不可逆電穿孔在腹部腫瘤治療中的應用

浙江大學醫(yī)學院 浙江省生物電磁學重點實驗室 生物物理與醫(yī)學工程研究組，浙江 杭州 310058

引言

不可逆電穿孔（Irreversible Electroporation，IRE）是一種具有超短脈沖持續(xù)時間和高電場強度治療腫瘤的新技術(shù)[1-2]。腫瘤物理治療主要有放射治療、射頻消融[3]、微波消融[4]、光熱療法[5]、激光消融[6]、冷凍治療[7]等，IRE為除上述之外的另一種癌癥物理治療方法[8]，其可使治療區(qū)域內(nèi)細胞形成IRE，有效破壞癌細胞[9]。在腫瘤物理消融治療中，血管和膽道內(nèi)皮細胞等細胞成分也將受到不同程度的不可逆損傷。然而，構(gòu)成這些血管和膽管結(jié)構(gòu)的細胞外基質(zhì)可以保存其結(jié)構(gòu)和功能的完整性，有助于組織的快速再生[10]。這使得IRE在理論上成為了一種安全的治療選擇，治療膽管和內(nèi)臟血管附近的腫瘤。本研究回顧了現(xiàn)有的臨床數(shù)據(jù)，描述IRE的一般應用，分別討論IRE在肝癌、胰腺癌和前列腺癌治療中的應用。

1 不可逆電穿孔

1.1 工作原理

電脈沖通過在細胞膜中形成新生孔洞，以可逆或不可逆的方式滲透組織[11]。其中可逆電穿孔是在脈沖電場作用下在細胞膜上形成的一種瞬態(tài)親水孔[12]。電脈沖引起了膜滲透性的變化的現(xiàn)象首先由Neumann等[13]發(fā)現(xiàn)。電穿孔的電脈沖劑量較小，只能導致細胞膜發(fā)生暫時的可逆性電擊穿，撤銷電場后，細胞膜逐漸恢復原來的形態(tài)，細胞仍然存活。例如，在一種新的癌癥治療方法中局部施加的脈沖電場可增強細胞膜的通透性，從而使化療藥物在細胞內(nèi)更多的積累，從而導致局部進行性壞死[14-16]。此外，脈沖電場可以通過誘導電穿孔來破壞血腦屏障，從而增加細胞外通道的通透性[17-18]。

IRE是指在高壓脈沖電場作用下，細胞膜產(chǎn)生了不可逆的孔洞的現(xiàn)象[19]。IRE是隨著電脈沖劑量增加，細胞膜出現(xiàn)不可恢復的破裂導致細胞死亡[20-21]。這些電流的爆發(fā)可以通過破壞細胞壁的電勢而穿透細胞膜，或者“穿孔”，如果稍微延長使用時間，就會導致目標腫瘤細胞不可逆的電穿孔[22-23]。

1.2 臨床使用技術(shù)

在手術(shù)之前，評估腫瘤的確切大小和幾何形狀，以確定探針的數(shù)量和配置。盡管創(chuàng)建消融區(qū)域至少需要2個探針，但通常需要多個探針來徹底消融腫瘤，包括在所有方向上至少5 mm的無瘤邊緣。IRE需要在全身麻醉下進行。完全肌肉放松是強制性的，以抵消由于電脈沖的傳遞而對骨骼肌的刺激，并防止肌肉收縮后電極針的移動。在脈沖輸送之前，應通過確認完全肌肉松弛。建議將患者連接到外部除顫器，以便在發(fā)生室性心律失常時進行快速干預?？梢栽陂_腹手術(shù)中使用術(shù)中超聲或經(jīng)皮使用對比增強計算機斷層掃描或超聲引導進行內(nèi)鏡檢查。對于計算機斷層掃描引導的方法，建議進行計算機斷層透視檢查，以便了解針電極、目標病變及其周圍結(jié)構(gòu)。探針應相互平行插入，以促進均勻的能量輸送。

1.3 IRE優(yōu)勢

可逆電穿孔技術(shù)是一種非熱破壞細胞的技術(shù)[19,24-25]，可在誘導細胞死亡的同時將有害的熱效應降至最低。相比于其他消融手段，IRE消融技術(shù)的優(yōu)勢是可應用于敏感結(jié)構(gòu)附近，例如應用于鄰近大血管的腫瘤治療[26]，也可使有膽管和肝血管的肝門得以保留[27-29]。對于癌癥的理想局部治療方法是只破壞癌細胞，但同時保留或至少限制對周圍重要結(jié)構(gòu)的損傷。

2 肝癌治療

中心位置的肝病變由于靠近主膽管和門靜脈，不適合切除或熱消融。由于IRE能夠保存這些結(jié)構(gòu)，其被認為是一種合適的消融手段[30]。

一項對129名患者（227 個腫瘤）的肝IRE安全性的系統(tǒng)評估中顯示，總體并發(fā)癥發(fā)生率為16%[25]。目前尚未有與肝癌IRE治療相關(guān)的死亡的報道。穿刺相關(guān)并發(fā)癥（如氣胸和出血）很少遇到。施加的電場可能導致心律失常，但心臟門控大大降低了這種風險。Deodhar等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，即使將針電極放置在心肌內(nèi)，當電脈沖與R波同步傳遞時，也沒有看到持久的心律失常。很少發(fā)生血管相關(guān)的并發(fā)癥（如門靜脈血栓形成）。也有研究表明，在電穿孔過程中，產(chǎn)生的熱量是不可忽略的[32]，尤其是在電極針周圍[33]。有研究顯示，肝IRE后的膽管發(fā)生損傷，可能是由于與其中一根針電極直接接觸而引起膽管熱凝固所致[34]。因此，為避免損傷熱敏結(jié)構(gòu)，建議針電極放置在距離膽管或大血管至少5mm處[33]。

