不可逆電穿孔腫瘤消融器械發(fā)展現(xiàn)狀

【作 者】何天帥 ，譚焜，孫倩倩，張芷芮，陳雪 ，呂毅，吳榮謙

1 西安交通大學第一附屬醫(yī)院 精準外科與再生醫(yī)學國家地方聯(lián)合工程研究中心，西安市，710061

2 西安交通大學第一附屬醫(yī)院 陜西省再生醫(yī)學與外科工程研究中心，西安市，710061

3 西安交通大學 醫(yī)學部，西安市，710061

0 引言

腫瘤消融是腫瘤治療的研究熱點，當前主要分為熱消融和非熱消融兩種模式。基于高壓脈沖電場（pulsed electric fields,PEF）生物效應理論的高壓超短脈沖電場，也稱為不可逆電穿孔（irreversible electroporation,IRE）是近年來新興的一種非熱能腫瘤消融技術(shù)。

腫瘤消融治療（tumor ablation）是一類利用外部能量直接作用于目標腫瘤組織進而引起細胞急性壞死和組織不可逆性損傷的技術(shù)。消融治療是外科難以切除和放化療治療失敗病例的重要選擇，也是部分小體積腫瘤潛在的一線治療手段。消融治療主要包括冷消融（cryoablation）和熱消融（thermal ablation）兩類。近年來，生物電磁學的脈沖電場腫瘤消融技術(shù)受到廣泛關(guān)注。基于高壓脈沖電場生物效應理論的高壓超短脈沖電場是近年來新興的一種非熱能腫瘤消融技術(shù)[1]。

1 不可逆電穿孔消融腫瘤的機制

當對細胞施加外加電場時，細胞膜上會產(chǎn)生可以輸送分子的暫時性納米孔通道，當外加電場停止時，通道關(guān)閉，細胞繼續(xù)存活[2]。但當外加電場強度達到一定閾值后，細胞內(nèi)物質(zhì)外流過度或細胞膜關(guān)閉緩慢，對細胞造成不可逆的傷害，細胞因此進入程序性死亡或壞死，這一現(xiàn)象被稱為細胞的不可逆電穿孔（IRE）。這與其他消融系統(tǒng)透過熱能或是輻射造成的細胞壞死有著明顯的不同[1,3]。

IRE技術(shù)根據(jù)其單個脈沖時間可分為微秒級IRE和納秒級IRE。關(guān)于微秒級IRE治療腫瘤引起細胞死亡的分子機制，最初學者們普遍認為是細胞膜在外界電場作用下達到跨膜電位被擊穿，胞外的水分子、離子及其他分子物質(zhì)可自由進入細胞導致其崩解、壞死，即可對組織細胞產(chǎn)生一種即刻、瞬時的破壞效應。隨著關(guān)于IRE技術(shù)腫瘤消融相關(guān)研究的深入，學者們進一步研究發(fā)現(xiàn)，利用微秒級高壓脈沖電場在擊穿細胞膜的同時，也存在凋亡跡象[4]。LEE[5]在利用脈寬100 μs的脈沖電場消融活體豬肝臟組織時，通過免疫組織化學法檢測促凋亡基因蛋白Bax的表達，TUNEL染色檢測原位細胞凋亡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電場消融作用后細胞凋亡現(xiàn)象的存在，由此證實微秒脈沖不僅可以誘導細胞可逆與非可逆電穿孔效應，也可誘導細胞的凋亡效應。納秒級IRE用于腫瘤消融治療的研究晚于微秒級IRE，其在治療腫瘤過程中的細胞死亡機理還未有定論。有研究利用納秒級高壓脈沖電場作用于肝細胞，研究結(jié)果顯示，經(jīng)納秒級IRE作用后肝細胞未顯示出凋亡現(xiàn)象，而具有焦亡和程序性壞死現(xiàn)象[6]。ROSSI等[6]利用納秒級高壓脈沖電場對B16黑色素瘤的細胞死亡機制進行研究，研究結(jié)果顯示，納秒級高壓脈沖電場非凋亡和免疫原性細胞死亡，而是壞死。這些研究表明，納秒級IRE治療腫瘤根據(jù)高壓脈沖電場的參數(shù)不同及針對腫瘤細胞或組織的不同而顯示出不同。

