一種用于堿金屬流體熱療性能評(píng)價(jià)的仿組織透明體模

楊鵬飛，王倩，陳柏?zé)?，盛磊，劉靜,3

1.國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局 醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京100190；3.清華大學(xué) 醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084

一種用于堿金屬流體熱療性能評(píng)價(jià)的仿組織透明體模

楊鵬飛1，王倩2，陳柏?zé)?，盛磊2，劉靜2,3

1.國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局 醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京100190；3.清華大學(xué) 醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084

堿金屬熱療方法具有獨(dú)特性，其基本原理在于借助目標(biāo)組織內(nèi)天然存在的水環(huán)境，通過注射微量堿金屬如鈉、鉀或其合金流體來產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到高效的定向熱消融目的。由于堿金屬熱療結(jié)合了熱消融與化學(xué)消融這兩種消融方法的優(yōu)勢(shì)，如何評(píng)估其消融效果是一個(gè)值得研究的課題。然而，至今為止很難用非標(biāo)準(zhǔn)化的生物組織對(duì)其雙重消融效果進(jìn)行測(cè)試，利用豬肝等生物組織進(jìn)行離體實(shí)驗(yàn)很難得出其中的化學(xué)消融效果。為此，建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的仿組織透明體模顯得非常重要。本文主要研究了一種用于堿金屬流體熱療性能評(píng)價(jià)的仿組織透明體模，主要采用聚丙烯酰胺為凝膠主要成分、作為溫度敏感指示劑的蛋清、作為化學(xué)敏感指示劑的酚酞混合而成。初步實(shí)驗(yàn)表明這種體?？梢暂^為有效的評(píng)估堿金屬消融的熱療和化療效果，為進(jìn)一步研究堿金屬消融放熱量、反應(yīng)生成物的擴(kuò)散特性以及生物組織內(nèi)流體輸運(yùn)的過程，明確影響堿金屬治療過程中的消融劑量因素打下基礎(chǔ)。

仿組織體模；堿金屬熱療；聚丙烯酰胺；熱化學(xué)消融；熱療效果評(píng)估；透明體模；鈉鉀合金

引言

高溫?zé)嵯谡蔀槟[瘤物理治療的重要途徑。但經(jīng)典施熱方式如射頻、微波、激光、超聲等在將能量輸往深部腫瘤時(shí)會(huì)存在一定漏熱和燙傷問題，尚難做到真正的靶向熱療，且不少設(shè)備還因復(fù)雜昂貴，一定程度上限制了普及應(yīng)用。基于對(duì)各類熱療方法的全面對(duì)比和深入剖析，作者所在的實(shí)驗(yàn)室于國(guó)際上提出了一種突破傳統(tǒng)熱療技術(shù)理念的靶向施熱方法：堿金屬熱療法[1-3]，成功研制出了由鈉鉀合金組成的室溫液態(tài)堿金屬流體制劑[3]。特別是，新方法較有價(jià)值的一點(diǎn)還在于[4]，堿金屬熱消融治療過程完成后的反應(yīng)產(chǎn)物，如Na+、K+均是生物體內(nèi)最主要的生理鹽水的典型組成元素，無任何毒性，易于為活體組織所吸收，因而這一療法的實(shí)施具有很高的安全性。

由于進(jìn)入人體的堿金屬量很小，其反應(yīng)產(chǎn)物完全可以被人體組織所吸收，不會(huì)對(duì)人體造成危害；而OH-會(huì)與腫瘤組織中的蛋白質(zhì)反應(yīng)而消耗掉[5]。至于微量堿離子引起的弱堿性環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)其具有獨(dú)特的抑制腫瘤再生的醫(yī)學(xué)價(jià)值，不利于腫瘤細(xì)胞復(fù)發(fā)生長(zhǎng)等[6]。所以，當(dāng)堿金屬完成其熱療作用后，不再對(duì)組織造成持續(xù)性影響，也因此，有學(xué)者直接采用氫氧化鈉溶液進(jìn)行腫瘤治療，只是其熱消融效果偏弱而限制了一定應(yīng)用[7-10]。從這種意義上講，堿金屬具有顯著的熱消融和化學(xué)消融雙重效果，提升了腫瘤熱療的新優(yōu)勢(shì)。利用堿金屬熱療法之前，必須對(duì)治療效果進(jìn)行測(cè)試，即其有效性、安全性、可靠性，其中最為關(guān)鍵的測(cè)試是對(duì)其有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的熱療方法不同，運(yùn)用堿金屬熱療的重大優(yōu)勢(shì)在于其結(jié)合了熱消融與化學(xué)消融。然而，至今為止很難用非標(biāo)準(zhǔn)化的生物組織對(duì)其雙重消融效果進(jìn)行測(cè)試，離體實(shí)驗(yàn)很難得出其中的化學(xué)消融效果。所以，建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的仿組織透明體模就顯得非常重要。

