低频超声在抗感染领域的应用现状.pdf
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1、.869.文章编号:1001-8689(2023)08-0869-10收稿日期:2022-06-20基金项目:国家自然科学基金(No.81770004;No.82073894)和解放军总医院杰出青年科学家培养项目(No.2020-JQPY-004)作者简介:闫开成,男,生于1988年,在读硕士研究生,医师,主要研究方向为抗感染药物合理应用,E-mail:epoch_*通信作者,E-mail:caicai_低频超声在抗感染领域的应用现状闫开成1,2 陈丽3 刘晓丽4 梁文馨2 蔡芸2,*(1 解放军医学院,北京 100853;2 解放军总医院医疗保障中心药剂科药物临床研究室,北京 100853;
2、3 解放军总医院医疗保障中心信息科 北京 100853;4 解放军总医院第一医学中心皮肤科,北京 100853)摘要:抗菌药物的不合理使用,导致耐药菌感染成为影响人类健康的一大危机,虽然近些年研发了一些新型抗菌药物,但耐药趋势并未逆转,目前急需替代疗法来应对这一危机。低频超声作为一个安全且有应用前景的物理方法,在抗感染领域的应用越来越被受到重视,与抗菌药物联合应用能产生协同杀菌作用,杀菌机制包括热效应、机械效应和空化效应。本文综述了体内外低频超声联合抗菌药物在抗浮游菌和生物被膜、促进植入物药物释放和临床应用的特点,旨在对低频超声进一步研究和未来在抗感染领域的应用提供指导。关键词:低频超声;抗感
3、染;空化效应;浮游菌;生物被膜;植入物中图分类号:R978.1 文献标志码:AApplication status of low-frequency ultrasound in the field of anti-infection Yan Kaicheng1,2,Chen Li3,Liu Xiaoli4,Liang Wenxin2,and Cai Yun2(1 Medical School of Chinese PLA,Beijing 100853;2 Center of Medicine Clinical Research,Department of Pharmacy,Medical Su
4、pplies Center,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853;3 Department of Information,Medical Supplies Center,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853;4 Department of Dermatology,the First Medical Center,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853)Abstract The irrational use of antibiotics has le
5、d to the infection of drug-resistant bacteria,which has become a major crisis affecting human health.Although some new antibiotics have been developed in recent years,the trend of drug resistance has not reversed.At present,there is an urgent need for alternative therapy to deal with this crisis.As
6、a safe and promising physical method,low-frequency ultrasound has attracted more and more attention in the field of anti-infection.Combined with antibiotics,it can produce synergistic bactericidal effects.The bactericidal mechanism includes thermal effects,mechanical effects and cavitation effects.T
