитогенетические эффекты, а также функциональные изменения (Health Protection Agency 2010). Воздействие ультразвука на клетки делится на две категории: грубые эффекты, такие как лизис, влияние на способность деления клеток и повреждение клеточной ультраструктуры; и неуловимые эффекты, такие как хромосомные изменения, функциональные изменения и измененные модели роста (Health Protection Agency 2010).

Существует обширное и однозначное свидетельство того, что воздействие ультразвука на клетки в суспензии приводит к лизису клеток (Health Protection Agency 2010). Несколько исследований, в том числе, например, Kaufman et al., 1977, Morton et al., 1982, Hallow et al., 2006 и Lai et al., 2006, обнаружили, что кавитация является основным механизмом, приводящим к такому типу полного разрушения клеток; однако неясно, способен ли ультразвук вызывать лизис при отсутствии эффектов кавитации (Health Protection Agency 2010). Помимо условий воздействия ультразвука, величина лизиса клеток может зависеть от концентрации клеток в суспензии (Brayman et al., 1996, Ellwart et al., 1988), а также от размера клеток (Brayman and Miller, 1993, Nyborg and Миллер, 1982). По-видимому, лизис является непосредственным следствием воздействия ультразвука на клетки и может влиять на клетки в митозе больше, чем на других стадиях клеточного цикла (Clarke and Hill 1969). Колоногенные анализы позволяют оценить способность клеточного деления после определенного инсульта. На основании исследований, выполненных Bleaney et al. (1972) и Morton et al. (1982), клетки, которые выживают при воздействии ультразвука и остаются нетронутыми, будут продолжать производить потомство так же, как и их необработанные аналоги. Однако существуют исключения для клеток, подвергшихся воздействию ультразвука, которые остаются при повышенных температурах (Feril и Kondo, 2004, ter Haar et al., 1980).

Взаимодействие ультразвука с клеточной мембраной представляет интерес с точки зрения ультразвуковой доставки лекарств и сонопорации(*Сонопорация - это способ доставки ДНК или РНК в клетку, путем создания с помощью ультразвука кавитационных пузырьков - " пор" - в клеточной мембране - см. внешняя ссылка ) (de Jong et al., 2000, Escoffre et al., 2010, ter Haar, 2007) и извлечения лекарственных соединений из биологического ресурсы (Izadifar 2013). Изменение проницаемости для ионов является одним из обычных явлений, которые происходят в клетках, подвергающихся воздействию ультразвука. Исследования Chapman (1974) показали, что акустическое воздействие на частоте 1,8 МГц и ISATA = 1 Вт/см^2 in vitro приводит к сублетальному изменению в плазматической мембране тимоцита, что приводит к снижению содержания калия. Mortimer и Dyson (1988) наблюдали обратимый рост поглощения ионов кальция в фибробластах при частоте ультразвука 1 МГц и ISATA 0,5–1 Вт/см^2.

Результаты электронной микроскопии клеток и тканей после воздействия ультразвука показывают повреждение различных субклеточных органелл, в первую очередь митохондрий, и повреждение лизосом с последующим высвобождением лизосомальных ферментов в ткани (Dvorak and Hrazdira, 1966, Hrazdira, 1971, Taylor and Pond, 1972). Помимо повреждения мембран и митохондрий, вызванного кавитацией, Harvey et al. (1975) наблюдали расширенную грубую эндоплазматическую сеть и некоторые нерегулярные поражения. Как правило, ядро клетки не подвергается воздействию ультразвука; единственный тип поражения - щелевидные вакуоли на ядерной мембране (Ter Haar et al. 1979). Watmough et al. (1977) предположили, что ультразвук может производить кавитационные микропузырьки внутри клеток и что мембраны ядерных, митохондриальных и гранулярных эндоплазматических ретикулумов выступают в роли местом нуклеации; таким образом, когда эти органеллы поражены, повреждение может проявляться в виде повреждений рядом с мембраной.

