上海交大马智超团队在Nature Communications 提出基于超声微粒操控的高选择性血管栓塞术

　　

近日，上海交通大学生物医学工程学院马智超副教授团队在国际知名期刊Nature Communications 上发表了题为“Superselective embolic particle guidance in vessel networks via shape-adaptive acoustic manipulation”研究论文，提出了基于超声微粒操控的超选择性血管栓塞术，探究了流体分叉处声压分布影响微粒流向的作用机理，实现在微血管网络中超选择性的栓塞微粒递送，为精准的血管栓塞治疗提供新的策略。

血管栓塞术广泛应用于肿瘤治疗，该方法借助导管向肿瘤供血血管递送栓塞微粒，阻断肿瘤血供，减少肿瘤转移风险、使肿瘤缺血坏死。然而，由于缺少对栓塞微粒的有效控制方法，如何使得这些栓塞微粒在经由导管释放后精准栓塞目标微血管，避免“误栓”的发生，是长期存在的技术挑战。针对以上问题，研究团队提出了一种适应血管形状的超声微粒操控方法，能够在血管分支处控制微粒的流动方向，实现了栓塞微粒在亚毫米血管内的超选择性递送。

研究团队利用空间声场调制技术，将换能器发出的超声波在多个血管分支处构建弧形的声学图案。如图1所示，该声场能够适应血管网络的形状，在栓塞微粒流经的血管分支处，控制微粒的运动方向。经过在血管分支处多次的超声控制，即能将微粒从导管处递送至目标血管，实现超选择性的栓塞效果。

图1 适应血管网络形状的超声场引导微粒实现超选择性栓塞

声场图案对微粒的控制机理主要从声辐射力和声流效应解释（图2）。随流体运动的微粒，遇到弧形的声场图案时，会受到相位梯度引起的声辐射力及声流效应，这些声场作用能够促使微粒的流向发生改变，从而起到控制微粒流向的效果。

图2 声场控制微粒流动方向的超声力学效应作用机理 

研究者首先在微流道分支中探讨了声场图案控制微粒流动方向的效果（图3）。当存在足够的声压幅值和相位梯度时，声场图案能在不同的流体速度、分支结构、粒子流量条件下，高效地控制微粒转向，接近100%的微粒能被递送到选定的分支。这表明声场操控能适用于多样的流体环境，且能够做到高通量的微粒定向递送。

图3 在流道分支中验证声场图案对微粒的控制效果

研究者进一步在多分支的流道中，探讨了声场实现超选择性栓塞的可行性（图4）。在类血管结构的多分支流体网络中，通过布置在流道分支图案化声场，微粒的流动方向被有效控制，并最终在选定的流道分支实现栓塞效果。通过改变声场图案在流道网络的位置，微粒运动到各自对应的目标流道，证实了声场在超选择性微粒递送与栓塞的潜能。

图4 在多分支流道内控制微粒的超选择性栓塞 

声场控制微粒选择性的栓塞效果在离体的大鼠肝脏血管内进一步验证（图5）。研究者采用脱细胞技术制备了大鼠肝脏的透明化血管模型，并构建了适应血管分支的声场图案。注入血管内的栓塞微粒会在声场作用下，选择性地到达并栓塞特定的血管分支，表明声场具备在血管网络中控制微粒流动方向的能力。

图5 超声场控制离体血管内微粒的流动方向并进行超选择性栓塞

最后，研究者在活体的兔耳动脉中，验证了声场选择性导向微粒的可行性（图6）。声场被投射在兔耳动脉的分支处，控制微粒的转向。微粒流动轨迹证明了声场能操控单个或高通量的微粒在活体血管中的选择性递送。此外，组织学切片显示，受到超声作用的血管保持完整结构且没有凋亡信号，证实本方法优良的生物相容性。

图6 超声场控制微粒在活体血管内的选择性递送

本研究得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区计划、澳门大学先进材料研究与发展中心开放研究项目等资助。本文第一作者是上海交通大学生物医学工程学院博士生罗煜成，生物医学工程学院马智超副教授、机械与动力工程学院张文明教授是论文的共同通讯作者。论文合作单位包括南京大学、澳门大学、华中科技大学。上海交大船舶海洋与建筑学院龚志雄副教授团队在声场测量方面为本项目提供技术支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55478-2

作者：

马智超课题组

供稿单位：

生物医学工程学院