不可逆電穿孔技術(shù)聯(lián)合導(dǎo)管電極用于組織消融的研究進(jìn)展

周一坤，韓軒，任馮剛，李青山，陳雪，初大可，吳榮謙，呂毅

1 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，西安市，710061

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

3 西安交通大學(xué) 宗濂書(shū)院，西安市，710061

4 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 肝膽外科，西安市，710061

5 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 消化內(nèi)科，西安市，710061

0 引言

不可逆電穿孔（Irreversible Electroporation,IRE）是近年來(lái)新興的一種組織物理消融技術(shù)[1]。IRE基于微秒方波脈沖電場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)原理，通過(guò)對(duì)生物組織施加一定強(qiáng)度的脈沖電場(chǎng)導(dǎo)致細(xì)胞死亡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組織物理消融的目的。盡管IRE導(dǎo)致細(xì)胞死亡的內(nèi)在機(jī)制仍不十分明確，但由于脈沖電場(chǎng)作用導(dǎo)致細(xì)胞膜跨膜電位破壞導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死的過(guò)程已被廣泛接受[2]。由于脈沖電場(chǎng)作用于細(xì)胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，IRE在組織消融過(guò)程中可以不依賴熱量，不會(huì)引起組織不可逆性熱損傷，可以保留細(xì)胞內(nèi)大分子、組織支架和纖維結(jié)構(gòu)等。因此，IRE是一種與射頻消融（Radiofrequency Ablation,RFA）、微波消融、激光消融等傳統(tǒng)物理消融技術(shù)完全不同的組織消融形式[3]。

方波脈沖電場(chǎng)刺激引起的“電穿孔”現(xiàn)象在1950年代就已被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)被描述為一種“膜擊穿”效應(yīng)，可以引起細(xì)胞膜傳導(dǎo)率和通透性的增加[4]。在此之后，強(qiáng)脈沖電場(chǎng)對(duì)于微生物的非熱殺傷作用被發(fā)現(xiàn)，并且廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以來(lái)，電穿孔技術(shù)被應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)電穿孔效應(yīng)使細(xì)胞膜表面出現(xiàn)微孔，進(jìn)而可以使外源性物質(zhì)（如DNA）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在外加電場(chǎng)撤離后細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)可以恢復(fù)，這也被稱作“可逆性電穿孔（Reversible Electroporation,RE）”[5]。在此基礎(chǔ)上，電穿孔技術(shù)聯(lián)合化療藥物也被用作腫瘤治療領(lǐng)域[6]。

2000年以來(lái)，我國(guó)重慶大學(xué)孫才新院士[7]和美國(guó)UC Berkeley大學(xué)Rubinsky教授[1]相繼提出利用基于微秒脈沖電場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤組織物理消融的設(shè)想，并通過(guò)體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其安全性和有效性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)500～750 V/cm時(shí)，脈沖作用一段時(shí)間后細(xì)胞膜電穿孔無(wú)法恢復(fù)，最終引起細(xì)胞死亡[1-2,7]。2009年，AngioDynamics公司研制的首臺(tái)微秒脈沖電場(chǎng)腫瘤治療儀NanoKnife問(wèn)世，2012年獲FDA批準(zhǔn)進(jìn)行臨床應(yīng)用，同年12月獲得歐盟臨床許可，2015年獲得我國(guó)CFDA批準(zhǔn)，我國(guó)自行研發(fā)同類儀器也進(jìn)入臨床研究階段。當(dāng)前，IRE已在局部進(jìn)展的肝癌、胰腺癌和前列腺癌等實(shí)體腫瘤的治療中表現(xiàn)出良好效果。由于IRE非熱能組織消融的特點(diǎn)，在腫瘤消融中具有一些特殊優(yōu)勢(shì)：脈沖作用時(shí)間短，整體治療過(guò)程迅速，對(duì)機(jī)體損傷小，利于術(shù)后康復(fù)；不受熱沉效應(yīng)影響，可以用于大血管周圍腫瘤組織；不損傷組織支架結(jié)構(gòu)，不導(dǎo)致血管、神經(jīng)等的不可逆性損傷；消融后組織可以通過(guò)再生修復(fù)等。因此，IRE可以有效應(yīng)用于當(dāng)前熱消融技術(shù)無(wú)法應(yīng)用的臨床場(chǎng)景中[8]。