Цитогенетические исследования влияния ультразвука на хромосомы ясно показывают, что ультразвук высокой интенсивности может вызвать деградацию ДНК в растворе. По-видимому, повреждение вызвано гидродинамическими напряжениями сдвига, образованием свободных радикалов или чрезмерным нагревом в результате кавитации (Miller and Thomas, 1995, Miller and Thomas, 1996, Thacker, 1973). Большое количество доказательств указывает на то, что ультразвук высокой интенсивности до ISATA = 100 Вт/см^2 не вызывает хромосомного повреждения (European 1994, Rott, 1981). Однако, когда воздействие ультразвука с интенсивностью 3 Вт/см^2 и частотой 810 кГц сопровождается (не предшествует) рентгеновским излучением до 1 Гр, некоторые синергетические взаимодействия могут приводить к хромосомным аберрациям (Kunze-Muhl 1981). Диагностическое ультразвуковое исследование, даже до ISATA = 3,0 Вт/см^2 (3,15 МГц), не вызывает обмена сестринскими хроматидами in vitro (Liebeskind et al. 1979). Неизвестно, может ли ультразвук привести к хромосомному повреждению; однако наиболее тщательно задокументированные исследования дали отрицательные результаты. Следует также учитывать, что это были исследования in vitro, и механизм взаимодействия in vitro может отличаться от механизма интактной ткани in vivo.

В целом, ультразвук может вызывать эпигенетические изменения, такие как модификация структуры белка гистона, которые могут оказывать долгосрочное влияние на экспрессию генов (Health Protection Agency 2010). Ультразвук может также привести к стимуляции клеточных функций, которые в основном включают взаимодействия на уровне клеточной мембраны (Health Protection Agency 2010). Taylor и Newman (1972) сообщили, что воздействие ультразвука в условиях обработки 1 МГц, ISATA = 10 Вт/см^2, импульсы от 20 мкс до 10 мс в течение более 2,5 мин влияло на электрофоретическую подвижность клеток, которая отражает изменение плотности заряда поверхностности клетки в результате изменения объема (Mummery 1978). Покадровая микрофотография клеточных движений in vitro показала вызванные ультразвуком изменения, которые могут продолжаться в течение нескольких поколений клеток (Liebeskind et al. 1982); однако такие результаты далеко не ясны in vivo (Health Protection Agency 2010).

Чтобы получить более четкое представление о биологических эффектах ультразвука, были проведены различные исследования, посвященные биологическим системам, таким как кости, кровь, сосудистая сеть и легкие, а также воздействию на плод и эмбрион, с использованием моделей на небольших животных.

Ограничения и соображения современных ультразвуковых биологических исследований

Взаимодействие ультразвука с биологическими системами было предметом значительных исследований. Потенциальные биологические изменения, связанные с клиническим применением ультразвука, особенно в акушерстве и гинекологии, были изучены на самых разных моделях in vitro и in vivo и в условиях воздействия ультразвука. Однако следует проявлять достаточную осторожность, когда производится экстраполяция результатов полученных in vitro на in vivo. Например, механизм взаимодействия звуковых волн с клетками in vitro (в жидкой среде), когда клеточные культуры находятся в суспензии в питательной жидкой среде или прикреплены к покрытой поверхности, может сильно отличаться от такового в среде in vivo, которая имеет более прочные структуры, такие как ткани и кости (Health Protection Agency 2010).

Эффект ультразвука в клеточных суспензиях также отличается от эффекта в монослоях клеток, прикрепленных к поверхности (Health Protection Agency 2010). В жидкой среде наиболее доминирующими физическими механизмами биологического воздействия ультразвука являются акустическая кавитация и потоковое воспроизведение; Значительный нагрев маловероятен из-за низкого коэффициента акустического поглощения (Health Protection Agency 2010). Когда ткань подвергается воздействию ультразвука in vivo, высокая энергия акустического поглощения в ткани, вызывающая тепловые эффекты, становится более важной по сравнению с системами in vitro, тогда как вероятность возникновения кавитации в ткани меньше, чем в жидкости. Хотя вероятность возникновения кавитации в неповрежденной ткани зависит от температуры, состояния ткани и содержания газа (Health Protection Agency 2010).