1 材料與方法

1.1 透明體模的制備

堿金屬熱療方法具有獨(dú)創(chuàng)性，其基本原理在于借助目標(biāo)組織內(nèi)天然存在的水環(huán)境，通過注射微量（通常在μL）堿金屬如鈉、鉀或其合金流體來產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到高效的定向熱消融目的。同時(shí)，用作穿刺的醫(yī)用注射微針直徑較細(xì)（～0.5 mm），因而有效避免了因穿刺而對(duì)組織造成的機(jī)械創(chuàng)傷。由于不僅需要評(píng)估堿金屬熱療的熱消融效果，還需要評(píng)估其化學(xué)消融效果，所以體模中必須含有溫度敏感指示劑和化學(xué)敏感指示劑。

結(jié)合之前針對(duì)熱療的體模制備方法[11-12]與高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）體模[13-14]制備方法，新體模主要采用聚丙烯酰胺為凝膠主要成分、作為溫度敏感指示劑的蛋清、作為化學(xué)敏感指示劑的酚酞混合而成。使用的材料包括：聚丙烯酰胺、脫氣水、從新鮮雞蛋中獲取的蛋清、酚酞、過硫酸銨和四甲基二乙胺[15]。制備方案如下：取體積比為30%蛋清，42%脫氣水、26.2%的40%（w/v）聚丙烯酰胺、1%酚酞（將1 g酚酞添加到100 mL水中，指示范圍pH值為8.3～10）充分混合均勻，然后加入0.5%的10%（w/v）過硫酸銨和0.3%的四甲基二乙胺啟動(dòng)聚合，然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到一個(gè)容器之中，在室溫下30 min后溶液自然凝固成仿組織透明體模。由于聚丙烯酰胺單體是一種神經(jīng)毒素，所以在制備過程中一定要注意安全防護(hù)措施[16-17]。

1.2 堿金屬熱消融體模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于豬肝組織非透明，且其化學(xué)消融不可觀察，為了進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，每組采用10個(gè)樣本進(jìn)行分析。第1組采用豬肝組織進(jìn)行堿金屬消融，第2組采用制作的不含酚酞的體模進(jìn)行堿金屬消融，第3組采用含酚酞的體模進(jìn)行堿金屬消融。向這3組體模中分別注入0.1 mL的堿金屬，在注入后約0.5 h穩(wěn)定后，切開豬肝組織并測(cè)量消融大小并記錄。由于體模是透明的，可以直接測(cè)量第2組體模消融區(qū)的大小，通過與豬肝組織的消融區(qū)對(duì)比，用于評(píng)估制作體模熱消融的準(zhǔn)確性。第3組的測(cè)量，由于是化學(xué)消融的測(cè)量，化學(xué)消融較慢，首先將做完實(shí)驗(yàn)的組織放置在常溫下5 h，然后用pH測(cè)試筆測(cè)量豬肝消融組織充血帶附近的pH值，并以豬肝充血帶附近的pH值為準(zhǔn)，通過酚酞的顏色判別消融體積，測(cè)量含酚酞體模的消融體積，通過對(duì)比體?；瘜W(xué)消融的體積，用于評(píng)估體模評(píng)價(jià)化學(xué)消融的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 透明體模的制備

按照上述方法配制好的體模在室溫下是一種透明凝膠玻璃態(tài)聚合物，顏色為淡黃色，體模彈性好，物理形態(tài)類似果凍。剛剛配制的體模效果，見圖1。

圖1 配制的體模效果圖

2.2 堿金屬消融豬肝組織

由切開的截面可知若采用豬肝作為實(shí)驗(yàn)材料，則只能觀察到堿金屬消融的熱消融效果，并不能觀察在堿金屬消融過程中化學(xué)消融的效果。堿金屬熱消融豬肝及其切開截面圖，見圖2。由圖2可知，豬肝組織在堿金屬消融后的橫切面為直徑約為1.2 cm的圓形。