長(zhǎng)期以來(lái)，RFA等熱消融技術(shù)主要應(yīng)用于實(shí)質(zhì)器官中，對(duì)于胃腸道、膽管、胰管以及泌尿道等結(jié)構(gòu)無(wú)法適用[4]。最主要的原因是由于熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致管壁的破壞性損傷，進(jìn)而引起管壁穿孔，影響治療的安全性；而降低能量強(qiáng)度則可能會(huì)影響治療的有效性。雖然已有一些基于RFA原理的技術(shù)應(yīng)用于食管、膽道等的組織消融，但由于其熱效應(yīng)的原理，消融能力有限，且易引起感染、穿孔等并發(fā)癥。IRE基于其非熱能組織消融的原理，可以有效保護(hù)組織支架結(jié)構(gòu)不受損傷，而這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于胃腸道等管腔結(jié)構(gòu)組織來(lái)說(shuō)具有重要臨床意義。然而，目前IRE主要采用一組陣列式針狀電極的形式，通過(guò)排布于腫瘤組織周圍構(gòu)成消融區(qū)域?qū)崿F(xiàn)作用，而針狀電極無(wú)法應(yīng)用于管腔結(jié)構(gòu)，因而尚無(wú)IRE應(yīng)用于消化道的臨床研究報(bào)道。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)致力于IRE聯(lián)合導(dǎo)管電極用于消化道和心臟組織消融的研究，相繼開(kāi)展了大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，初步證實(shí)了其可行性、安全性與有效性，為IRE聯(lián)合導(dǎo)管電極的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本研究綜述了IRE聯(lián)合導(dǎo)管電極用于組織消融的研究進(jìn)展，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 電脈沖產(chǎn)生

向生物組織施加符合能量強(qiáng)度要求的電穿孔脈沖是實(shí)現(xiàn)電穿孔的關(guān)鍵。電穿孔脈沖由脈沖電源發(fā)生器生成，也稱電脈沖源。電脈沖源的結(jié)構(gòu)通常包括高壓脈沖電源、脈沖放大器、控制單元、輸出模塊和交互界面等幾個(gè)部分。在充電階段，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累大量電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件（如電容）中。在放電階段，儲(chǔ)存的電能快速釋放至負(fù)載，從而形成電脈沖。有多種元件可以用于放電，包括直接電容放電、脈沖形成線、變壓器、磁能儲(chǔ)存電感器、諧振電路等。根據(jù)輸出脈沖特征的不同，脈沖源可以分為微秒脈沖源、納秒脈沖源、雙極性脈沖源和復(fù)合脈沖源等。電穿孔的結(jié)局與電脈沖參數(shù)和細(xì)胞或組織的生物物理參數(shù)密切相關(guān)，包括脈沖波形、脈沖幅值、持續(xù)時(shí)間和極性。在電穿孔研究中通常有兩種波形：方波脈沖和指數(shù)衰減脈沖。方波脈沖也稱陡脈沖，是IRE最常用的脈沖波形，理想的方波脈沖形狀呈矩形，包括高電平和零電平。單脈沖的生物效應(yīng)是有限的，IRE通常需要將一定數(shù)量的電脈沖按序列輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)消融目的。