2 不可逆電穿孔消融的優(yōu)勢和應用范圍

不可逆電穿孔消融具有以下優(yōu)勢：①在治療過程中不產(chǎn)生熱損傷，克服了傳統(tǒng)熱消融中熱沉的缺點；②作用于細胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)或細胞器膜，不借助熱能殺傷細胞，有效保護血管、膽管及神經(jīng)等結(jié)構(gòu)；③不使用化療藥物，只在局部治療，副作用小，可克服腫瘤藥物抵抗；④治療時間短；⑤腫瘤的復發(fā)率低于手術(shù)切除和熱消融。當前，IRE 已在肝癌、胰腺癌和前列腺癌等實體腫瘤的治療中表現(xiàn)出良好效果。IRE理論的出現(xiàn)為惡性腫瘤的治療提出了一種新的思路，特別是其針對性地作用于細胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的特點，不借助熱能殺傷細胞，可以有效保護血管、膽管及神經(jīng)等結(jié)構(gòu)。這種優(yōu)勢對于鄰近血管、膽腔等結(jié)構(gòu)復雜的消化道腫瘤具有重要應用價值，目前對于黑色素瘤、肝癌等具有有效的臨床效果。此外，經(jīng)IRE消融治療后的病灶組織與正常組織間界限清晰，損傷范圍可以有效控制，治療后可以較快恢復。

目前，基于不可逆電穿孔技術(shù)的設(shè)備已應用于臨床和科研領(lǐng)域。我們將從臨床和研究兩個方面介紹一些成熟的不可逆電穿孔設(shè)備。

3 臨床用不可逆電穿孔設(shè)備

3.1 Nanoknife

由美國Angiodynamics公司生產(chǎn)的Nanoknife是最早在臨床使用的不可逆電穿孔設(shè)備，于2012獲得美國FDA和歐盟許可，目前已經(jīng)推出到第三代。Nanoknife 3.0設(shè)備采用微秒級脈沖，具有以下優(yōu)勢：①不損傷細胞骨架。納米刀系統(tǒng)不依靠熱量實現(xiàn)細胞死亡。相反，它誘導更自然細胞死亡的方法，而反過來，只銷毀目標組織和保留關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，包括脈管、神經(jīng)和血管。②無熱效應。IRE消融的區(qū)域并沒有變形或減少血管接近。③增強的用戶體驗 具有直觀的軟件界面，系統(tǒng)設(shè)定了五種不同探針數(shù)量的消融模式來針對不同大小和位置的腫瘤（見圖2），簡化了程序設(shè)置并提供實時視覺反饋，允許每次可自定義消融的步驟。在手術(shù)過程中，IRE消融區(qū)的有效區(qū)域是立即可視化的（箭頭），如圖3所示。

圖1 針狀電極Fig.1 Needle electrodes

圖2 不同電極排布Fig.2 Different electrodes placement

圖3 腫瘤消融后消融區(qū)域具有明顯邊界Fig.3 The area of ablation after tumor ablation has obvious boundaries

3.2 賽諾微Dophi N3000陡脈沖治療系統(tǒng)

由賽諾微研發(fā)的DophiTMN3000陡脈沖治療系統(tǒng)采用微秒級脈沖，其優(yōu)勢在于具有實時組織溫度監(jiān)測模塊，能夠更好地保護神經(jīng)和血管；內(nèi)置了高精度脈沖同步模塊，可以實時檢測和顯示電壓/電流/阻抗/R波，以進行互操作調(diào)整。并且擁有基于臨床和AI算法的術(shù)前計劃系統(tǒng)；智能數(shù)據(jù)G管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)程序性地報告導出，能更輕松地應用于臨床；帶有觸摸屏的可視化GUI設(shè)計，可簡潔高效地進行操作。探針的外直徑為19 G，1.1 mm，系統(tǒng)擁有多種組合探針（見圖4）可適用于各種腫瘤病癥。

