頻率高於人類聽覺閾值的聲波在醫療中被常規使用。 這些聲波也被稱為超聲波，可以説明臨床醫生診斷和監測疾病，還能讓您首次看到新家庭成員（指產前超聲檢查）。 如今，從癌症到阿爾茨海默病等神經退行性疾病患者，可能很快就能從這項技術的最新進展中受益。
我是一名生物醫學工程師，研究如何將聚焦超聲——即把聲能集中到特定體積——微調以治療各種疾病。 在過去幾年中，這項技術在臨床中得到了顯著發展和應用。 研究人員繼續發現使用聚焦超聲治療疾病的新方法。
聚焦超聲簡史
超聲波是通過含有能將電流轉換為振動（反之亦然）的材料的探頭產生的。 當超聲波穿過人體時，它們會從不同類型組織的邊界反射回來。 探頭檢測這些反射並將它們轉換回計算機可用於創建這些組織圖像的電信號。
80多年前，科學家發現將這些超聲波聚焦到約一粒米大小的體積可以加熱並破壞腦組織。 這種效果類似於用放大鏡集中陽光點燃幹樹葉。 早期研究者開始測試聚焦超聲如何治療神經系統疾病、疼痛甚至癌症。 然而，儘管有這些早期發現，技術障礙阻礙了在臨床中應用聚焦超聲。 例如，由於顱骨吸收超聲能量，發送具有足夠高能量以到達受損腦組織的聚焦光束被證明是困難的。 研究人員最終通過將大型超聲換能器陣列——在電信號和振動之間轉換的探頭——與關於顱骨形狀和密度的基於圖像的資訊集成起來，克服了這個問題。 這一改變使研究人員能夠更好地微調光束以達到目標。
直到近年來科學家在成像技術和聲學物理方面取得關鍵進展后，超聲的潛力才在臨
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床中得以實現。 數百項旨在治療數十種疾病的臨床試驗已經完成或正在進行中。 研究人員在一種稱為特發性震顫的疾病上取得了顯著成功，這種疾病會導致不受控制的顫抖，通常是手部顫抖。 如今，特發性震顫的聚焦超聲治療已在世界許多地方常規進行。
我相信聚焦超聲最具吸引力的一些應用包括改善向大腦的藥物遞送、刺激針對癌症的免疫反應以及治療中樞神經系統的罕見疾病。
向大腦遞送藥物
血腦屏障是進化對保持有害物質遠離這一最關鍵器官的精妙解決方案。 血腦屏障由緊密連接的細胞組成，這些細胞排列在血管內部。 它只允許某些類型的分子進入大腦，以防止病原體和毒素。 然而，在治療疾病時，血腦屏障成為一個問題，因為它阻止了治療方法到達其預期目標。
20多年前，開創性研究確定，發送低強度的聚焦超聲脈衝可以通過使血管中的微氣泡振蕩來暫時打開血腦屏障。 這種振蕩推拉周圍血管壁，短暫打開微小孔隙，使血液中的藥物能夠穿透進入大腦。 關鍵的是，血腦屏障僅在應用聚焦超聲的部位打開。
在多年測試該技術的安全性並改進超聲能量控制后，研究人員開發了幾種使用聚焦超聲打開血腦屏障進行治療的設備。 正在開展臨床試驗，測試這些設備將藥物遞送到大腦以治療膠質母細胞瘤、腦轉移和阿爾茨海默病等疾病的能力。
與此同時，在開發用於多種腦疾病的基因療法方面也取得了重大進展。 基因療法涉及修復或替換有缺陷的遺傳物質以治療特定疾病。 將基因療法應用於大腦尤其具有挑戰性，因為此類療法通常無法穿過血腦屏障。
動物研究表明，使用聚焦超聲打開血腦屏障可以促進基因療法向大腦中預期目標的遞送，為在人體中測試這種技術打開了大門。
刺激針對癌症的免疫反應
癌症免疫療法指導患者自身的免疫系統來對抗疾病。 然而，許多患者——尤其是患有乳腺癌、胰腺癌和膠質母細胞瘤的患者——的腫瘤在免疫學上是"冷的"，這意味著它們對傳統免疫療法無反應。
研究人員發現，聚焦超聲可以以某種方式破壞實體瘤，使免疫系統能夠更好地識別和摧毀癌細胞。 聚焦超聲實現這一點的一種方式是將腫瘤轉化為碎屑，這些碎屑隨後實際上流向淋巴結。 一旦淋巴結中的免疫細胞遇到這些碎屑，它們就可以啟動專門針對癌症的免疫反應。
受這些突破的啟發，佛吉尼亞大學於2022年成立了世界上第一個聚焦超聲免疫腫瘤學中心，以支援該領域的研究並將最有希望的方法推向臨床。 例如，我的同事正在該中心進行一項臨床試驗，測試使用聚焦超聲和免疫療法治療晚期黑色素瘤患者。
使用聚焦超聲治療罕見疾病
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聚焦超聲的研究主要集中在最嚴重和普遍的疾病上，如癌症和阿爾茨海默病。 然而，我相信，聚焦超聲在臨床中的進一步發展和更廣泛使用最終將使罕見疾病患者受益。
我實驗室特別關注的一種罕見疾病是腦海綿狀血管畸形（CCM）。 CCM是腦部病變，當構成血管的細胞不受控制地生長時發生。 雖然不常見，但當這些病變生長並出血時，它們可能導致致殘性神經癥狀。 CCM最常見的治療方法是手術切除腦部病變; 然而，一些CCM位於難以進入的腦區，這會帶來副作用風險。 放射治療是另一種治療選擇，但它也可能導致嚴重的不良反應。
我們發現，使用聚焦超聲打開血腦屏障可以改善向CCM的藥物遞送。 此外，我們還觀察到，即使不給葯，聚焦超聲治療本身也能阻止CCM在小鼠中生長。 雖然我們尚未理解聚焦超聲如何穩定CCM，但關於在治療其他疾病的患者中使用該技術安全性的大量研究，已使神經外科醫生開始設計測試該技術在CCM患者中使用效果的臨床試驗。
隨著進一步的研究和進展，我希望能夠使聚焦超聲成為治療許多毀滅性罕見疾病的可行治療選擇。