圖2 堿金屬熱療消融豬肝及其切開截面

2.3 豬肝與不含酚酞體模消融后消融體積統(tǒng)計(jì)

采用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的特別針頭的注射器，將堿金屬液體緩慢推入到豬肝及體模中，每次注入的堿金屬為0.1 mL，利用攝像機(jī)紀(jì)錄堿金屬注入體模過程，以觀測(cè)其化學(xué)消融的影響。利用注射器注射堿金屬到豬肝組織和體模組織中的實(shí)物圖，見圖3。

圖3 注射堿金屬到豬肝組織和體模中

在熱消融之后，經(jīng)過處理后體模中剩下的凝固體，體模消融后剩下的凝固組織，見圖4?？梢酝ㄟ^向燒杯中添加水測(cè)量熱消融的體積。通過觀察其縱切面可知在豬肝中采用堿金屬消融獲得的凝固體呈橢球形，可以通過測(cè)量橢球體的半徑，然后通過公式計(jì)算消融體積。由于體模中的熱量傳導(dǎo)較劇烈，獲得的凝固體呈不太規(guī)則的橢球形，可通過向燒杯中注入水的方法測(cè)量獲得熱消融的體積。

圖4 體模消融后熱效果

豬肝組織消融體積與不含酚酞體模的消融體積結(jié)果，見表1。

表1 豬肝組織消融體積與不含酚酞體模的消融體積

2.4 豬肝與含酚酞體模消融后消融體積統(tǒng)計(jì)

為了進(jìn)一步觀察堿金屬消融過程中的化學(xué)消融效果，采用在體模中加入酸堿指示劑酚酞的方法來進(jìn)行測(cè)量，將1 g酚酞添加到約100 mL體模中，指示范圍pH值為8.3～10。按著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案，在注入堿金屬5 h后，將豬肝組織切開并測(cè)量其充血帶的pH值，可知其pH值為8.5左右。這時(shí)候酚酞應(yīng)該呈現(xiàn)淡紫色，在加入酚酞體模的燒杯中觀察消融的體積，并將這部分消融體積取出來觀察，添加酚酞的體模凝固體表觀，見圖5。

圖5 添加酚酞的體模凝固體

堿金屬消融后豬肝的橫切面實(shí)物圖，見圖6。由圖6可知，豬肝組織在堿金屬消融后5 h后的橫切面為直徑約為1.5 cm圓形，且充血帶變黑，是熱消融后化學(xué)消融的進(jìn)一步體現(xiàn)，通過觀察其縱切面可知在豬肝中采用堿金屬消融獲得的凝固體呈橢球形，只是橢球形的體積比之前單熱消融要大一些。

圖6 堿金屬消融后豬肝的橫切面

由于體模中的熱量傳導(dǎo)較劇烈，獲得的凝固體呈不太規(guī)則的橢球形，但體積較熱消融后偏大，應(yīng)與OH-的進(jìn)一步傳導(dǎo)有關(guān)，可利用之前的方法進(jìn)一步測(cè)量其體積。經(jīng)過計(jì)算及測(cè)量獲得體積結(jié)果，見表2。

表2 豬肝組織消融體積與含酚酞體模的消融體積

3 結(jié)論與討論

仿組織體模在腫瘤熱療的基礎(chǔ)研究及臨床試驗(yàn)中均具有重要的意義。當(dāng)前的研究側(cè)重于針對(duì)微波熱療或者射頻熱療的體模，其重點(diǎn)關(guān)注于其導(dǎo)電率和傳熱效果等特征[18]。本文結(jié)合應(yīng)用于HIFU的體模，側(cè)重于體模傳熱性質(zhì)的研究，并首次在體模制備過程中添加酸堿指示劑，使體模適應(yīng)于堿金屬熱療的需要，在熱療過程中同時(shí)獲得熱消融和化學(xué)消融的數(shù)據(jù)。消融過程中由于熱消融蛋清首先變性變得不透明，隨著時(shí)間的增加，由于OH-的擴(kuò)散，損傷面不斷向外拓展，在20 min左右穩(wěn)定，表明堿金屬消融首先是熱損傷，接著是化學(xué)損傷，最后趨于穩(wěn)定。體模對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，單純的熱損傷獲得的消融區(qū)體積要小于在生物組織中的體積，誤差約-15%，在放置5 h后，結(jié)合化學(xué)損傷，體模中的消融體積進(jìn)一步增大，此時(shí)比豬肝組織中的消融體積要大，說明在堿金屬消融后，化學(xué)消融進(jìn)一步加強(qiáng)的消融效果。