Cheng等[35]進行了6位患者的研究，得出100%的有效率。Bhutiani等[36]進行了30位患者的研究，得出97%的有效率。Niessen等[37]進行了34位患者的研究，得出74.8%的有效率。由于肝IRE的異質(zhì)性，目前文獻中肝IRE的療效結(jié)果具有差異，肝癌療效的現(xiàn)有數(shù)據(jù)概述，見表1。

表1 肝癌治療有效性

3 胰腺癌治療

胰腺癌是最具侵襲性的癌癥之一，總體5年生存率<5%[46]。胰腺癌經(jīng)IRE后經(jīng)常會出現(xiàn)與胃腸道相關(guān)的并發(fā)癥，如惡心、嘔吐、腹瀉、胃排空延遲、食欲不振、攝入量減少和腹痛。潰瘍、穿孔或出血也有報道[47-49]。Scheffer等[50]報道，IRE后90 d內(nèi)無患者死亡。總體而言，25名患者中有10名出現(xiàn)了23次不良事件。6名患者出現(xiàn)胃腸道并發(fā)癥。兩名患者需要臨時鼻胃引流和放置鼻空腸飼管。兩名患者在術(shù)后1 d淀粉酶和脂肪酶水平顯著升高，內(nèi)鏡逆行胰膽管造影術(shù)顯示壺腹區(qū)腫脹。一名患者出現(xiàn)膽管炎和感染的膽道瘤，需要經(jīng)皮引流和經(jīng)皮經(jīng)肝膽管造影術(shù)引流。

Martin等[49]進行了包括200名接受IRE治療的局部進展的胰腺癌患者的研究，進行局部控制（n=150）和切緣強化聯(lián)合切除（n=50），報告中位總生存期為24.9個月。目前大多文獻中患者的中位總生存期在10～15個月左右[48,51-52]。對所有報告生存結(jié)果的研究(不包括病例報告)的概述，見表2[47-48,50-54]。

表2 胰腺癌治療有效性匯總

4 前列腺癌治療

IRE作為前列腺癌的非熱療法已經(jīng)在臨床實踐中使用了許多年[55]。數(shù)據(jù)支持IRE作為一種可行的治療所有前列腺部分的方法，在生活質(zhì)量影響方面沒有顯著差異[56]。從形式上來說，IRE的風險和迄今為止建立的治療局限性前列腺癌的程序之間沒有根本區(qū)別[57]。Van den Bos等[58]將消融部位描述為比預期大兩到三倍，并從前列腺囊擴散到神經(jīng)血管束，這帶來了壓力性尿失禁和勃起功能障礙的相關(guān)風險。Neal等[59]進行了IRE對于前列腺癌的消融研究，輕度血尿是唯一的術(shù)后副作用。組織病理學結(jié)果顯示，在消融區(qū)內(nèi)沒有存活的前列腺癌細胞，但發(fā)生了局部組織壞死和炎性浸潤。該治療消融了一定體積的前列腺組織，而沒有損傷鄰近的結(jié)構(gòu)。

IRE對前列腺腫瘤的消融是有效的，因為大多數(shù)男性在消融后6個月進行活檢時沒有發(fā)現(xiàn)任何殘留癌癥的跡象[60]。IRE消融主要表現(xiàn)為腺結(jié)構(gòu)纖維化、壞死和上皮脫離。消融區(qū)域界限分明，顯示出活組織和非活組織之間的清晰界限[61]。一項研究對16名患前列腺癌的男性進行IRE消融[62]，組織病理學分析顯示消融區(qū)內(nèi)無殘留腫瘤或活組織。一系列研究都表明IRE可以有效地消融目標區(qū)域內(nèi)的腫瘤。

5 未來與挑戰(zhàn)

在IRE消融研究中，除一個腫瘤的最大直徑大于3.5 cm外，所有腫瘤均小于3.5 cm[36]。但如果直徑3～4 cm的腫瘤用IRE消融，則完全消融率降低，復發(fā)的可能性增加[42]。數(shù)值和實驗結(jié)果表明，在治療缺血再灌注期間，肝組織的異質(zhì)性影響中場分布的均勻性，導致不均勻的細胞死亡[63]。在垂直于電極的平面中，血管周圍區(qū)域的電場強度增加，但在平行平面中，血管周圍組織的電場強度顯著降低。在肝臟中使用IRE僅限于大于3 cm的腫瘤，且手術(shù)時間有限。由于兩個因素加上成本，阻止了IRE成為所有肝腫瘤消融的唯一確定模式。隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，放射免疫療法將日益成為大多數(shù)肝癌的消融治療方法[64]。IRE不僅是一種很有前途的外科組織消融技術(shù)，也是一種基因治療技術(shù)。由于IRE消融術(shù)可能會留下完整的腫瘤抗原，這些發(fā)現(xiàn)促進了腫瘤消融術(shù)的臨床研究，使用免疫刺激質(zhì)粒進行局部根除和全身免疫治療的結(jié)合[65]。IRE-同基因NK免疫療法的應用是一種新的、有前途的聯(lián)合療法[66]。然而，仍然需要更大的臨床試驗來證實這些結(jié)論。IRE會引起肌肉收縮，H-FIRE似乎是減輕與傳統(tǒng)IRE脈沖相關(guān)的肌肉收縮的有效技術(shù)[67]。鑒于進展速度已成為治療肝臟惡性腫瘤的可行消融技術(shù)，電穿孔可能是未來五年大多數(shù)患者首選的消融治療方法。隨著人們對IRE潛在應用的理解越來越廣泛，技術(shù)越來越進步，應用也將變得越來越普遍。