不可逆電穿孔在腫瘤消融中的應(yīng)用進(jìn)展

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(陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科,重慶 400038)

近年來，隨著各種消融技術(shù)的發(fā)展，腫瘤的治療已經(jīng)從傳統(tǒng)的外科手術(shù)過渡到微創(chuàng)治療，特別是近些年來出現(xiàn)的不可逆電穿孔技術(shù)，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、住院周期短等特點(diǎn)，尤其避免了熱消融易遇到的“熱沉效應(yīng)”，使得包繞大血管等重要組織的腫瘤不再是消融禁區(qū)，非熱消融腫瘤技術(shù)——不可逆電穿孔(irreversible electroporation，IRE)已經(jīng)成功在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其有效性和安全性。在一系列研究工作后，美國AngioDynamic公司推出了首臺不可逆電穿孔治療儀(又稱納米刀)，2009年進(jìn)入臨床，2011年10月美國FDA批準(zhǔn)IRE用于臨床后，已成功應(yīng)用于肝、胰腺、前列腺、腎等部位的實(shí)體腫瘤治療，而中國國家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)也于2015年6月批準(zhǔn)IRE用于肝和胰腺腫瘤的消融，越來越多的研究顯示了IRE在腫瘤治療中的療效[1- 4]。本文通過介紹IRE裝置及其主要工作原理，然后從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床前期研究對其其安全性和有效性的分析，將IRE與當(dāng)前消融技術(shù)進(jìn)行了比較，總結(jié)其自身技術(shù)的局限性以及存在的問題，以期為不可逆電穿孔改進(jìn)的方向以及未來的發(fā)展趨勢提供相關(guān)參考。

1 IRE裝置及應(yīng)用

IRE又稱為納米刀，是一種新的腫瘤消融技術(shù)，該技術(shù)是通過利用超短的高壓直流電(1 500～3 000 V)產(chǎn)生微秒級的電脈沖，作用在細(xì)胞膜磷脂雙分子層上，導(dǎo)致細(xì)胞膜形成多個(gè)納米級的不可逆孔道，破壞細(xì)胞內(nèi)外平衡，從而促使細(xì)胞凋亡。該技術(shù)的優(yōu)勢就是可以對毗鄰重要組織，如神經(jīng)、血管、膽管等有保留作用，當(dāng)前臨床上使用的IRE裝置是美國AngioDynamics公司生產(chǎn)的。裝置主要由高能直流發(fā)生器、腳踏開關(guān)、心電同步儀、電極針組成[5]。電壓為50～1 000 V時(shí)對細(xì)胞膜產(chǎn)生可逆性電穿孔，通常于180 min后閉合。高能直流發(fā)生器可產(chǎn)生1 500～3 000 V的直流(25～40 A)高壓電脈沖,使消融組織內(nèi)細(xì)胞的細(xì)胞膜上產(chǎn)生多個(gè)納米級微孔，不可逆轉(zhuǎn)地破壞細(xì)胞內(nèi)外平衡，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并最終死亡，同時(shí)激活機(jī)體免疫反應(yīng)，發(fā)揮控制腫瘤的作用[6-8]。心電同步監(jiān)護(hù)儀主要用于消融術(shù)中對患者生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測。電極針有單極和雙極，針的規(guī)格長度有15 cm和25 cm。消融時(shí)至少需要多根探針(1根主針及1根以上副針)進(jìn)行工作，最多可連接6根探針。IRE消融方法主要有腔鏡下消融、外科手術(shù)直視下消融和圖像引導(dǎo)下消融。圖像引導(dǎo)下消融可以有CT、超聲、MRI引導(dǎo)，也可以同時(shí)聯(lián)合兩種以上設(shè)備進(jìn)行。IRE消融需要根據(jù)腫瘤的部位、大小、體積和軟組織的導(dǎo)電性選擇參數(shù)，消融范圍應(yīng)包括整個(gè)腫瘤及其邊緣1 cm，消融面積的主要影響因素有電極暴露長度、電極間的距離和電場強(qiáng)度,當(dāng)脈沖長度越長，造成細(xì)胞膜不可逆電穿孔的機(jī)會就越大，同時(shí)會產(chǎn)生部分熱效應(yīng)，消融區(qū)就會出現(xiàn)局部熱損傷[6]。因此，消融前制定好術(shù)前計(jì)劃至關(guān)重要，利用軟件對消融靶區(qū)勾畫并三維重建，選擇布針方式、脈沖長度、個(gè)數(shù)、電壓等參數(shù)，從而使得消融區(qū)與靶體積最佳匹配，將消融并發(fā)癥降到最低[6]。

