这篇文档是发表于《Free Radical Biology & Medicine》期刊1992年第一卷的一篇综述文章。文章由美国国立卫生研究院国家癌症研究所的Peter Riesz和日本福井医科大学实验放射学与健康物理学系的Takashi Kondo共同撰写。该文全面回顾了超声诱导自由基形成及其生物学效应的研究进展，旨在为相关领域的研究者提供一个关于超声化学（sonochemistry）与生物效应之间联系的系统性认识。
文章的核心主题是探讨超声波在液体中引发声空化（acoustic cavitation）的化学效应，特别是由此产生的自由基（如羟基自由基和氢原子），并深入分析这些化学效应对生物大分子（如DNA、蛋白质、脂质）和细胞结构（如细胞膜）的潜在影响。作者特别关注了诊断和治疗用超声波可能带来的生物学风险，尤其是通过脉冲超声产生自由基的可能性。
主要观点与论据
1. 超声化学效应的核心机制是声空化，其产生的极端条件导致水的热解和自由基形成。 文章开篇即指出，超声波在水溶液中的化学效应源于声空化现象，即液体中微小气泡的形成、生长和剧烈崩溃。理论计算和实验证据表明，气泡崩溃瞬间可产生数千开尔文的高温和数百个大气压的高压。在此极端条件下，水蒸气发生热解，产生羟基自由基（•OH）和氢原子（•H）。这一过程已被电子自旋共振（ESR）和自旋捕获技术直接证实。文章通过引用早期研究（如Richards和Loomis, 1927）以及后续对水溶液声解产物的分析（如H2O2、H2的形成），确立了超声化学与辐射化学在初级产物上的相似性（都产生•OH和•H），但也指出了关键区别：声解不直接产生水合电子，除非在极高pH值下通过•H与OH-反应生成。作者进一步阐述了区分热依赖过程（如自由基氧化还原反应）和压力依赖过程（如聚合物降解和细胞裂解）的方法，即通过使用具有不同热导率的稀有气体（如氦、氖、氩、氪、氙）来调节空化气泡的崩溃温度。
2. 声化学反应发生在三个不同区域，溶质的挥发性与疏水性决定了其主要反应路径。 文章提出了一个重要的概念模型，将声化学反应的发生区域分为三部分： * 气泡内部（高温高压气相区）：发生典型的裂解反应，如水的热分解。 * 气液界面区域：存在巨大的温度和压力梯度，是一个厚度约200纳米、温度约2000K的薄层。非挥发性但疏水的溶质会在此区域富集，并发生热分解。 * 溶液本体（环境温度区）：从空化区域逃逸出来的自由基与溶质发生反应，类似于水溶液辐射化学中的次级反应。
这一模型得到了大量实验数据的支持。例如，对于挥发性溶质（如溶解的气体D2、CH4、C2H2），其反应产物（如HD、复杂碳氢化合物）的生成速率与气体在氩气中的混合比例呈先增后减的单峰关系，这归因于气泡内气体混合物比热容比（γ）的变化对崩溃温度的影响。对于非挥发性溶质（如醋酸盐、氨基酸、核苷酸、聚合物），自旋捕获实验显示，在低浓度下主要检测到由•OH和•H引发的抽氢或加成反应生成的自由基；而在高浓度下，则能检测到由界面区热解产生的自由基（如来自醋酸盐的甲基自由基）。文章特别指出，疏水性是决定溶质在界面区富集和反应效率的关键因素，并用表面活性剂（如烷基糖苷）与非表面活性剂类似物的对比实验加以证明。作者将此现象与超临界水的特性联系起来，认为在气泡崩溃后期，界面区域可能形成超临界水，其低介电常数和高扩散性有利于非极性有机溶质的溶解和反应。
3. 脉冲超声（特别是微秒级脉冲）能够在水中诱发瞬态空化并产生自由基，这与诊断超声的安全性评估密切相关。 鉴于诊断超声在临床（尤其是产科）的广泛应用，文章用专门章节讨论了脉冲超声的化学效应。作者引用了其研究团队和其他小组的工作，指出在满足特定强度阈值（如空间峰值时间平均强度Ispta为1.0或1.5 W cm⁻²，脉冲峰值强度更高）的条件下，微秒级（如6.5 µs）的1 MHz脉冲超声能在氩饱和水中产生可被自旋捕获技术检测到的•OH和•H自由基。虽然产生的自由基数量级（10⁷–10⁸ radicals/mL per pulse）远低于连续波超声或同等时间的γ辐射，但其存在本身证明了诊断超声设备参数下瞬态空化发生的可能性。文章同时回顾了其他研究团队（如Crum和Fowlkes, Atchley, Holland和Apfel）利用化学发光、声散射等方法测量脉冲超声空化阈值的工作，指出这些阈值处于某些临床成像和多普勒设备的输出范围内。作者强调，尽管流行病学研究未报告诊断超声的损伤效应，但理解瞬态空化的发生条件对于评估其潜在风险至关重要。此外，文章也指出，与电离辐射产生的自由基可直接作用于细胞核内DNA不同，超声产生的自由基主要存在于细胞外液，其短扩散距离（1.5-9 nm）可能将损伤主要限制在细胞膜。