2 電極結(jié)構(gòu)與配置

電穿孔脈沖經(jīng)由電極輸送至靶組織，因此電極配置與IRE的消融結(jié)局密切相關(guān)。電極結(jié)構(gòu)主要包括四種：針式、板式、鉗夾式和導(dǎo)管式。電極性質(zhì)包括陽(yáng)極（高電位）和陰極（接地）兩種，電極與生物負(fù)載接觸后構(gòu)成電場(chǎng)回路。針狀電極的治療途徑主要包括開(kāi)腹、經(jīng)腹腔鏡和經(jīng)皮穿刺，這三種治療途徑已經(jīng)在臨床上得到應(yīng)用，主要用于實(shí)體腫瘤消融。導(dǎo)管電極結(jié)合內(nèi)鏡技術(shù)和介入技術(shù)進(jìn)行消化道、泌尿道、呼吸道和心血管組織消融是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究方向。導(dǎo)管電極可與內(nèi)鏡或介入技術(shù)結(jié)合用于管腔組織消融，目前已有多種IRE導(dǎo)管電極用于腔內(nèi)或心肌組織消融。導(dǎo)管電極通常為雙極或陣列式電極結(jié)構(gòu)，可以從管腔內(nèi)對(duì)局部組織上皮進(jìn)行消融，不引起管壁穿孔，不影響管道通暢性，對(duì)于管腔腫瘤消融具有重要意義。導(dǎo)管電極的結(jié)構(gòu)和配置包含以下關(guān)鍵點(diǎn)：①電極結(jié)構(gòu)需符合內(nèi)鏡或介入器械的設(shè)計(jì)理念，滿足內(nèi)鏡或介入操作環(huán)境對(duì)導(dǎo)管直徑和柔韌性的要求。②電極需適合腔內(nèi)腫瘤的解剖特點(diǎn)，消融區(qū)域可以對(duì)腔內(nèi)腫瘤實(shí)現(xiàn)適形覆蓋。③電極配置與其形成的消融電場(chǎng)范圍嚴(yán)密相關(guān)，因此導(dǎo)管電極必須符合IRE電極的設(shè)計(jì)要求，需要包含一個(gè)高壓端、一個(gè)接地端。同時(shí)，二者的相對(duì)位置、電極的間距、尺寸、幾何形狀同樣對(duì)電場(chǎng)形成起重要作用。電極設(shè)計(jì)過(guò)程中，可結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析和數(shù)值模擬等技術(shù)，分析電極形成的電場(chǎng)特點(diǎn)，對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整。④電極材料應(yīng)與應(yīng)用環(huán)境和承載電壓匹配，針對(duì)消化道的導(dǎo)管電極需要抗酸腐蝕，電極整體需具備足夠的耐壓強(qiáng)度。除以上幾點(diǎn)以外，導(dǎo)管電極在釋放電穿孔脈沖的基礎(chǔ)上，還可加裝多種生物傳感器，實(shí)時(shí)反饋消融過(guò)程中的生物物理信息。

3 聯(lián)合內(nèi)鏡技術(shù)用于消化道組織消融

我國(guó)每年新發(fā)消化道惡性腫瘤146萬(wàn)例，死亡人數(shù)108萬(wàn)例，疾病負(fù)擔(dān)嚴(yán)重[9]。從起源上來(lái)說(shuō)，黏膜層來(lái)源的消化道腫瘤較為常見(jiàn)，且惡性度高；黏膜下起源腫瘤以胃腸道間質(zhì)來(lái)源腫瘤為主，預(yù)后較好。目前，消化道腫瘤的治療手段主要包括手術(shù)切除、化學(xué)治療、靶向治療和內(nèi)鏡下治療等。外科手術(shù)切除是早期胃腸道腫瘤根治性治療的主要手段，中晚期消化道腫瘤喪失手術(shù)切除機(jī)會(huì)，多采用化療或靶向治療等方法。內(nèi)鏡下治療主要包括內(nèi)鏡下黏膜切除術(shù)和內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)，利用高頻電刀原位移除腫瘤組織。對(duì)于早期胃癌，有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)鏡下治療可以獲得與手術(shù)切除相當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)期效果。但是內(nèi)鏡下治療難度大，對(duì)于術(shù)者技術(shù)要求高，學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，治療中極易出現(xiàn)穿孔或出血等并發(fā)癥，限制了應(yīng)用。內(nèi)鏡操作管道為多種治療器械微創(chuàng)下置入消化道提供了便捷的通道，例如將RFA設(shè)備經(jīng)內(nèi)鏡應(yīng)用于消化道組織消融，其典型代表有Medtronic研發(fā)的Barrx系統(tǒng)和Boston Scientific研發(fā)的Habib Endo HPB系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)均包含一個(gè)可經(jīng)內(nèi)鏡置入的導(dǎo)管，用于消融食管、胃的異常組織及膽管癌，但這種治療方式消融深度控制差，過(guò)度消融容易導(dǎo)致消化道穿孔、管壁瘢痕形成[10-11]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)合IRE與內(nèi)鏡技術(shù)，設(shè)計(jì)了多種適用于消化道組織消融的導(dǎo)管電極，并且在胃腸、膽道和食管等部位開(kāi)展了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。西安交通大學(xué)呂毅教授設(shè)計(jì)了磁錨定式導(dǎo)管電極用于胃組織消融。磁錨定電極分為內(nèi)磁體和外磁體兩部分，每部分由錨定磁體和消融電極兩部分組成。錨定磁體由釹鐵硼材料制成，電極為醫(yī)用不銹鋼，均為圓盤型。內(nèi)磁體固定于胃管前端，在透視指導(dǎo)下置入胃腔內(nèi)，外磁體在開(kāi)腹條件下借助磁力與內(nèi)磁體錨定吸引。磁錨定電極在消融過(guò)程中可以克服肌肉受電刺激抖動(dòng)所引起的電極脫位，穩(wěn)固錨定電極在胃壁內(nèi)外兩側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)胃組織全層消融，見(jiàn)圖1（a）[12]。