2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

IRE作為一種新興腫瘤消融方法，已在各種動(dòng)物模型研究中證實(shí)了安全性和有效性，前期實(shí)驗(yàn)在豬、兔、鼠等動(dòng)物的肝、胰腺、前列腺、腎以及四肢等部位進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)，收集了大量數(shù)據(jù)，證明了不可逆電穿孔的安全性和有效性[9-12]。

IRE消融小型豬肝，電極針放置在門靜脈、肝動(dòng)脈、膽囊附近時(shí)，動(dòng)物均存活，消融區(qū)的血管、膽管以及鄰近組織均被保留，術(shù)中術(shù)后未發(fā)生心律失常、出血、膽汁漏等并發(fā)癥，術(shù)后短時(shí)間內(nèi)肝功能會出現(xiàn)短暫損害和炎癥表現(xiàn)，隨后逐漸恢復(fù)正常[13-15]。IRE消融肝的優(yōu)點(diǎn)在于：具有組織選擇性，保留重要組織，毗鄰膽管、血管等附近的肝腫瘤可以被精確消融而不損傷血管和膽管，甚至消融區(qū)內(nèi)有血管，也不會導(dǎo)致血管畸形或破裂，也無“熱沉效應(yīng)”，消融徹底。血管 IRE消融大血管附近組織時(shí)[16]，不會出現(xiàn)血栓、動(dòng)脈瘤、動(dòng)脈破裂等嚴(yán)重并發(fā)癥，血管形態(tài)無明顯改變，雖會導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞數(shù)目短時(shí)間內(nèi)變少，管徑變薄，但血管彈力纖維仍舊存在，可保持血管腔的基本形態(tài)不變，因此，不會影響血管所供應(yīng)的組織和器官功能。但部分實(shí)驗(yàn)表明，消融區(qū)會有炎癥反應(yīng)和小血管受影響，損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致部分血管出現(xiàn)狹窄及組織纖維化[17]。

IRE直接消融坐骨神經(jīng)可導(dǎo)致軸索腫脹、破碎和遠(yuǎn)端軸索變性，造成肌肉弛緩性癱瘓，但神經(jīng)內(nèi)膜和束膜結(jié)構(gòu)得以保存，坐骨神經(jīng)連續(xù)性存在，髓鞘結(jié)構(gòu)可以重建，神經(jīng)纖維再生，功能也能恢復(fù)。李偉通過對鼠的坐骨神經(jīng)行IRE消融，消融后所有小鼠都存活，但出現(xiàn)弛緩性癱瘓，7～10周后功能恢復(fù)正常。因此腫瘤包繞神經(jīng)不是IRE消融的禁忌證，但應(yīng)進(jìn)行消融后神經(jīng)功能的恢復(fù)與鍛煉。Luo等[18]通過對新西蘭白兔坐骨神經(jīng)行IRE消融，結(jié)果也證明消融后導(dǎo)致神經(jīng)損傷，但其結(jié)構(gòu)和功能短時(shí)間內(nèi)會恢復(fù)正常。

