一种集成的超声引导聚焦超声系统能够对工程化免疫细胞中的热基因激活进行时空控制。

1. 领域背景与文献

文献英文标题：An integrated ultrasound-guided focused ultrasound system enables spatiotemporal control of thermal gene activation in engineered immune cells；
发表期刊：Theranostics；
影响因子：11.556（2023年）；
研究领域：合成生物学，可控基因激活技术，生物医学工程。

温和热疗（39-43℃）是已经成熟应用的治疗工具，覆盖从疼痛缓解到肿瘤治疗、免疫调节等多个生物医学领域。近年来合成生物学的发展进一步拓展了其应用潜力，通过热基因开关（TGS）可以响应外源刺激产生的温和热疗，精确调控基因转录活性，实现安全、可调、可逆的基因表达，为靶向给药、基因治疗和细胞治疗开辟了新方向。然而，基于热基因开关的干预方案的安全性和有效性高度依赖精准的热控，过热会造成不可逆组织损伤，热不足则会导致激活效率低下，因此精确的温度控制是充分发挥热基因开关治疗潜力的核心前提。

目前领域内已经开发了多种热基因开关激活策略，包括红外成像引导的光热治疗、光纤温度传感器监测的磁热疗、磁共振测温引导的聚焦超声等，但现有策略均存在不同程度的局限：光热治疗穿透深度浅，易造成皮肤表面过热；磁热疗加热不均匀，成本高，且两种策略都需要引入外源试剂，空间精度和生物相容性均存在争议。相比之下，聚焦超声（FUS）是一种无创干预方式，穿透深度可达数十厘米，空间精度可达亚毫米级别，是极具前景的可控热基因激活技术。有效的聚焦超声介导热疗需要影像引导，核心需求是解剖结构可视化和实时温度监测，磁共振成像是目前最常用的引导方式，但存在成本高、帧率低、便携性差、与聚焦超声硬件整合困难等问题，限制了其在需要重复成像或者需要抵消生理运动干扰场景中的应用。而超声成像成本低廉、实时性好，可与聚焦超声系统无缝整合，是更具优势的引导方式。

现有超声引导聚焦超声系统主要分为两类：一类是分立式系统，将治疗换能器和诊断成像阵列分开，各自优化声学参数，整体性能优异，但系统复杂笨重，换能器空间分离容易导致对位偏差，产生靶向误差；另一类是整合式双相控阵换能器系统，将治疗和监测功能整合在同一个换能器上，可实现治疗和成像的无缝切换，具备先天空间配准优势，系统结构紧凑，控制精度高，但由于聚焦超声换能器和诊断成像阵列的压电特性不同，单个换能器兼顾两种功能容易牺牲性能，需要针对特定应用进行系统优化。因此，当前领域亟待开发一种兼顾性能精度和便捷性的整合系统，实现热基因开关的精准时空激活，本研究正是针对这一需求开展技术开发，有望为可控基因治疗提供新的技术平台。

2. 文献综述解析

作者对现有研究的分类维度按照热基因开关激活技术路线划分，分别分析不同技术路线的优势与存在的问题，梳理出现有技术的核心缺陷，进而明确本研究的创新方向。现有研究已经验证了热控基因表达的可行性，多种激活策略都实现了一定程度的热基因开关激活，其中光热治疗可实现较高的空间分辨率，磁热疗也已经实现部分临床转化，磁共振引导聚焦超声则兼顾了穿透深度和控温精度。但现有策略均存在明显局限性：光热治疗穿透深度不足，易造成表面组织过热损伤；磁热疗加热不均匀，研发和应用成本较高，且两种策略都需要引入外源试剂，带来生物相容性和空间精度的问题。即使是性能更优的聚焦超声策略，常用的磁共振引导也存在成本高、帧率低、系统整合困难的问题，不适合需要重复成像的临床场景。