堿金屬對(duì)腫瘤細(xì)胞的破壞主要取決于化學(xué)反應(yīng)放熱所產(chǎn)生的熱生物學(xué)及化學(xué)消融作用。作為一種日常生活中需要規(guī)避的化學(xué)品，堿金屬用于治療時(shí)熱量的釋放及OH-的擴(kuò)散均需要予以精確控制，以避免對(duì)腫瘤周圍的正常組織造成損傷。通過建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的仿組織透明體模深入剖析堿金屬消融放熱量、反應(yīng)生成物的擴(kuò)散特性以及生物組織內(nèi)流體輸運(yùn)的過程，可以明確影響堿金屬治療過程中的消融劑量因素，由本文的初步對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，作為一種具有熱療和化療相結(jié)合的新型療法，堿金屬消融體積的判斷不能單純的用熱消融的充血帶來判別，由于化學(xué)消融因素的存在，實(shí)際的消融體積要比熱療過程中的充血帶中間的體積要大，本文表明體積誤差約為17%。

在體模的配置過程中，由于聚丙烯酰胺單體具有中等的神經(jīng)毒性，且在配置后的凝膠中也有部分單體殘留，因此，需要在配制和使用體模過程中嚴(yán)格執(zhí)行防護(hù)操作規(guī)則，避免與眼睛、皮膚和粘膜接觸。在實(shí)驗(yàn)過程中需要佩戴過濾式防毒面具、化學(xué)安全防護(hù)眼睛及橡膠手套，實(shí)驗(yàn)室保持良好的通風(fēng)，在實(shí)驗(yàn)室工作現(xiàn)場(chǎng)禁止吸煙、進(jìn)食及飲水等[19-20]。

[1] Rao W,Liu J,Zhou YX,et al.Anti-tumor effect of sodium-induced thermochemical ablation therapy[J].Int J Hyperthermia, 2008,24(8):675-681.

[2] Rao W,Liu J.Tumor thermal ablation therapy using alkali metals as powerful self-heating seeds[J].Minim Invasive Ther Allied Technol,2008,17(1):43-49.

[3] Rao W,Liu J.Injectable liquid alkali alloy based tumor thermal ablation therapy[J].Minim Invasive Ther Allied Technol,2009, 18(1):30-35.

[4] Guo Z,Zhang Q,Li X,et al.Thermochemical ablation therapy of VX2 tumor using a permeable oil-packed liquid alkali metal[J]. PLoS One,2015,10(4):e0123196.

[5] Deng Z,Liu J.Chemothermal therapy for localized heating and ablation of tumor[J].J Healthc Eng,2013,4(3):409-426.

[6] Mercade PR,Prieto R,Paterson WR,et al.Diffusion of NaOH into a protein gel[J].Chem Eng Sci,2008,63(10):2763.

[7] de Barra-Cusack F.A user-oriented study of metadata in focal. ie[D].Dublin:Dublin City University,2014.

[8] Choi M,Guntur S,Lee K.An optically transparent tissue mimicking phantom for monitoring the thermal lesion produced by high intensity focused ultrasound[J].J Acoust Soc Am,2012,131(4):3364.

[9] Choi M,Paeng D,Coleman A.A Tissue Mimicking Polyacrylamide Hydrogel Phantom for Visualizing Thermal Lesions Generated by High Intensity Focused Ultrasound[J].Ultrasound Med Biol, 2013,39(3):439-448.

[10] Park S,Guntur S,Lee K.Reusable Ultrasonic Tissue Mimicking Hydrogels Containing Nonionic Surface-Active Agents for Visualizing Thermal Lesions[J].IEEE Trans Biomed Eng,2010, 57(1):194-202.