2013年Wimmer等[19]利用IRE消融6頭豬胰腺，術(shù)后小豬均存活至指定時(shí)間，病理學(xué)檢查可見消融區(qū)域無血管異常，消融后1 d出現(xiàn)壞死、水腫，消融后14 d可見局部纖維化，所有豬未出現(xiàn)淀粉酶和脂肪酶明顯升高情況。動(dòng)物前列腺的實(shí)驗(yàn)研究最早在2007年進(jìn)行，Onik等[12]借助獵犬首次開展了IRE消融前列腺的研究，結(jié)果消融后6條犬全部存活，病理檢查可見消融區(qū)尿道結(jié)構(gòu)完整，其內(nèi)神經(jīng)、血管腔保持正常。動(dòng)物的腎消融研究早在2011年就報(bào)道過，Deodhar等[20]對豬的腎消融，整個(gè)消融區(qū)未見溫度相關(guān)性損傷，對腎皮質(zhì)可造成完全壞死而對周圍正常細(xì)胞影響較小。綜上所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，IRE在全身各部實(shí)體腫瘤中安全有效，且具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 臨床應(yīng)用

IRE首次應(yīng)用于臨床治療前列腺癌，隨后也在肝、胰腺、腎等部位的腫瘤治療中得到廣泛臨床應(yīng)用，這里主要介紹IRE在肝、胰腺實(shí)體腫瘤中的應(yīng)用。

肝癌是我國死亡率第二的惡性腫瘤，僅次于肺癌(城市)或胃癌(農(nóng)村)，如不治療，其五年生存率不足1%,一般肝癌患者發(fā)現(xiàn)時(shí)已是晚期，僅有20%～30%的患者有手術(shù)切除指征，而化療對其生存率無明顯提高。臨床上已證實(shí)IRE消融肝惡性腫瘤安全有效，可保留毗鄰的組織，無血管損傷，也不損傷膽管。2013年Silk等[21]通過對腫瘤距離肝內(nèi)膽管小于1 cm的11例肝腫瘤患者行IRE治療，評估膽管相關(guān)的并發(fā)癥，比較IRE前后的上腹部CT影像，監(jiān)測手術(shù)前后的血清膽紅素和堿性磷酸酶，發(fā)現(xiàn)這2個(gè)指標(biāo)術(shù)后有短暫的升高，而后恢復(fù)正常，行IRE治療的11例患者的22個(gè)病灶，僅1例需要膽管支架，其余均未發(fā)現(xiàn)膽管損傷。IRE消融肝惡性腫瘤的主要并發(fā)癥有肝膿腫、心肌梗死、氣胸、心律失常和血胸等，消融中出現(xiàn)的并發(fā)癥都可控和可預(yù)測。Niessen等[3]回顧性分析71例既不可切除又不能熱消融的肝癌患者行IRE治療后的生存時(shí)間，其總體中位生存時(shí)間是26.3個(gè)月，無治療相關(guān)死亡。Cannon等一項(xiàng)針對44例肝腫瘤患者行IRE消融的前瞻性多中心研究也證實(shí)了IRE消融肝腫瘤安全、有效，無治療相關(guān)的死亡，出現(xiàn)的并發(fā)癥主要為神經(jīng)性膀胱、腹痛、側(cè)腹痛，且均在1個(gè)月內(nèi)得到了有效控制。