圖1 用于消化道組織消融的導(dǎo)管電極Fig.1 Catheter-based electrode for digestive tract

UESHIMA等[13]通過(guò)改造膽道球囊擴(kuò)張導(dǎo)管，在該導(dǎo)管上加裝了長(zhǎng)度為20 mm的單極電極，皮膚表面固定陰極板作為接地電極，通過(guò)ERCP技術(shù)將電極逆行插入膽總管進(jìn)行膽道組織消融，見(jiàn)圖1（b）。除此之外，SRIMATHVEERAVALLI團(tuán)隊(duì)[14]還設(shè)計(jì)了適用于直腸組織消融的電極，該電極利用注射器改造而成，包含單極和雙極兩種模式。電極經(jīng)肛門置入直腸，可以實(shí)現(xiàn)淺層和深層直腸組織消融，見(jiàn)圖1（c）。NEVEN等[15]設(shè)計(jì)了吸盤式電極用于食管組織消融，電極由一包裹在吸盤中的線性電極組成，在開(kāi)胸手術(shù)下電極的吸盤經(jīng)胸骨上切口吸附于食管外膜，對(duì)食管外壁進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖1（d）。除了消化道外，KODAMA等[16]在肺臟的支氣管中使用網(wǎng)籃狀的導(dǎo)管電極進(jìn)行了研究，電極在X線或CT引導(dǎo)下經(jīng)氣管插管置入主支氣管并進(jìn)行組織消融。

消化道等管腔結(jié)構(gòu)器官各區(qū)域均具有相似的結(jié)構(gòu)特征，包括黏膜層、黏膜下層、固有肌層和漿膜層等結(jié)構(gòu)，其厚度因位置和生理狀態(tài)的不同有所差異。從組織學(xué)上來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的IRE作用后，消化道組織呈現(xiàn)出了相似的組織學(xué)變化：大體可見(jiàn)黏膜表面出現(xiàn)了與周圍正常組織界限清晰的消融區(qū)域；組織學(xué)染色可見(jiàn)消化道管壁出現(xiàn)淺表或透壁組織消融，消融的深度與脈沖強(qiáng)度相關(guān)。從安全性上來(lái)說(shuō)，內(nèi)鏡引導(dǎo)下的IRE手術(shù)過(guò)程順利，圍手術(shù)期動(dòng)物生理狀態(tài)良好，消融區(qū)術(shù)后并未出現(xiàn)管壁擴(kuò)張、穿孔、出血等嚴(yán)重并發(fā)癥。呂毅教授利用磁外科技術(shù)設(shè)計(jì)錨定消融電極，有效解決了IRE過(guò)程中電極移位的問(wèn)題。整體上說(shuō)，IRE用于消化道等管腔組織消融是安全可行的。表1匯總了IRE應(yīng)用于管腔結(jié)構(gòu)組織消融的研究方案。

4 聯(lián)合介入技術(shù)用于心血管組織消融

除惡性腫瘤之外，物理消融技術(shù)也常用于異常組織的原位消融中，最常見(jiàn)的是RFA用于惡性心律失常的治療。心律失常是一種較為常見(jiàn)的心臟疾病，冠心病、心率衰竭與高血壓性心臟病是引發(fā)該疾病出現(xiàn)的主要原因。藥物治療、導(dǎo)管RFA及植入心臟轉(zhuǎn)復(fù)除顫器是常用的治療方法[19]。導(dǎo)管RFA聯(lián)合介入技術(shù)可以在微創(chuàng)條件下對(duì)異常心臟組織進(jìn)行治療，具有創(chuàng)傷小、操作精準(zhǔn)、消融迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是由于RFA熱消融的原理，在消融過(guò)程中可能因?yàn)閾p傷冠狀動(dòng)脈鄰近組織而產(chǎn)生嚴(yán)重并發(fā)癥，如血栓形成、血管狹窄、心肌梗死等。從消融方法上看，單極射頻消融可能造成透壁損傷，在跳動(dòng)的心外膜消融時(shí)，血液循環(huán)帶來(lái)的“熱沉效應(yīng)”使其難以形成透壁消融。而雙極射頻消融只能在兩個(gè)電極之間作用，難以進(jìn)行鉗夾的部位就很難進(jìn)行消融。因此，射頻消融在惡性心律失常的治療過(guò)程中仍存在一定局限[20]。常用導(dǎo)管電極如圖2所示。

