人耳听阈以上的频率声波在医疗护理中已被常规使用。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，还能让您首次看到新家庭成员的模样。
如今，从癌症到阿尔茨海默病等神经退行性疾病，各类疾病的患者可能很快就能从这项技术的最新进展中受益。
我是一位研究聚焦超声的生物医学工程师——聚焦超声是指将声能集中到特定体积的技术——我研究如何微调这种技术来治疗各种疾病。过去几年，该技术在临床中得到了显著的发展和应用。研究人员也在不断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，探头内含有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交界处反射回来。探头检测到这些反射，并将其转换回计算机可用的电信号，从而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约一粒米大小的体积，可以加热并破坏脑组织。这种效果类似于用放大镜聚焦阳光来点燃干叶。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中的应用。例如，由于颅骨吸收超声能量，要将具有足够能量的聚焦光束发送到受损的脑组织非常困难。研究人员最终通过将大型超声换能器阵列——即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微调光束以达到目标。
直到近年来，科学家在成像技术和声学物理学方面取得了关键进展，超声技术的潜力才在临床中得以实现。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原发性震颤的疾病上取得了显著成功，该疾病会导致不受控制的颤抖，通常是手部。如今，原发性震颤的聚焦超声治疗已在世界许多地方常规进行。
我相信，聚焦超声最令人兴奋的应用包括改善向大脑的药物输送、刺激免疫系统对抗癌症，以及治疗中枢神经系统的罕见疾病。
向大脑输送药物
血脑屏障是进化出的精妙解决方案，用于防止有害物质进入这一最关键的器官。血脑屏障由紧密连接的细胞组成，这些细胞排列在血管内壁。它只允许某些类型的分子进入大脑，从而防止病原体和毒素的侵入。然而，在治疗疾病时，血脑屏障成为一个问题，因为它会阻挡疗法到达其预期目标。
20多年前，开创性研究确定，发送低强度的聚焦超声脉冲可以通过引起血管中微气泡的振荡，暂时打开血脑屏障。这种振荡推动和拉动周围的血管壁，短暂打开微小孔隙，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。
经过多年来对这一技术安全性的测试和超声能量控制的改进，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。正在开展临床试验，测试这些设备向大脑输送药物以治疗胶质母细胞瘤、脑转移瘤和阿尔茨海默病等疾病的能力。
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，因为此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向大脑中预期目标的输送，为在人体中测试这一技术打开了大门。
刺激免疫系统对抗癌症
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——的肿瘤在免疫学上是"冷"的，这意味着它们对传统免疫疗法没有反应。
研究人员发现，聚焦超声可以以某种方式破坏实体肿瘤，使免疫系统能够更好地识别并摧毁癌细胞。聚焦超声实现这一点的一种方式是将肿瘤变成碎片，这些碎片随后实际上会流入淋巴结。一旦淋巴结中的免疫细胞遇到这些碎片，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年成立了世界上第一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，我的同事们正在该中心进行一项临床试验，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严重和最常见的疾病上，如癌症和阿尔茨海默病。然而，我相信，随着该技术在临床中的进一步发展和更广泛使用，最终将使患有罕见疾病的患者受益。
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是大脑中的病变，当构成血管的细胞不受控制地生长时就会发生。虽然不常见，但当这些病变生长并出血时，它们可能导致使人衰弱的神经系统症状。CCM最常见的治疗方法是手术切除脑部病变；然而，一些CCM位于难以到达的大脑区域，这会增加副作用的风险。放射治疗是另一种治疗选择，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向CCM的药物输送。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中CCM的生长。虽然我们还不完全了解聚焦超声是如何稳定CCM的，但关于在治疗其他疾病的患者中使用该技术安全性的大量研究，已经使神经外科医生开始设计针对CCM患者的临床试验，以测试这种技术的使用。
随着进一步的研究和进步，我希望能够使聚焦超声成为治疗许多毁灭性罕见疾病的一种可行治疗选择。
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