4. 超声引起的生物大分子降解和细胞效应是机械效应与化学效应共同作用的结果，但在不同体系中主导机制不同。 文章的后半部分系统回顾了超声波对DNA、酶、脂质体和细胞的影响，并致力于区分机械效应（如剪切力、冲击波）和自由基化学效应的贡献。 * DNA损伤：超声波可导致DNA单链和双链断裂。证据表明，自由基清除剂（如半胱胺）能减少超声引起的胸腺嘧啶碱基损伤和DNA单链断裂，提示自由基参与了部分损伤。然而，双链断裂似乎对自由基清除剂不敏感，且即使在几乎不产生自由基的N2O饱和溶液中，DNA的机械降解（如聚合物解聚）和细胞裂解仍可发生，表明机械力是导致DNA链断裂（尤其是双链断裂）和细胞膜破裂的主要因素。 * 酶失活：早期研究认为空化是酶超声失活的必要条件。一些研究显示自由基清除剂（如2-巯基乙醇）能减缓失活速率，暗示自由基可能参与。但酶失活也涉及超声对蛋白质三级结构的机械破坏和随后的热效应。有趣的是，低于空化阈值时，固定化酶的活性有时反而会增加，这被归因于超声改善了底物传输。 * 脂质体和膜损伤：超声制备脂质体过程中可引发脂质过氧化，此过程可被典型的•OH自由基清除剂（如甲酸钠、DMSO、苯甲酸钠）显著抑制，但不能被超氧化物歧化酶或单线态氧猝灭剂抑制，表明•OH是引发过氧化的关键自由基。然而，在红细胞裂解实验中，使用氩气（产生自由基）和N2O（几乎不产生自由基）饱和溶液，细胞裂解程度相同，且存活细胞的膜流动性、通透性和变形性未受影响。这强烈说明，对于完整细胞的裂解，瞬态空化产生的冲击波等机械效应是主导机制，化学效应可能被掩盖或作用相对次要。 * 细胞杀伤：关于自由基在细胞杀伤中的作用，研究结果存在不一致。一些报告显示自由基清除剂半胱胺能提高细胞的克隆形成存活率，但对即时膜损伤（台盼蓝染色）无保护作用；而另一些使用特殊腔室的研究则报告了极高的保护率。文章列表对比了不同实验室的条件和结果，指出实验设置（声场、强度、温度控制）的差异可能导致不同结论。作者团队使用不同稀有气体的实验为此提供了关键证据：细胞裂解程度与气体热导率（即气泡崩溃温度）无关，而自由基产额则随热导率降低（温度升高）而增加。这明确将自由基生成（温度依赖过程）与细胞裂解（压力依赖过程）的机制分离开来。
5. 通过对比不同气体环境下的反应，可以区分超声生物效应中的热化学机制和压力机械机制。 这是贯穿全文的一个重要方法论观点。文章明确指出，利用单原子稀有气体（高γ值，高热导率差异）和多原子气体（低γ值，如N2O、CO2）可以调控空化气泡崩溃的最终温度。对于N2O这样的三原子气体，其γ值较低，崩溃温度不足以使水发生显著热解，因此几乎检测不到•OH和•H自由基。然而，在N2O饱和溶液中，聚合物降解和细胞裂解仍能发生，且程度与在氩气中相似。这一对比清晰地表明：自由基介导的氧化还原反应是高度温度依赖的；而由气泡崩溃冲击波导致的聚合物链断裂和细胞膜破裂，则主要是一个压力依赖的机械过程。这一区分对于理解和评估超声波在不同应用场景（如诊断、治疗、实验室处理）中的主要作用机制具有根本性意义。
文章的意义与价值
这篇综述发表于1992年，正值超声化学复兴和医学超声应用迅猛发展的时期。其重要价值在于： 1. 系统整合：首次将超声化学的基础物理化学机制（声空化、自由基生成、三区域模型）与广泛的生物学效应（从分子到细胞水平）系统地联系起来，为理解超声的生物效应提供了一个统一的化学物理框架。 2. 机制辨析：明确提出了区分超声生物效应中热化学机制与压力机械机制的理论和方法（特别是利用不同气体），这对后续研究设计具有重要的指导意义。 3. 安全关切：专门探讨了与诊断超声安全密切相关的脉冲超声自由基生成问题，将基础研究发现与临床应用的风险评估直接关联，提升了该领域的风险意识并指明了研究方向。 4. 跨学科桥梁：文章融合了声学、物理化学、自由基生物学和放射生物学的知识，是跨学科研究的典范，为来自不同背景的研究者理解超声波与生物体系的相互作用提供了权威参考。 5. 历史与前瞻：不仅回顾了超声化学的早期历史，总结了当时的最新进展（如自旋捕获技术的应用、脉冲超声研究），也指出了尚未解决的问题（如半胱胺保护作用的机制争议），为未来研究奠定了基础。
Riesz和Kondo的这篇综述是超声化学生物学领域的一篇里程碑式文献，它深刻阐释了超声波非热生物效应的化学基础，并建立了评估其机制的研究范式，对基础科学和医学应用均产生了深远影响。