西安医院吕毅教授
恶性肿瘤是严重威胁人类健康的重大疾病，是当前全球面临的最严重的公共卫生挑战，恶性肿瘤的有效治疗一直都是医学基础与临床研究的热点。传统的恶性肿瘤治疗手段包括手术切除、化学治疗和放射治疗等。除此之外，一些物理肿瘤消融治疗技术，如射频消融、微波消融以及冷冻消融治疗等，也在恶性肿瘤的治疗中发挥了重要作用。然而，由于恶性肿瘤侵袭性生长的特点以及早期诊断能力的不足，很多肿瘤在确诊时已出现邻近侵犯或远处转移，丧失了根治性治疗的机会。特别是现有的基于热效应的肿瘤消融治疗手段对于一些侵犯血管、胆道等的肝胆胰肿瘤难以有效应用，难以开展有效的治疗。
不可逆电穿孔（IrreversibleElectroporation,IRE）是近年来新兴的一种非热能肿瘤消融技术。该技术通过在肿瘤细胞周围施加微秒级别脉宽的高压脉冲电场，可以破坏肿瘤细胞膜表面的稳定性，使其表面出现多个亲水性微孔，进而破坏细胞稳态，最终导致细胞死亡。不可逆电穿孔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、胆管和胰管等结构复杂的肝胆胰肿瘤具有重要应用价值。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。
不可逆电穿孔技术在临床肿瘤治疗中表现出一定的优势，但是对于该技术的研究还存在诸多局限。通过对该技术深入系统的研究，可以更好地这种非热能肿瘤消融技术。本文综述了本研究中心在高压脉冲电场生物效应理论研究方面的经验以及当前临床肿瘤治疗中应用不可逆电穿孔技术的研究进展。
不可逆电穿孔肿瘤消融技术原理
高压脉冲电场的生物效应已经被广泛研究，其关键因素包括电压强度、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数等。此外，作用目标本身的生物和物理特性，如细胞类型、细胞形态、细胞外基质性质等，也会影响实际产生的电场。
当前，临床上使用的高压脉冲电场治疗设备的主要理论依据是不可逆电穿孔原理。研究发现，通过在细胞周围施加一定电场强度的微秒脉冲（μsPEF），可以快速在细胞膜两侧形成一个跨膜电压（Transmembranepotential,TMP），细胞膜表面的磷脂双分子层会形成微孔以分流，阻止永久性损伤。然而当外加的电场强度超过某一阈值时（V/cm），细胞膜表面的微孔难以自行修复还原，进而形成不可逆性电穿孔。穿孔后细胞膜稳定性被破坏，内环境稳态发生改变，大分子物质可以发生内外交流，最终导致细胞死亡。
图1高压脉冲电场作用下细胞膜表面磷脂双分子层出现纳米级亲水性微孔
上图是利用计算机模拟后胞膜表面磷脂双分子层出现纳米级亲水性微孔的示意图。在不可逆电穿孔导致细胞死亡的过程中可能同时存在细胞凋亡与细胞坏死两种机制。细胞坏死主要是电损伤导致，尽管在施加高压脉冲电场的过程中会产生焦耳热（JouleHeating），但是由于脉冲作用时间极短，难以发生有效的热交换，产热的能量也很微小，可以忽略不计，这也是不可逆电穿孔非热能损伤的理论基础。细胞凋亡主要发生在电穿孔形成后的一段时间内，由于细胞稳态发生变化，可以诱发细胞内各种凋亡机制的响应，最终发生细胞程序性死亡（ProgramedCellDeath）。本课题组研究人员在前期的研究中发现，随着电场强度不断升高，细胞先后出现细胞膜可逆电穿孔、诱发细胞凋亡机制以及细胞膜不可逆电穿孔三种过程。
此外，IRE的作用目标为磷脂双分子层结构，对于以蛋白、胶原和多糖等组成的细胞外基质（ExtracellularMatrix,ECM）及支架结构没有损伤，可以保证肿瘤邻近重要血管、胆道、神经等结构的完整性。同时也可以确保细胞增殖、再生环境的稳定性，在PEF作用后的很短时间内正常细胞会在支架结构内重新生长，不会引起重要结构不可逆性损伤，这是IRE相比传统RFA最大的优势。此外，也有研究人员将IRE应用于组织工程脱细胞支架的构建。