7、his review summarizes the characteristics of low-frequency ultrasound combined with antibiotics in anti-planktonic bacteria and biofilm,promoting implant drug release and clinical application in vivo and in vitro,in order to provide guidance for the further research of low-frequency ultrasound and i
8、ts application in the field of anti-infection in the future.Key words Low-frequency ultrasound;Anti-infection;Cavitation effect;Planktonic bacteria;Biofilm;Implants一,而抗菌药物依旧是目前治疗相关感染的最有效方法。但是在过去的几十年中,由于不谨慎地使用1 背景细菌感染仍然是人类社会面临的主要挑战之中国抗生素杂志2023年8月第48卷第8期.870.低频超声在抗感染领域的应用现状 闫开成等抗菌药物导致细菌耐药性的流行急剧增加,耐药菌感
9、染仍然是人类健康的严重威胁1。在这种情况下,抗菌药物联合应用已成为治疗耐药菌感染的一种选择,因为它具有广泛的覆盖范围和协同效应,但也提高了药物不良反应风险,最终导致治疗失败、抗菌药物使用量增加以及可能加速多重耐药菌产生2。生物被膜是指细菌黏附于接触表面或形成聚集体,并显示出对抗菌药物和宿主防御的极端耐受性,抗菌药物消除细菌生物被膜所需的药量是根除浮游菌所需用量的5005000倍,这远远超出了人体的承受能力3。因此,抗菌药物治疗通常无法完全根除生物膜,导致复发性生物被膜相关感染4。为了应对这些挑战,有必要寻求一种辅助方法来协助去除细菌生物被膜和缓解细菌耐药趋势。物理方法是疾病治疗的一个重要辅助手
10、段,其中低频超声(low frequency ultrasound,LFU)作为一个安全且有应用前景的物理方法,已经在临床研究和诊断中应用了很多年。LFU指频率范围在20 kHz1 MHz,具有长波长的声波,这种声波在各种组织中具有很强的穿透力,可以引起热效应、机械效应和空化效应5。关于超声治疗的最早报道可以追溯到19世纪50年代,氢化可的松软膏联合超声“按摩”治疗手指关节炎和手滑囊炎,与单纯注射氢化可的松相比疗效更佳,在后来的研究中也得到了类似的结果,证实了超声可以增强药物的皮肤渗透性6-7。随着对这些作用机制的深入研究,LFU在治疗中的潜力逐渐显现。针对多种临床疾病进行了充分研究,包括促进
11、组织再生、疼痛管理、神经调节、抗感染和抗癌症治疗8。LFU在抗感染领域的应用也越来越受到重视,多项研究表明,LFU与抗菌药物联合应用能产生协同杀菌作用,可以提高抗菌药物对浮游细菌、细菌生物被膜、真菌和其他生物体的杀菌作用9。因此,根据现有的体内和体外的研究数据,综述LFU的作用机制及应用效果,旨在评估LFU协同抗菌药物在抗感染领域的应用现状,为未来的临床实践提供指导。2 LFU的生物学机制2.1 热效应一般认为,LFU的抗菌效果取决于其生物学影响,包括热效应和非热效应。LFU的热效应也称为热疗效应,当超声波穿过组织时,组织颗粒介质界面会产生摩擦,介质吸收这些能量并将其转化为热能,引起生物体的某
12、些变化10。LFU的热效应与超声参数和组织密度有关,超声的受阻和衰减度决定了组织中产生的热量水平,这些热量随后对机体的血管舒张、氧合功能和营养交换等生理现象发挥作用。当LFU强度10 W/cm2会产生大量热量,高强度聚焦超声是一种新的无创治疗技术,可以瞬间将靶组织加热到60,导致蛋白质变性或凝固性坏死,因此,高强度聚焦超声主要用于抗癌和消融12。相比之下,低频低强度超声(0.02至1 W/cm2)随着时间的推移产生的热量相对较少13,具体取决于频率、波长和治疗持续时间,许多研究已经验证了低强度脉冲超声和低强度连续超声在组织再生、疼痛缓解、血栓形成、抗微生物、骨折愈合和骨关节炎等疾病治疗中的潜在
13、有效性,可见LFU在低强度下对抗炎、抗菌、修复和再生等有积极疗效。2.2 机械效应机械效应是超声波的最基本的效应,当超声波在体液介质中产生驻波时,悬浮在介质中的微粒在机械力的作用下凝聚,发生位移,这些作用力包括空化效应、微束流和辐射力。而LFU最重要的生理效应是产生空化效应,当超声波在机体传播时,使组织中的液体形成微小气泡核(空化核),这些空化核闭合时会发生一系列动态过程,包括振荡、膨胀、收缩和崩溃。当声压达到一定数值时,气泡迅速膨胀,然后突然关闭,随后的冲击波可以诱导周围空化核的形成以及细胞膜和质膜的破裂。LFU的这种空化和微流特性归因于惯性流体中微泡的连续压缩和折射循环,引发细胞膜和质膜的
