不可逆电穿孔肿瘤消融器械发展现状

【作 者】何天帅 ，谭焜，孙倩倩，张芷芮，陈雪 ，吕毅，吴荣谦

1 西安交通大学第一附属医院 精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，西安市，710061

2 西安交通大学第一附属医院 陕西省再生医学与外科工程研究中心，西安市，710061

3 西安交通大学 医学部，西安市，710061

0 引言

肿瘤消融是肿瘤治疗的研究热点，当前主要分为热消融和非热消融两种模式。基于高压脉冲电场（pulsed electric fields,PEF）生物效应理论的高压超短脉冲电场，也称为不可逆电穿孔（irreversible electroporation,IRE）是近年来新兴的一种非热能肿瘤消融技术。

肿瘤消融治疗（tumor ablation）是一类利用外部能量直接作用于目标肿瘤组织进而引起细胞急性坏死和组织不可逆性损伤的技术。消融治疗是外科难以切除和放化疗治疗失败病例的重要选择，也是部分小体积肿瘤潜在的一线治疗手段。消融治疗主要包括冷消融（cryoablation）和热消融（thermal ablation）两类。近年来，生物电磁学的脉冲电场肿瘤消融技术受到广泛关注。基于高压脉冲电场生物效应理论的高压超短脉冲电场是近年来新兴的一种非热能肿瘤消融技术[1]。

1 不可逆电穿孔消融肿瘤的机制

当对细胞施加外加电场时，细胞膜上会产生可以输送分子的暂时性纳米孔通道，当外加电场停止时，通道关闭，细胞继续存活[2]。但当外加电场强度达到一定阈值后，细胞内物质外流过度或细胞膜关闭缓慢，对细胞造成不可逆的伤害，细胞因此进入程序性死亡或坏死，这一现象被称为细胞的不可逆电穿孔（IRE）。这与其他消融系统透过热能或是辐射造成的细胞坏死有着明显的不同[1,3]。

IRE技术根据其单个脉冲时间可分为微秒级IRE和纳秒级IRE。关于微秒级IRE治疗肿瘤引起细胞死亡的分子机制，最初学者们普遍认为是细胞膜在外界电场作用下达到跨膜电位被击穿，胞外的水分子、离子及其他分子物质可自由进入细胞导致其崩解、坏死，即可对组织细胞产生一种即刻、瞬时的破坏效应。随着关于IRE技术肿瘤消融相关研究的深入，学者们进一步研究发现，利用微秒级高压脉冲电场在击穿细胞膜的同时，也存在凋亡迹象[4]。LEE[5]在利用脉宽100 μs的脉冲电场消融活体猪肝脏组织时，通过免疫组织化学法检测促凋亡基因蛋白Bax的表达，TUNEL染色检测原位细胞凋亡，结果发现电场消融作用后细胞凋亡现象的存在，由此证实微秒脉冲不仅可以诱导细胞可逆与非可逆电穿孔效应，也可诱导细胞的凋亡效应。纳秒级IRE用于肿瘤消融治疗的研究晚于微秒级IRE，其在治疗肿瘤过程中的细胞死亡机理还未有定论。有研究利用纳秒级高压脉冲电场作用于肝细胞，研究结果显示，经纳秒级IRE作用后肝细胞未显示出凋亡现象，而具有焦亡和程序性坏死现象[6]。ROSSI等[6]利用纳秒级高压脉冲电场对B16黑色素瘤的细胞死亡机制进行研究，研究结果显示，纳秒级高压脉冲电场非凋亡和免疫原性细胞死亡，而是坏死。这些研究表明，纳秒级IRE治疗肿瘤根据高压脉冲电场的参数不同及针对肿瘤细胞或组织的不同而显示出不同。

2 不可逆电穿孔消融的优势和应用范围

不可逆电穿孔消融具有以下优势：①在治疗过程中不产生热损伤，克服了传统热消融中热沉的缺点；②作用于细胞膜磷脂双分子层结构或细胞器膜，不借助热能杀伤细胞，有效保护血管、胆管及神经等结构；③不使用化疗药物，只在局部治疗，副作用小，可克服肿瘤药物抵抗；④治疗时间短；⑤肿瘤的复发率低于手术切除和热消融。当前，IRE 已在肝癌、胰腺癌和前列腺癌等实体肿瘤的治疗中表现出良好效果。IRE理论的出现为恶性肿瘤的治疗提出了一种新的思路，特别是其针对性地作用于细胞膜磷脂双分子层结构的特点，不借助热能杀伤细胞，可以有效保护血管、胆管及神经等结构。这种优势对于邻近血管、胆腔等结构复杂的消化道肿瘤具有重要应用价值，目前对于黑色素瘤、肝癌等具有有效的临床效果。此外，经IRE消融治疗后的病灶组织与正常组织间界限清晰，损伤范围可以有效控制，治疗后可以较快恢复。