表1 不可逆電穿孔應(yīng)用于管腔結(jié)構(gòu)組織消融的研究方案匯總Tab.1 Summary of the application of IRE in the ablation of lumen structures and tissues

圖2 用于心血管組織的導(dǎo)管電極Fig.2 Catheter-based electrode for cardiovascular tissue

近年來(lái)已有團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了IRE用于心臟組織消融的研究。荷蘭烏德勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心WITTKAMPF等[21]設(shè)計(jì)了直徑20 mm的環(huán)形導(dǎo)管電極對(duì)豬進(jìn)行了肺靜脈開(kāi)口部的消融，發(fā)現(xiàn)低能量的不可逆電穿孔可以在此處安全消融。NEVEN等應(yīng)用導(dǎo)管電極經(jīng)心包穿刺進(jìn)行了心包內(nèi)心外膜消融的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)IRE可造成深度可控、連續(xù)透壁的心肌損傷且不對(duì)冠狀動(dòng)脈造成明顯損害。因此，IRE可以解決RFA最突出的問(wèn)題：冠狀動(dòng)脈及其附近組織的安全消融，證實(shí)了導(dǎo)管電極聯(lián)合IRE用于心臟消融的安全性和有效性，使得應(yīng)用IRE進(jìn)行室性心動(dòng)過(guò)速治療成為可能[22-23]。此外，該團(tuán)隊(duì)也證實(shí)了線形電極向心外膜輸送的脈沖能量的水平與平均心肌損傷深度、寬度之間存在顯著關(guān)系[24]。

上述研究大都是在開(kāi)胸或離體動(dòng)物心臟上進(jìn)行的，手術(shù)入路創(chuàng)傷較大。近年來(lái)一些團(tuán)隊(duì)嘗試通過(guò)聯(lián)合介入技術(shù)將電極送至心內(nèi)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行消融治療。DRIEL和WITT等[25-26]使用導(dǎo)管電極在肺靜脈內(nèi)消融，證實(shí)IRE術(shù)后不影響肺靜脈直徑，見(jiàn)圖2（a）和圖2（d）。STEWART等[27]則證實(shí)IRE可以產(chǎn)生局限的心臟纖維化損傷，見(jiàn)圖2（b）。REDDY等[28]首次開(kāi)展了IRE進(jìn)行心肌組織消融的臨床研究，證實(shí)IRE可以優(yōu)先破壞心肌組織而不影響鄰近結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)優(yōu)化的雙相波形，IRE術(shù)后可以實(shí)現(xiàn)持久的肺靜脈隔離，見(jiàn)圖2（c）。綜上，IRE用于心臟組織消融的安全性整體尚可，但是在部分實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)包括發(fā)熱、發(fā)紺以及心包填塞等并發(fā)癥，也有動(dòng)物在治療過(guò)程中出現(xiàn)死亡。因此，對(duì)于該技術(shù)用于惡性心律失常的研究還需要進(jìn)一步開(kāi)展。表2匯總了IRE應(yīng)用于心血管組織消融的研究方案。

表2 不可逆電穿孔應(yīng)用于心血管組織消融的研究方案匯總Tab.2 Summary of the application of IRE in the ablation of cardiovascular tissues

5 展望與結(jié)論

IRE是近年來(lái)最受關(guān)注的物理消融技術(shù)，但是基礎(chǔ)研究與臨床研究主要局限于實(shí)質(zhì)器官腫瘤治療。基于其非熱能組織消融的特點(diǎn)，在消融過(guò)程中不會(huì)破壞組織支架結(jié)構(gòu)，不受血流“熱沉效應(yīng)”的影響，可以突破現(xiàn)有熱消融技術(shù)的諸多禁區(qū)，具有重要的臨床意義。內(nèi)鏡技術(shù)與介入技術(shù)在消化道、泌尿道、呼吸道和心血管疾病中應(yīng)用廣泛，可以為多種診療技術(shù)提供微創(chuàng)、便捷的操作通道。IRE與RFA在治療原理上存在明顯差異，不能簡(jiǎn)單地將RFA消融導(dǎo)管用于IRE。因此，進(jìn)一步研究IRE的作用原理，優(yōu)化脈沖形式，設(shè)計(jì)適用于不同臨床場(chǎng)景的IRE導(dǎo)管電極，可以充分發(fā)揮IRE的優(yōu)勢(shì)，為臨床治療提供新的解決方案。