胰腺癌生長時(shí)多包繞血管、神經(jīng)以及胰管等重要組織，由于其生長速度快，起病隱匿，一般發(fā)現(xiàn)時(shí)已是晚期，80%的患者都已失去了手術(shù)機(jī)會，尤其是胰頭部，其解剖位置較深，毗鄰腸系膜上動(dòng)脈、十二指腸、膽總管及腹腔干等重要結(jié)構(gòu)，且周圍神經(jīng)組織豐富，利用射頻、微波及冷凍等消融技術(shù)會導(dǎo)致相關(guān)血管組織損傷，易造成出血、胰漏等嚴(yán)重并發(fā)癥[22-25]，且由于熱沉效應(yīng)致消融不徹底，腫瘤易復(fù)發(fā),胰腺癌放化療效果很差，因此IRE消融已在胰腺癌消融方面有很大的優(yōu)勢，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用IRE治療局部晚期胰腺腫瘤(local advanced pancreatic carcinoma,LAPC)。Martin等[26]通過對54例晚期胰腺癌患者行IRE消融，對比常規(guī)放化療，IRE消融能夠有效提高患者生存率。張肖等[27]對5例中晚期胰腺癌患者行IRE消融，取得了較好療效。Martin等[28]對200例LAPC研究發(fā)現(xiàn)，IRE聯(lián)合放化療可提高患者的生存率，中位生存期高達(dá)24.9個(gè)月。劉少朋等[29]對18例LAPC行IRE消融，術(shù)后CA19-9水平逐漸降低，疾病控制率為83%，患者術(shù)后生活質(zhì)量評分及疼痛評分較術(shù)前明顯改善。IRE消融胰腺癌的并發(fā)癥主要有低血壓、高血壓、短暫性室性心律失常、急性胰腺炎、胃排空障礙、深靜脈血栓、上消化道出血等，最終都得以控制[1，25]。

4 與其他消融方法比較

IRE是一種非熱消融方法，只需要很少的能量輸入就可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，IRE消融用時(shí)更短、更高效，相比其他物理消融，IRE可以有效保留周圍組織結(jié)構(gòu)，不損傷血管、膽管、輸尿管等組織結(jié)構(gòu)，且不受熱沉效應(yīng)影響，消融更徹底，消融邊界更清晰，由于IRE是誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，在1個(gè)月內(nèi)就會出現(xiàn)很明顯的病灶縮小，同時(shí)會激活人體內(nèi)免疫系統(tǒng)，有助于機(jī)體對腫瘤的控制，因此，IRE在治療腫瘤方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

除了IRE，腫瘤消融技術(shù)還有射頻、微波和冷凍消融等，每一種技術(shù)都能在局部麻醉下進(jìn)行，適應(yīng)證廣，在臨床應(yīng)用中有各自的優(yōu)勢和劣勢[30-32]。射頻消融是一種常用的腫瘤熱消融技術(shù)，利用高頻電流(大于10 kHz)使活體中組織離子隨電流變化的方向振動(dòng)，從而使電極周圍的組織相互摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致組織凝固性壞死，消融時(shí)針尖局部溫度可達(dá)60～80 ℃，一般消融范圍以3 cm內(nèi)為最佳。微波消融也是一種熱消融技術(shù)，它在微波能量光譜中利用電磁波對組織產(chǎn)生熱效應(yīng)，產(chǎn)生的熱能強(qiáng)于射頻消融，消融時(shí)針尖周圍溫度可高達(dá)120 ℃，因此消融范圍更廣，可達(dá)7～8 cm。射頻消融和微波消融都是被廣泛使用的消融技術(shù)，但是因血流因素會出現(xiàn)熱沉效應(yīng)，使得消融血管附近的腫瘤時(shí)熱量很難控制。而冷凍消融則是利用氣體節(jié)流效應(yīng)，即高壓氣體流經(jīng)小孔后，在膨脹空間內(nèi)產(chǎn)生急劇膨脹，吸收周圍的熱量，使其周圍溫度發(fā)生顯著降低，通過冷凍及復(fù)溫對腫瘤組織、細(xì)胞進(jìn)行物理性殺滅。當(dāng)腫瘤靠近大血管時(shí)，循環(huán)血會升高冷凍探針周圍溫度從而降低治療效果，并且冷凍消融可引起消融邊緣區(qū)的鄰近結(jié)構(gòu)組織損傷，導(dǎo)致消融不徹底，甚至無法實(shí)施冷凍消融。以射頻消融為代表的溫度消融會導(dǎo)致消融區(qū)的壞死和纖維化，病灶縮小所需時(shí)間更長。IRE由于自身特性，其適應(yīng)證有限。因IRE發(fā)射高壓電脈沖會導(dǎo)致心律失常和肌肉震顫，所以IRE消融時(shí)需要心電監(jiān)護(hù)和全身麻醉氣管插管，患者有心律失常或近期有心梗等情況則成為絕對禁忌。體內(nèi)金屬異物如安裝的心臟起搏器或膽道支架等的存在也是IRE消融的絕對禁忌證，消融區(qū)金屬支架的存在會導(dǎo)致消融區(qū)電場重新分布，使消融區(qū)出現(xiàn)異常高溫導(dǎo)致出血甚至死亡。M?nsson等[33]報(bào)道了1例IRE消融時(shí)因膽道支架導(dǎo)致死亡的嚴(yán)重并發(fā)癥。IRE消融范圍有限，治療范圍一般為5 cm內(nèi)的腫瘤，且以3 cm左右消融效果最佳[34]。