14、局部扩展松动,从而增加营养物质的交换或促进药物输送14。空化效应通常分为稳定型和惯性型,在低强度下,空化核围绕平衡半径周期性振荡,产生辐射压力和微束,微束可以在气泡表面附近产生高剪切力,然.871.后气泡变形和破裂,影响相邻的组织结构并使周围的细胞或血管壁破裂。随着频率的降低,共振气泡的大小和因振荡而被迫移动的液体体积也会增加,这表明微束在低频下可能具有更重要的作用15。当强度增加时,空化气泡在负压下迅速膨胀,在正压下急剧收缩内爆,称为惯性空化。在此过程中,气泡振荡比较剧烈,从剧烈膨胀到急剧塌陷再到瞬间破裂,惯性空化对超声强度呈总体依赖性,超声强度必须高于阈值强度,并且超声频率越高,惯性空化的
15、阈值强度越大。Tezel等16发现惯性空化增强通常与空化的能量密度相关,而与强度和频率无关。这些数据表明惯性空化在低频超声中起着重要作用。LFU的生理效应受多因素影响,其效应机制也是多样复杂的,生物学效应可能主要归因于机械振动,因为一般在低强度下对组织和细胞水平上的热效应很小17。在过去的几十年中,LFU应用取得了重大进展,随着对超声生物效应的了解不断增加,已经确定机械效应可以增强超声化学效应,在促进药物渗透中,LFU介导的微束流和内吞作用可能具有协同作用;在抗肿瘤和抗感染的治疗中,LFU的热效应和空化效应也是相辅相成的;多数研究发现LFU的空化作用在多种治疗作用中具有主导作用18。3 LFU
16、的协同抗菌效应3.1 对浮游菌的作用LFU对浮游菌作用效果的相关文献大多是体外研究,尽管有些研究表明单独使用LFU可以降低细菌的数量19-20,但这样的杀菌效果并不明显,设定的强度也较高,容易产生热损伤。本课题组胡杏等21通过体内小鼠肺炎模型,考察了LFU对小鼠肺炎克雷伯菌肺炎的作用效果,设定频率为29.36 kHz,强度为0.250.3 W/cm2,发现对小鼠活体肺组织中发光肺炎克雷伯菌荧光强度无影响。因此,LFU在抗感染领域的应用主要表现为和抗菌药物的协同作用,Pitt等22首次证实了LFU联合庆大霉素对铜绿假单胞菌、大肠埃希菌和葡萄球菌的协同抗菌作用,吸引了很多学者对LFU在抗感染方面的
17、探索。LFU对浮游菌的联合作用主要是在体外孔板中进行,容易操作和孵育,作用时间短且不易生成生物被膜(表1)。Runyan等23使用70 kHz的LFU在不同强度下联合头孢硝噻吩作用于铜绿假单胞菌,在0.54.7 W/cm2范围内,杀菌效果随着超声强度增强而增高,进一步研究发现LFU作用于铜绿假单胞菌时,会增大细菌的孔膜,可以使大分子的-内酰胺酶从细胞中排出,而小分子头孢硝噻吩更容易进入细菌内,从而杀死细菌。其他研究也证实了LFU增强了一些抗菌药物对某些特定细菌的活性,特别是氨基糖苷类对革兰阴性菌的活性,Zhu等28运用LFU介导的微泡法进一步增强了庆大霉素对大肠埃希菌的抗菌活性,透射电镜下显示
18、细菌细胞膜比单用药物组破坏更严重。此外,Liu等26发现LFU联合左氧氟沙星或环丙沙星可增强其杀死大肠埃希菌的有效性,LFU可以激活氟喹诺酮类药物产生活性氧,主要包括超氧自由基阴离子和羟基自由基。研究发现一些革兰阳性菌也容易受到LFU的作用,使得病原菌对抗菌药物更敏感,甚至能降低耐药性,Ayan等24发现LFU可以增强金黄色葡萄球菌对青霉素、替考拉宁、红霉素等多种抗生素的敏感性,对细菌的形态学和遗传学都产生了改变。LFU联合苯唑西林不仅减少了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)的菌落数,使得细胞壁破裂,并且
19、改变MRSA的菌落特征,包括对甲氧西林的耐药性25。除了常规抗菌药物,LFU还可以增强新型抗菌物质对病原菌杀伤能力,比如金属氧化物纳米颗粒、生物聚合物和绿原酸27,29-30。3.2 对生物被膜的作用与浮游菌相比,生物被膜内的细菌对多种抗菌药物表现为耐药,耐药性的增加是由于细菌代谢特征和基因表达的变化。除了表型变化外,生物被膜本身可能会结合或减缓抗菌药物的运输,从而保护内部的细菌免于接触致死水平的抗菌药物。大多细菌在繁殖过程中都会产生生物被膜,金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠埃希菌产生的生物被膜更常见、耐药性更强。很多研究报道了LFU在体外和体内可有效增强某些抗菌药物杀灭细菌生物膜的作用,体