[11] Liu Y,Zhong P.Development of a cell-embedded tissue-mimicking ultrasound phantom[J].J Acoust Soc Am, 2006,119(5): 3213.

[12] Zhang S,Li C,Wan M.Enhanced Lesion-to-Bubble Ratio on Ultrasonic Nakagami Imaging for Monitoring of High-Intensity Focused Ultrasound[J].J Ultrasound Med,2014,33(6):959-970.

[13] Divkovic G,Liebler M,Braun K.Thermal Properties and Changes of Acoustic Parameters in an Egg White Phantom During Heating and Coagulation by High Intensity Focused Ultrasound[J].Ultrasound Med Biol,2007,33(6):981-986.

[14] Kruse D,Lai C,Stephens D.Spatial and Temporal-Controlled Tissue Heating on a Modified Clinical Ultrasound Scanner for Generating Mild Hyperthermia in Tumors[J].IEEE Trans Biomed Eng,2010,57(1):155-166.

[15] Zuo Z,Liu S.Report on research of calculus fragmentation by HIFU-induced cavitation in Tsinghua University: 1. Effects of tissue-mimicking phantom[C].Bristol:IOP Publishing,2012,15(7):072038.

[16] Culjat M,Goldenberg D,Tewari P.A Review of Tissue Substitutes for Ultrasound Imaging[J].Ultrasound Med Biol,2010,36(6): 861-873.

[17] Urban M,Nenadic I,Qiang B.Characterization of material properties of soft solid thin layers with acoustic radiation force and wave propagation[J].J Acoust Soc Am,2015,138(4):2499-2507.

[18] Wang Q,Xie L,He Z,et al.Biodegradable magnesium nano-particle-enhanced laser hyperthermia therapy[J].Int J Nano-medicine,2012,4715-4725.

[19] Bulin Z,Bing H,Shengli K,et al.A polyacrylamide gel phantom for radiofrequency ablation[J].Int J Hyperthermia,2008,24(7):568-576.

[20] Guntur SR,Choi MJ.An improved tissue-mimicking polyacry- lamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions with high-intensity focused ultrasound[J].Ultrasound Med Biol,

2014,40(11):2680-2691.

資 訊

Transparent Tissue-Mimicking Phantom for Evaluating Effect of Alkali Metal Hyperthermia

YANG Peng-fei1, WANG Qian2, CHEN Bo-wei2, SHENG Lei2, LIU Jing2,3
1.Center for Medical Device Evaluation, China Food and Drug Administration, Beijing 100044, China; 2.Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China; 3.Depart ment of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

The method of alkali metal hyperthermia is rather unique in tumor ablation. Its basic principle is to produce a strong exothermic chemical reaction through the injection of trace alkali metals such as sodium, potassium or its alloy fluid by using the natural water environment in the target tissues, so as to achieve the goal of efficient directional thermal ablation. For the reason that the alkali metal ablation combines the advantages of thermal ablation and chemical ablation together, therefore, how to evaluate its ablation effect is a subject worth to be studied. So far, it is difficult to evaluate such double effects of ablation with non-standard biological tissues, for example, the use of liver tissue in vitro is very rare among the chemical ablation effect. Therefore, it is very important to establish a standardized and transparent phantom. This article mainly studied a kind of tissue transparent phantom for evaluating the properties of alkali metal hyperthermia. Such phantom was mainly mixed by polyacrylamide gel composition, egg white as a temperature sensitive indicator and phenolphthalein as the chemical sensitive indicator. The preliminary experimental results showed that this model can be used to evaluate the hyperthermia and chemotherapy effects of alkali metal ablation, and laid a foundation for further studying the heat release amount, diffusion properties of reaction product, the process of the fluid transport in biological tissues, as well as the ablation dose factors that affect the alkali metal treatment process.

tissue-mimicking phantom; alkali metal ablation; polyacrylamide; thermal-chemical ablation; hyperthermia effect evaluation; transparent phantom; sodium potassium alloy

R314；R730.59

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.004

1674-1633(2017)03-0014-04

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC 5137610）；創(chuàng)新品種臨床前研究（Z141100000514005）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2014M550747）。

作者郵箱：shenglei@tsinghua.edu.cn