针对现有两类超声引导聚焦超声系统，分立式系统虽然成像和加热性能优异，但结构复杂笨重，容易出现对位偏差导致靶向误差；整合式单换能器系统虽然结构紧凑、空间配准精准，但受换能器压电特性限制，性能往往有所牺牲，需要进一步优化系统设计。现有研究未解决整合系统精度与性能的矛盾，本研究针对这一未解决问题开展创新，提出了新型整合双模式超声引导聚焦超声（USgFUS）系统，采用单个相控阵成像换能器同时实现成像和加热功能，既保证了空间配准精度，降低了系统复杂度，又通过分参数优化保证了成像和加热性能，解决了现有整合系统性能不足的问题，并且首次在体内实现了工程化免疫细胞热基因开关的精准时空激活，为热控基因治疗提供了一种低成本、临床可及的新技术平台。

3. 研究思路总结与详细解析

本研究的研究目标是开发整合双模式超声引导聚焦超声系统，实现热基因开关激活的精准时空调控，核心科学问题是如何在保证系统紧凑性和空间精度的同时，不牺牲成像和加热性能，实现有效的体内外热基因开关激活，技术路线遵循系统设计搭建→体外性能验证→细胞水平功能验证→动物体内功能验证→结论验证的完整闭环逻辑。

3.1 系统设计与搭建

实验目的：设计并搭建整合双模式超声引导聚焦超声系统，实现成像和加热功能的单换能器整合，通过参数优化保证系统性能。
方法细节：系统由Vantage 128超声研究平台、128单元线性换能器、主机控制器PC组成，成像和加热功能共享换能器等全部硬件资源，单独为加热功能配置大容量电源，通过定制图形用户界面实现整体系统控制，采用交错成像和脉冲波聚焦超声序列避免声学干扰产生的图像伪影，成像模式采用全128单元孔径，设置7MHz中心频率保证成像分辨率，加热模式仅启用中心78单元，设置4.8MHz中心频率，通过相位延迟产生10mm深度的聚焦点。
结果解读：系统可实现成像模式和加热模式的无缝自由切换，同一换能器兼顾两种功能不存在对位偏差，参数可灵活调整满足不同场景的加热需求，实现了设计目标。
文献未提及具体实验产品，领域常规使用超声研究平台、相控阵换能器类仪器。

3.2 体外系统性能验证

实验目的：验证系统的成像和加热性能，确认系统能否产生符合要求的温和热疗。
方法细节：采用通用超声模体测试成像性能，使用平面波B模式成像分辨点靶和囊肿靶，计算分辨率和对比度；通过场模拟和水听器测量评估聚焦超声的聚焦性能，在96孔板中加入去离子水，测试不同占空比和输出电压下的升温效果。
结果解读：B模式成像在30mm深度可达到0.4mm半高峰宽横向分辨率，在40mm深度，无回声囊肿和-3dB低回声囊肿的对比度噪声比和对比度分别为12.3dB和6.4dB，满足临床成像分辨率要求；聚焦区域6dB焦点大小为0.3×1.6mm，最大输出电压下焦点处空间峰值脉冲平均强度约为2200W/cm²，20分钟内可以让水温升高3.4-8.0℃，升温速度在前5分钟即可达到峰值温升的80%，符合温和热疗（39-43℃）的温度要求，验证了系统的体外性能符合设计预期。
实验所用关键产品：通用超声模体（054GS GP，CIRS）。

3.3 模体和动物体内温度监测验证

实验目的：验证热应变成像（TSI）测温的准确性，确认系统在体内能否实现精准的温度监测和控制。
方法细节：在组织模拟模体的焦点位置插入热电偶，记录聚焦超声加热过程中的温度变化，同时利用B模式图像计算热应变，结合热电偶数据校准热应变系数，得到温度分布图；在荷瘤小鼠肿瘤模型中，插入热电偶校准肿瘤的热应变系数，之后利用校准后的系数计算肿瘤内部不同位置的温度，并和热电偶测量结果对比，验证测温准确性。
结果解读：在组织模拟模体中，1分钟内温度升高5.5℃，进入温和热疗范围，10分钟连续辐照后温度升高7.4℃，热应变成像估计焦点温度与热电偶参考的平均绝对误差为0.25℃；在小鼠肿瘤中，热应变系数校准后决定系数R²=0.98（n=284），体内焦点位置热应变成像测温与热电偶测量的平均绝对误差为0.8℃，最大绝对误差为1.85℃，距离焦点越远温度越低，升温速率越慢，符合热扩散规律，重建的二维温度分布图可以实时显示热扩散过程，说明系统可以精准递送并监测靶向热疗，满足体内热基因开关激活的温度控制要求。
实验所用关键产品：K型热电偶（Omega Engineering）。