20、内模型大多为兔子和大小鼠皮下植入物模型(表2)。Rediske等32报道LFU作用于家兔皮下的载有中国抗生素杂志2023年8月第48卷第8期.872.大肠埃希菌的聚乙烯圆盘,皮下在超声作用前注射庆大霉素,治疗24 h后分别测量圆盘载菌量,研究分为8个组别,分别设置了阴性对照组、阳性对照组、单用药物组、单用LFU组以及不同强度的LFU组。在24.48 kHz频率下,单用强度0.1 W/cm2 的LFU未见杀菌效果,而与单用药物组相比,LFU联合庆大霉素在0.1 W/cm2时,细菌活力未见明显降低;在0.3 W/cm2时,细菌平均活力从2.94降低到 0.99 lgCFU/cm2;在0.6 W/c
21、m2时,细菌平均活力从2.93降低到1.69 lgCFU/cm2,结果显示在强度为0.3 W/cm2时联合庆大霉素有更好的杀菌效果,这也提示并不是超声强度越高越好,在实际应用中需要探索合适的作用强度,才可能产生更好地杀菌效果。同样,Carmen等34研究了LFU联合庆大霉素在不同强度下作用于体外大肠埃希菌和铜绿假单胞菌被膜,随着作用强度的增加LFU显著增加了庆大霉素穿过生物膜的量,使得庆大霉素在生物被膜下处于较高浓度。对于金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌生物被膜的治疗主要是协同万古霉素,LFU增强了万古霉素在体内外对葡萄球菌生物膜的抑菌作用,特别是对于MRSA42,这种联合作用更具杀菌效果,且对动
22、物无明显危害,其他研究也显示多次LFU联合抗菌药物组合对细菌生低频超声在抗感染领域的应用现状 闫开成等表1 LFU联合抗菌药物对浮游菌的作用效果Tab.1 The effect of LFU combined with antibiotics on planktonic bacteria作者(年)研究类型病原菌频率/强度/作用时间联合药物结果Runyan(2006)23体外浮游菌铜绿假单胞菌70 kHz/0.54.7 W/cm2/3 min头孢硝噻吩LFU对头孢硝噻吩的水解能力随着超声强度的增加而增强Ayan(2008)24体外浮游菌金黄色葡萄球菌 1 MHz/0.03 0.161 W/cm2
23、/20 min青霉素、苯唑西林、替考拉宁、红霉素、克林霉素、左氧氟沙星、环丙沙星与单独使用抗菌药物组相比,LFU联合用药组的细菌菌落数量显着减少,电子显微镜下可观察到细菌细胞壁的部分破坏或解体Conner-Kerr(2010)25体外浮游菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌35 kHz/2 W/cm2/0.5,1,3 min苯唑西林LFU减少了细菌的菌落数,使得细菌破裂或细胞壁断裂,并改变耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的菌落特征,包括对甲氧西林的耐药性Liu(2011)26体外浮游菌大肠埃希菌40 kHz/1 W/cm2/15,30,45 min左氧氟沙星 环丙沙星LFU联合左氧氟沙星和环丙沙星可增强其杀死大
24、肠埃希菌的有效性。LFU可以激活氟喹诺酮类药物产生活性氧,主要包括超氧自由基阴离子和羟基自由基Seil(2012)27体外浮游菌金黄色葡萄球菌30 kHz/15 W/cm2/1 min氧化锌纳米粒子 与单独使用氧化锌纳米粒子相比,LFU联合组使得菌落数进一步减少了76%。氧化锌纳米粒子在超声波存在下通过产生更多的过氧化氢来降低金黄色葡萄球菌的功能Zhu(2014)28体外浮游菌大肠埃希菌46.5 kHz/0.1 W/cm2/24 h占空比1:3庆大霉素微泡介导的LFU可以进一步增强庆大霉素的抗菌功效,透射电子显微镜图像显示,与其他组相比,微泡介导的LFU中细菌细胞膜的破坏更严重Guo(2020
25、)29体外浮游菌大肠埃希菌20 kHz/255 W/cm2/9 min精油纳米乳液LFU和精油纳米乳液的联合处理改变了大肠埃希菌细胞膜的通透性,使得这些细胞释放大量核酸和蛋白质Xie(2020)9体外细胞研究结核分枝杆菌42 kHz/0.13 W/cm2/10 min左氧氟沙星纳米颗粒LFU显着促进了巨噬细胞对左氧氟沙星纳米颗粒的吞噬作用,促进巨噬细胞产生活性氧,巨噬细胞的凋亡率显着高于对照组。与游离药物相比,LFU联合组对巨噬细胞内的结核分枝杆菌的抗菌活性高出10倍Sun(2021)30体外浮游菌金黄色葡萄球菌50 kHz/800 W/cm2/5,10,20,30,60 min绿原酸LFU联
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