目前，基于不可逆电穿孔技术的设备已应用于临床和科研领域。我们将从临床和研究两个方面介绍一些成熟的不可逆电穿孔设备。

3 临床用不可逆电穿孔设备

3.1 Nanoknife

由美国Angiodynamics公司生产的Nanoknife是最早在临床使用的不可逆电穿孔设备，于2012获得美国FDA和欧盟许可，目前已经推出到第三代。Nanoknife 3.0设备采用微秒级脉冲，具有以下优势：①不损伤细胞骨架。纳米刀系统不依靠热量实现细胞死亡。相反，它诱导更自然细胞死亡的方法，而反过来，只销毁目标组织和保留关键结构，包括脉管、神经和血管。②无热效应。IRE消融的区域并没有变形或减少血管接近。③增强的用户体验 具有直观的软件界面，系统设定了五种不同探针数量的消融模式来针对不同大小和位置的肿瘤（见图2），简化了程序设置并提供实时视觉反馈，允许每次可自定义消融的步骤。在手术过程中，IRE消融区的有效区域是立即可视化的（箭头），如图3所示。

图1 针状电极Fig.1 Needle electrodes

图2 不同电极排布Fig.2 Different electrodes placement

图3 肿瘤消融后消融区域具有明显边界Fig.3 The area of ablation after tumor ablation has obvious boundaries

3.2 赛诺微Dophi N3000陡脉冲治疗系统

由赛诺微研发的DophiTMN3000陡脉冲治疗系统采用微秒级脉冲，其优势在于具有实时组织温度监测模块，能够更好地保护神经和血管；内置了高精度脉冲同步模块，可以实时检测和显示电压/电流/阻抗/R波，以进行互操作调整。并且拥有基于临床和AI算法的术前计划系统；智能数据G管理系统可以实现程序性地报告导出，能更轻松地应用于临床；带有触摸屏的可视化GUI设计，可简洁高效地进行操作。探针的外直径为19 G，1.1 mm，系统拥有多种组合探针（见图4）可适用于各种肿瘤病症。

图4 多种探针组合（外直径为19 G 1.1 mm）Fig.4 Various probe combinations(Outer diameter is 19 G 1.1 mm)

3.3 鹰泰利安康陡脉冲治疗仪

天津市鹰泰利安康医疗科技专业从事陡脉冲治疗仪设备的研发、生产和技术推广。该仪器采用微秒级脉冲，已有过数十例临床治疗案例，效果显著。他的消融电极获得国家实用新型发明专利授权，19 G的针体设计，创伤更小，患者恢复更快。具有消融时间短、不受热池效应影响、治疗彻底，治疗边界清晰、效果过程可实时监控、可适应更多复杂的病情等优点。具有可移动超薄绝缘套管，实现径向消融区域自由调节。15 cm和25 cm两种长度探针设计，满足所有穿刺要求。独有的显影设计，可在CT、超声下清晰显影。独有的核磁系列，可在核磁引导下穿刺显影。

3.4 上海睿刀复合陡脉冲治疗设备

重庆大学姚陈果课题组对高压超短脉冲电场不可逆电穿孔治疗肿瘤技术及推进临床研究有深入的研究，其脉冲治疗样机已经成功通过了国家食品药品监督管理局上海医疗器械质量监督检验中心的注册检验。由上海睿刀医疗科技有限公司生产的复合陡脉冲治疗设备，其原理在于在微秒级高压窄脉冲能在细胞膜上产生高密度、宽范围的电穿孔区域，采用低压宽脉冲能够维持并扩大电穿孔的尺寸，从而增强了不可逆电穿孔消融肿瘤的效果。设备主要由主机和一次性消融电极针两大核心部件组成，电脉冲通过电极针对实体肿瘤部位施加高强度、微秒级脉宽、正负双极性的复合脉冲，使肿瘤细胞发生不可逆电穿孔而凋亡，从而达到消融肿瘤的目的。手动急停开关动作时，高压安全控制程序自动快速切断高压电源回路、释放储能电容剩余能量，确保患者治疗安全。脚踏开关采用光纤隔离回路控制脉冲输出，杜绝高压脉冲串扰，确保操作者安全。六路脉冲输出端口，可任意指定其自动组合15组正负双极性复合脉冲串输出。而其一次性电极针因其外侧有特殊绝缘涂层，可进一步缓解由于电场辐射分布引发的肌肉收缩。