5 應(yīng)用前景與展望

目前，微創(chuàng)消融作為一種腫瘤局部治療的方法，在臨床中應(yīng)用越來越廣泛，但對于毗鄰大血管、膽管、輸尿管等重要組織結(jié)構(gòu)的腫瘤，常規(guī)的溫度消融則是禁區(qū)，消融風(fēng)險(xiǎn)大，且由于熱沉效應(yīng)導(dǎo)致消融不完全，療效欠佳，腫瘤易復(fù)發(fā)。而IRE因不損傷血管、膽管、輸尿管等組織結(jié)構(gòu)，不受熱沉效應(yīng)影響的特點(diǎn)，在復(fù)雜部位腫瘤消融的應(yīng)用前景很廣泛。然而，由于IRE消融機(jī)制并未完全研究透徹，臨床中也存在一些問題。盡管IRE被認(rèn)為是非熱消融，但在很多研究中觀察到了熱效應(yīng)，如消融區(qū)的氣泡、消融針周邊溫度升高，病理切片染色中觀察到細(xì)胞凋亡和壞死并存等現(xiàn)象，表明IRE消融存在著少量的熱效應(yīng)[35]，而消融時(shí)出現(xiàn)的熱效應(yīng)會產(chǎn)生和射頻、微波類似的熱損傷。這些熱效應(yīng)與消融參數(shù)關(guān)系尚未完全明確，消融電壓、電極針長度、電極間距、脈沖數(shù)、脈沖長度、單個(gè)脈沖時(shí)長等消融參數(shù)如何設(shè)置使得消融效果最優(yōu)化是今后研究的方向。在當(dāng)前術(shù)前計(jì)劃中，未考慮到不同組織異質(zhì)性，導(dǎo)致同樣參數(shù)條件下不同組織的消融范圍不一樣，如何根據(jù)不同組織和個(gè)體制定個(gè)性化術(shù)前計(jì)劃方案也是待解決的問題。另外，手術(shù)需要在全麻下使用肌松劑并在心電監(jiān)護(hù)中進(jìn)行，消融時(shí)的心率失常、肌肉收縮等問題導(dǎo)致其臨床應(yīng)用受限。研究表明，提高脈沖重復(fù)頻率可緩解肌肉收縮，使用高頻復(fù)合脈沖會大大降低術(shù)中肌肉收縮程度[36]?，F(xiàn)已有復(fù)合脈沖在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到了初步驗(yàn)證，我國重慶大學(xué)自主研發(fā)的復(fù)合脈沖治療儀已申請國家專利，正在積極進(jìn)行臨床前期研究，這種復(fù)合脈沖通過交替產(chǎn)生正負(fù)電脈沖同時(shí)提高脈沖重復(fù)頻率，能夠有效地緩解治療過程中的肌肉收縮問題，并且有望實(shí)現(xiàn)各向異性組織內(nèi)部的電場均勻分布，屆時(shí)，這種復(fù)合脈沖消融也能在局麻下進(jìn)行，將會大大增加消融適應(yīng)證[37]。在以后的研究中，針對如何擴(kuò)大適應(yīng)證、減少并發(fā)癥、提高消融有效性等方面將會是未來很長一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。