Условия акустического воздействия, а также режим депонирования энергии, также очень важны для изучения биологических эффектов ультразвука. Два условия акустического воздействия с одинаковым временем воздействия и энергией, но разными режимами депонирования энергии (один в непрерывном режиме, а другой в коротких импульсах с низкой частотой повторения) могут привести к очень различным эффектам в ткани. Кавитационная активность и связанные с ней характерные повреждения клеток более вероятны при коротких импульсах с низкой частотой повторения, тогда как тепловые эффекты более вероятны в непрерывном режиме (Health Protection Agency 2010). Следовательно, при диагностическом ультразвуковом исследовании, которое характеризуется коротким воздействием и относительно низкой временной средней интенсивностью, тепловые эффекты могут не иметь большого значения в мягких тканях; нагревание более вероятно при взрыве тона и постоянном воздействии в терапевтических целях. Однако амплитуда высокого давления при воздействии даже короткого импульсного режима, такого как при литотрипсия, может способствовать акустической кавитации в жидких средах (Health Protection Agency 2010).

Обнаружение пассивной кавитации использовалось в нескольких исследованиях ультразвуковой абляции (Coussios et al., 2007, Farny et al., 2009, Hoerig et al., 2014, Li et al., 2014, Mast et al., 2008, McLaughlan et al., 2010) и кавитационное обнаружение, вызванное литотрипсией (Cleveland et al. 2000). Измерения с использованием пассивной детекции кавитации как у человека, так и у свиньи выявили наличие пузырьков в периренальном жире, собирательной системе(*ЧЛС), паренхиме и субкапсулярных гематомах. Начало обнаруживаемой кавитации в паренхиме модели свиньи потребовало доставки приблизительно 1000 ударных волн с помощью литотриптера Dornier HM3 (Cleveland and James 2007). Помимо условий акустического воздействия, важным фактором является зрелость подвергающихся воздействию особей, поскольку биологическое повреждение нескольких клеток развивающегося эмбриона гораздо более значимо, чем повреждение небольшого объема взрослых клеток. Акустические свойства раннего эмбриона очень похожи на свойства воды. Следовательно, эффекты объемного нагрева могут быть не важны для раннего эмбриона, тогда как нагревание на поверхности кости может происходить у плода третьего триместра, у которого произошла минерализация кости (Health Protection Agency 2010).

Обсуждение и выводы

Ультразвук взаимодействует с тканями с помощью как тепловых, так и нетепловых механизмов (в основном это связано с кавитацией и радиационной силой) и создает различные биологические эффекты на клеточном или интактном уровне ткани (структурные или функциональные изменения). Три основных фактора могут привести к биоэффектам, вызванным ультразвуком: нагрев, радиационное давление и присутствие газа (ter Haar 2010). Энергия и частота ультразвукового луча, а также свойства среды, через которую проходит ультразвуковой луч, играют важную роль в биологических эффектах. Нагревание связано в основном с поглощением ультразвуковой энергии тканями. Механические эффекты, возникающие в результате кавитации, связаны, прежде всего, с пузырьками, создаваемыми во время разреженного цикла акустического давления; присутствием газа в растворе, который при отрицательном давлении ультразвука превращается в микропузырьки; природными газосодержащими структурами организма, такими как альвеолы легких и кишечник; или введением стабилизированных наполненных газом микропузырьков (ультразвукового контрастного вещества) в кровоток путем экстравазации.

Данные клеточных исследований и исследований на животных показали, что мощные устройства, используемые в терапевтических и хирургических применениях, цель которых состоит в доставке ультразвука высокой интенсивности к ткани-мишени, могут явно вызывать потенциальные биологические эффекты в организме. Однако эти биологические эффекты открыли уникальные возможности для неинвазивной ультразвуковой терапии; Помимо переносимости, основные проблемы связаны с точным нацеливанием ультразвука в желаемый объем мишени без повреждения других тканей.

При более низких уровнях воздействия, таких как у диагностического ультразвукового исследования, нет никаких доказательств какого-либо конкретного вредного воздействия; Тем не менее, слишком мало данных исследований, чтобы сделать четкие выводы, особенно в отношении долгосрочного использования ультразвука. Тонкие эффекты диагностического ультразвука, такие как миграция нейронов или изменения проницаемости мембран, до конца не изучены.