圖4 多種探針組合（外直徑為19 G 1.1 mm）Fig.4 Various probe combinations(Outer diameter is 19 G 1.1 mm)

3.3 鷹泰利安康陡脈沖治療儀

天津市鷹泰利安康醫(yī)療科技專業(yè)從事陡脈沖治療儀設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和技術(shù)推廣。該儀器采用微秒級脈沖，已有過數(shù)十例臨床治療案例，效果顯著。他的消融電極獲得國家實用新型發(fā)明專利授權(quán)，19 G的針體設(shè)計，創(chuàng)傷更小，患者恢復更快。具有消融時間短、不受熱池效應影響、治療徹底，治療邊界清晰、效果過程可實時監(jiān)控、可適應更多復雜的病情等優(yōu)點。具有可移動超薄絕緣套管，實現(xiàn)徑向消融區(qū)域自由調(diào)節(jié)。15 cm和25 cm兩種長度探針設(shè)計，滿足所有穿刺要求。獨有的顯影設(shè)計，可在CT、超聲下清晰顯影。獨有的核磁系列，可在核磁引導下穿刺顯影。

3.4 上海睿刀復合陡脈沖治療設(shè)備

重慶大學姚陳果課題組對高壓超短脈沖電場不可逆電穿孔治療腫瘤技術(shù)及推進臨床研究有深入的研究，其脈沖治療樣機已經(jīng)成功通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局上海醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的注冊檢驗。由上海睿刀醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的復合陡脈沖治療設(shè)備，其原理在于在微秒級高壓窄脈沖能在細胞膜上產(chǎn)生高密度、寬范圍的電穿孔區(qū)域，采用低壓寬脈沖能夠維持并擴大電穿孔的尺寸，從而增強了不可逆電穿孔消融腫瘤的效果。設(shè)備主要由主機和一次性消融電極針兩大核心部件組成，電脈沖通過電極針對實體腫瘤部位施加高強度、微秒級脈寬、正負雙極性的復合脈沖，使腫瘤細胞發(fā)生不可逆電穿孔而凋亡，從而達到消融腫瘤的目的。手動急停開關(guān)動作時，高壓安全控制程序自動快速切斷高壓電源回路、釋放儲能電容剩余能量，確保患者治療安全。腳踏開關(guān)采用光纖隔離回路控制脈沖輸出，杜絕高壓脈沖串擾，確保操作者安全。六路脈沖輸出端口，可任意指定其自動組合15組正負雙極性復合脈沖串輸出。而其一次性電極針因其外側(cè)有特殊絕緣涂層，可進一步緩解由于電場輻射分布引發(fā)的肌肉收縮。

3.5 IGEA的Cliniporator?電穿孔治療系統(tǒng)

由英國IGEA生產(chǎn)的Cliniporator?電穿孔治療系統(tǒng)已經(jīng)獲得了CE認證。采用專門設(shè)計的微秒級電極用于皮膚、黏膜和皮下組織的損傷，深度達4 cm，可確保癌組織的電穿孔均勻，并確保整個目標區(qū)域的治療效果。在電穿孔過程中，Cliniporator?測量電壓和電流的供給，并實時顯示臨界處理信息，從而允許醫(yī)生以驗證電穿孔功效。