3.5 IGEA的Cliniporator®电穿孔治疗系统

由英国IGEA生产的Cliniporator®电穿孔治疗系统已经获得了CE认证。采用专门设计的微秒级电极用于皮肤、黏膜和皮下组织的损伤，深度达4 cm，可确保癌组织的电穿孔均匀，并确保整个目标区域的治疗效果。在电穿孔过程中，Cliniporator®测量电压和电流的供给，并实时显示临界处理信息，从而允许医生以验证电穿孔功效。

该产品最大的优势在于自带多种电极以处理不同位置的肿瘤。①可调六边形针电极（见图5）和可调线性针状电极用于治疗深达3厘米的皮肤和皮下病变。穿刺深度可根据需要进行更改，并在操作结束时安全缩回。可调电极可避免针头会聚，并确保在皮肤穿透过程中更好地控制。②手指电极（见图6）用于治疗解剖型腔中的小病变（深达1 cm）。③平板电极（见图7）用于治疗皮肤外生性病变。电场在两个板之间均匀分布。④单个针状电极用于治疗骨骼或内脏病变。在CT扫描或超声引导下，电脉冲通过位于骨或内脏病变周围或内部的各个针状电极传递。最近的科学研究证实Cliniporator®可安全处理局部晚期胰腺肿瘤，并参与肝转移的治疗。Cliniporator®解决了电脉冲消融中使用心脏同步系统导致的心脏的绝对不应期的问题，有效地完成了内脏肿瘤的安全治疗。

图5 可调线性针状电极Fig.5 Adjustable linear needle electrodes

图6 手指电极Fig.6 Finger electrodes

图7 平板电极Fig.7 Plate electrodes

目前，不可逆电穿孔技术已应用于多种肿瘤的临床治疗，主要包括胰腺癌[7-11]、肝癌[12-24]、前列腺癌[25-28]、淋巴癌[29]。随着不可逆电穿孔医疗设备的不断进步，该技术的优势会得到进一步发挥，未来将应用在更多肿瘤疾病的治疗上。

4 研究用不可逆电穿孔设备

目前被广泛应用于科学研究中的不可逆电穿孔设备主要为美国BTX电穿孔仪和美国Bio-Rad电穿孔仪。此两种电穿孔设备均可用于原核细胞和真核细胞的电穿孔、电融合、转染、转化等研究。BTX电穿孔设备具有两种电压模式：低压工作模式下，电压范围为5 V到500 V，脉宽为10 μs到999 μs（精度为1 μs）；高压工作模式下，电压范围为20 V到3 000 V，脉宽为1 ms到999 ms（精度为1 ms）。Bio-Rad电穿孔设备的电压范围为200～3 000 V，脉宽为1～4 ms。当电压上升至1 000 V以上时，会对细胞造成不可逆电穿孔效应。

目前，应用不可逆电穿孔设备的研究已涵盖许多方向，具体可分为：高压脉冲电场对细胞杀伤的特征-剂量-效应关系研究，不可逆电穿孔消融肿瘤的死亡机制研究，不可逆电穿孔对细胞膜通透性影响的研究等。对于IRE易于作用的组织进行了细胞实验和动物实验。对较典型研究做归纳总结，如表1所示。

表1 高压脉冲电场研究现状Tab.1 The current situation of high-voltage pulsed electric field research

5 IRE治疗肿瘤的发展方向

综上所述，笔者认为，围绕IRE肿瘤消融术我们应该从以下几个方面着手：①我们应该着重研究可适用于IRE的不同肿瘤的模型建立，以此为基础指导电极的设计生产。②不同患者病情各不相同，如何确定最优参数和电极排布方式。③对IRE过程中一些生理现象进行探究，阐述其中的规律，为IRE的医疗器械生产提供理论依据。④不断探索优化出新型IRE医疗器械，制造出集成化程度高、安全、精确、适应范围广的低价格IRE治疗设备。⑤考虑到肿瘤细胞的综合性，以及电脉冲目前尚难全部杀死肿瘤细胞，可以尝试结合别的治疗方法进行复合治疗，以求最佳的治疗效果。