В настоящее время применение ультразвука в визуализации плода перешло от медицинской практики к коммерческому сканированию ради сувенира, детальная трехмерная визуализация лица и запись движения ребенка в утробе матери с помощью 4-мерной сонографии (в которой изображение постоянно обновляется со временем и становится как кино), что требует длительного и более интенсивного воздействия ультразвука. В этих случаях не следует забывать о том, что в биологической и эпидемиологической литературе имеются неподтвержденные указания на возможные неврологические эффекты при воздействии ультразвуком внутриутробно. Поэтому диагностический ультразвук следует использовать с умом, особенно в отношении более нового оборудования, которое может иметь более высокий уровень акустической мощности, чем более ранние модели(* См. также - Безопасна ли допплерограф... ). Кроме того, для обеспечения постоянной безопасности крайне необходимо дополнительно изучить долгосрочные риски воздействия, особенно при внутриутробном воздействии, диагностического ультразвука. Кроме того, требуется лучшее понимание прямого физического воздействия ультразвука (акустическая кавитация), чтобы определить причину любых биологических эффектов у человека (например, травма легких или кишечника, способность улучшать заживление кости и мягких тканей, повреждение тромбоцитов вызванное кавитацией), а также улучшить качество ультразвукового применения во многих клинических практиках (например, доставка лекарств, удаление опухоли).

Обзор литературы ter Haar (2010), представленный с точки зрения диагностической безопасности, показал, что большинство биологических эффектов от клинически значимых применений возникает при коротких высокоамплитудных ультразвуковых импульсах с высокой частотой повторения. Однако до недавнего времени большинство исследований было сосредоточено на непрерывных (длинно тоновых) воздействиях. Кроме того, в большинстве исследований in vitro изучалось влияние ультразвука на суспендированные культуральные клетки или монослои, однако способ взаимодействия ультразвука с клетками в водной среде отличается от способа взаимодействия с интактными тканями (ter Haar 2010). Поскольку тепловые эффекты могут лучше наблюдаться за счет поглощения энергии тканями, культивируемые клетки могут не отражать должным образом тепловые эффекты и вместо этого могут проявлять больше кавитационных эффектов. Когда проводится исследование in vivo, физиологический ответ организма может быть изучен. Кроме того, размер животного (и, следовательно, ослабление луча в его теле) в большинстве исследований in vivo намного меньше, чем у человека. В исследованиях на мелких животных обычно большая часть тела подвергается воздействию ультразвукового луча (ter Haar 2010). Следовательно, наличие более подходящего размера модели и измерение ослабления, вызванного вмешивающейся тканью, могут гарантировать, что результаты будут релевантными в отношении воздействия на человека. Хотя биологические эффекты ультразвука, о которых сообщают на животных моделях, происходят в условиях, аналогичных тем, которые используются на людях, мы не можем с уверенностью связать эти результаты с людьми. Отсутствие исследований на людях о биологических эффектах диагностического ультразвука не обязательно означает, что эффектов вообще нет, но, скорее то, что не хватает методов их обнаружения. Пороги кавитации обычно определяются экспериментально с помощью акустической эмиссии, широкополосного шума и субгармонических сигналов от пузырьков. Из-за ослабления сигналов в ткани обнаружение сигналов, возникающих из глубины ткани, является более трудным, чем обнаружение сигналов, возникающих на поверхности. Это делает обнаружение кавитации в ткани очень трудным. Обнаружение и визуализация кавитационных реакций в организме при различных условиях работы были бы очень полезны при определении пороговых значений, а также при характеристике и анализе кавитации в организме человека.

Полное понимание взаимодействия ультразвука с ультразвуковыми контрастными агентами необходимо для полного раскрытия потенциала ультразвуковых контрастных агентов в биомедицинских ультразвуковых применениях, таких как доставка лекарств / генов, лечение опухолей и артериогенез. Необходима дополнительная информация относительно расположения микропузырьков в теле, а также области, в которой микропузырьки контактируют с тканями, а клетки подвергаются воздействию ультразвука.

Дальнейшие успехи в использовании ультразвука в медицине требуют лучшего знания клеточных и молекулярных явлений, влияющих на физические механизмы ультразвука в сочетании с соответствующими биологическими эффектами. Кроме того, требуются дополнительные усилия для визуализации, обнаружения и мониторинга кавитационных пузырьков, вызванных ультразвуком, в сочетании с ультразвуковыми контрастными веществами в глубине тела, чтобы лучше контролировать биологические эффекты ультразвука.

*комментарии редактора