該產(chǎn)品最大的優(yōu)勢在于自帶多種電極以處理不同位置的腫瘤。①可調(diào)六邊形針電極（見圖5）和可調(diào)線性針狀電極用于治療深達3厘米的皮膚和皮下病變。穿刺深度可根據(jù)需要進行更改，并在操作結(jié)束時安全縮回。可調(diào)電極可避免針頭會聚，并確保在皮膚穿透過程中更好地控制。②手指電極（見圖6）用于治療解剖型腔中的小病變（深達1 cm）。③平板電極（見圖7）用于治療皮膚外生性病變。電場在兩個板之間均勻分布。④單個針狀電極用于治療骨骼或內(nèi)臟病變。在CT掃描或超聲引導下，電脈沖通過位于骨或內(nèi)臟病變周圍或內(nèi)部的各個針狀電極傳遞。最近的科學研究證實Cliniporator?可安全處理局部晚期胰腺腫瘤，并參與肝轉(zhuǎn)移的治療。Cliniporator?解決了電脈沖消融中使用心臟同步系統(tǒng)導致的心臟的絕對不應期的問題，有效地完成了內(nèi)臟腫瘤的安全治療。

圖5 可調(diào)線性針狀電極Fig.5 Adjustable linear needle electrodes

圖6 手指電極Fig.6 Finger electrodes

圖7 平板電極Fig.7 Plate electrodes

目前，不可逆電穿孔技術(shù)已應用于多種腫瘤的臨床治療，主要包括胰腺癌[7-11]、肝癌[12-24]、前列腺癌[25-28]、淋巴癌[29]。隨著不可逆電穿孔醫(yī)療設(shè)備的不斷進步，該技術(shù)的優(yōu)勢會得到進一步發(fā)揮，未來將應用在更多腫瘤疾病的治療上。

4 研究用不可逆電穿孔設(shè)備

目前被廣泛應用于科學研究中的不可逆電穿孔設(shè)備主要為美國BTX電穿孔儀和美國Bio-Rad電穿孔儀。此兩種電穿孔設(shè)備均可用于原核細胞和真核細胞的電穿孔、電融合、轉(zhuǎn)染、轉(zhuǎn)化等研究。BTX電穿孔設(shè)備具有兩種電壓模式：低壓工作模式下，電壓范圍為5 V到500 V，脈寬為10 μs到999 μs（精度為1 μs）；高壓工作模式下，電壓范圍為20 V到3 000 V，脈寬為1 ms到999 ms（精度為1 ms）。Bio-Rad電穿孔設(shè)備的電壓范圍為200～3 000 V，脈寬為1～4 ms。當電壓上升至1 000 V以上時，會對細胞造成不可逆電穿孔效應。

目前，應用不可逆電穿孔設(shè)備的研究已涵蓋許多方向，具體可分為：高壓脈沖電場對細胞殺傷的特征-劑量-效應關(guān)系研究，不可逆電穿孔消融腫瘤的死亡機制研究，不可逆電穿孔對細胞膜通透性影響的研究等。對于IRE易于作用的組織進行了細胞實驗和動物實驗。對較典型研究做歸納總結(jié)，如表1所示。

表1 高壓脈沖電場研究現(xiàn)狀Tab.1 The current situation of high-voltage pulsed electric field research

5 IRE治療腫瘤的發(fā)展方向

綜上所述，筆者認為，圍繞IRE腫瘤消融術(shù)我們應該從以下幾個方面著手：①我們應該著重研究可適用于IRE的不同腫瘤的模型建立，以此為基礎(chǔ)指導電極的設(shè)計生產(chǎn)。②不同患者病情各不相同，如何確定最優(yōu)參數(shù)和電極排布方式。③對IRE過程中一些生理現(xiàn)象進行探究，闡述其中的規(guī)律，為IRE的醫(yī)療器械生產(chǎn)提供理論依據(jù)。④不斷探索優(yōu)化出新型IRE醫(yī)療器械，制造出集成化程度高、安全、精確、適應范圍廣的低價格IRE治療設(shè)備。⑤考慮到腫瘤細胞的綜合性，以及電脈沖目前尚難全部殺死腫瘤細胞，可以嘗試結(jié)合別的治療方法進行復合治療，以求最佳的治療效果。