3.4 体外热基因开关激活验证

实验目的：验证系统能否在体外有效激活热基因开关，同时不影响细胞活力。
方法细节：构建热诱导表达荧光素酶的工程化Jurkat T细胞，使用超声引导聚焦超声系统在42℃加热细胞20分钟，以热循环仪加热作为阳性对照，未加热组作为阴性对照，加热后1、12、24小时分别检测细胞活力，12小时后检测荧光素酶发光强度；另外设置重复加热组，隔天加热一次，共三次，检测重复加热对细胞活力和热基因开关激活效率的影响。
结果解读：加热后各时间点，聚焦超声加热组和热循环仪加热组细胞活力损失均小于1%，两组之间无统计学差异（p>0.4，n=5）；加热后12小时，两组荧光素酶活性均比未加热组升高约150倍，两组之间无统计学差异（n=5）；重复三次加热后，每次加热后荧光素酶活性均显著升高，两次加热间隔回到基线水平，末次加热后细胞活力损失仍小于3%（n=5），说明超声引导聚焦超声系统可以在体外高效激活热基因开关，同时保持细胞活力，重复激活也不会影响细胞存活和热基因开关的热反应性。
实验所用关键产品：Zombie NIR染色（BioLegend）、流式细胞仪（Aurora，Cytek Biosciences）。

3.5 体内热基因开关激活验证

实验目的：验证系统在体内能否实现热基因开关的时空特异性激活。
方法细节：构建BALB/c小鼠双侧荷4T1乳腺肿瘤模型，将表达荧光素酶的工程化Jurkat T细胞瘤内注射到双侧肿瘤，仅一侧肿瘤接受聚焦超声加热，加热过程中使用校准后的热应变成像监测温度，加热后4小时利用活体生物发光成像检测双侧肿瘤的荧光素酶活性，定量分析激活效率。
结果解读：聚焦超声加热过程中，焦点温度稳定维持在40-42℃的激活阈值，实时B模式成像可以清晰显示肿瘤解剖结构，热应变成像可以实时显示温度分布；加热后4小时，仅聚焦超声加热侧肿瘤出现明显的荧光素酶发光，发光强度显著高于未加热侧肿瘤（p<0.05，n=3），说明系统可以在体内实现时空特异性的热基因开关激活，具备临床转化潜力。
实验所用关键产品：荧光素（Gold Bio）、活体生物发光成像系统（Xenogen IVIS，Caliper Life Sciences）。

4. Biomarker研究及发现成果

本研究中用于指示热基因开关激活的生物标志物是工程化Jurkat T细胞中热诱导表达的荧光素酶，筛选验证逻辑遵循系统设计→性能验证→体外细胞验证→动物体内验证的完整链条，逐步验证了系统激活热基因开关的有效性。该生物标志物来源于基因工程改造的Jurkat T细胞，验证方法为生物发光成像定量检测荧光素酶活性，体外验证结果显示，本系统激活效率与金标准热循环仪加热无统计学差异，体内验证仅聚焦超声加热侧肿瘤出现显著荧光素酶激活，未加热侧无明显激活，差异具有统计学意义（p<0.05，n=3），说明激活特异性高。

核心成果：本研究开发的整合超声引导聚焦超声系统，首次实现了单换能器集成成像与加热功能，空间配准精度高，系统结构紧凑，体内测温平均绝对误差仅为0.8℃（n=3），体内外均成功实现了热基因开关的精准时空激活，激活效率与金标准热循环仪相当，且不影响细胞活力，重复激活也保持良好的热反应性，为可控基因治疗、细胞治疗提供了一种低成本、临床可及的新技术平台。未来该系统结合治疗性基因构建，可进一步应用于肿瘤免疫治疗等领域，推动热控基因治疗的临床转化。