基于IRE的NanoKnife在临床应用已有五年多，积累了一定的临床研究数据：其在治疗过程中所需场强一般不超过3kV/cm，脉宽一般为70~μs。但是IRE在临床使用过程中存在两个关键问题：①易引起心律失常；②易引起骨骼肌强直收缩，因此病人需在全身麻醉下加用骨骼肌松弛剂，同时需密切监测心电，配置心电再同步装置。尽管临床上有关IRE发生严重不良严重反应的报道不多，但是这两个问题增加了IRE应用的难度和局限，降低了IRE应用的安全性。
理想场肿瘤治疗电脉冲的设计关键
应用不可逆电穿孔技术消融恶性肿瘤组织的关键在于“电场”的形成，而决定电场形成的一个重要因素就是排布在肿瘤组织周围的治疗电极。治疗电极的间距、排布的形式、接触组织的深度（面积）等，都会直接影响最终形成的有效电场的范围。因此，在治疗前需要精确规划电极组成形式、间距等，并且术者还需在排布电极时将其“精准”地插入预先计算好的位置，而电极间距离一旦出现毫米级的误差，都会使最终形成的电场出现偏差，这也是当前临床应用IRE中主要的技术挑战。此外，针对不同的肿瘤类型，其所需的有效治疗电场强度也有所差异，在治疗时需要特异化的设置脉冲参数。因此，在应用高压脉冲电场技术进行治疗时，治疗前精准地规划电极排布形式，确定治疗参数是非常重要的。在临床应用中，利用不可逆电穿孔技术治疗恶性肿瘤的技术关键是治疗方案的设计。设计不可逆电穿孔治疗恶性肿瘤治疗方案的总体思路很明确，即根据恶性肿瘤的类型，部位，尺寸，电导率等特性，确定能够杀死全部肿瘤细胞，同时尽可能减少对健康细胞损伤的外加脉冲电场。目前已有一系列利用数值方法仿真模拟不可逆电穿孔对生物组织效应结果的研究报道。所采用的动物模型包括大鼠，兔，猪，狗；组织包括肿瘤组织和健康组织；器官包括肝，脑，肺，肾，前列腺，胰腺，心脏等。所采用数值模型涵盖一维模型到三维模型；生物组织内电学特性的仿真模拟结果包括电场分布，温度分布，电流变化，热损伤等。
不可逆电穿孔肿瘤消融技术的临床应用
1.应用现状
美国AngioDynamics公司生产的IRE消融设备NanoKnife（纳米刀）已于年获FDA批准应用于临床，是当前批准上市的唯一一款产品，我国CFDA于年批准引进。该装置主要由高能脉冲发生器、计算机控制系统、脚踏开关和电极针组成。其治疗电极针分为单极针（16G）和双极针（18G），长度分别为15cm和25cm；双极针有2个间隔8mm、长7mm电极，单极针电极长度可通过滑动绝缘套在5～40mm之间变化；单极针消融时至少要使用2个或更多电极针，NanoKnife最多支持6根电极。发生器可产生直流（25～45A）高压（0～V）电脉冲，每次消融由连续75-μs的9组（10次脉冲/组）共90次脉冲组成。其治疗电极通过开腹、经皮穿刺和经腹腔镜的形式排布于目标肿瘤区域。当前NanoKnife主要应用于难治性肝癌、胰腺癌、肾癌和前列腺癌等实质器官肿瘤，其非热能、无化学毒性损伤的特点，在治疗过程中不损伤血管、胆道等重要结构，相比其他消融手段具有一定优势。
图3NanoKnife主机、电极实物图及开腹治疗过程
然而在纳米刀临床应用过程中也发现了一些问题：①应用范围有限：受电极结构设计所限，NanoKnife只能应用于经皮穿刺、开腹或腹腔镜条件下，对管腔结构内肿瘤没有治疗能力；②治疗模式单一：NanoKnife基于微秒高压脉冲电场不可逆电穿孔原理，在诱导肿瘤细胞死亡的同时会引起心律失常及骨骼肌强直收缩等并发症，需要在术中密切心电监测，同时全麻下还应配合使用肌松药缓解骨骼肌强直收缩。这些问题在一定程度上增加了NanoKnife的操作难度。
2.在肝脏肿瘤
在肝脏肿瘤的治疗方面，经过动物实验证实，对于靠近肝门区、血管、胆管及神经等结构周围的肝癌，IRE消融与传统消融方式相比较，具有明显的优势。
Cannon等对44例患者的肝癌行48次IRE消融进行了相关报道。44例肝癌患者的肿瘤均为血管周围肝癌。术中根据肿瘤大小采用一个或多个电极，电极间隔0.5~2.0mm。消融治疗参数为电场强度V/cm，脉冲90个，脉冲宽度20-微秒。所有IRE消融治疗手术均顺利完成，仅有5例患者发生并发症，所有并发症在30天内均完全恢复。术后3个月、6个月和12个月无局部复发，生存率分别为97.4%、94.6%和59.5%。Cheung等报道了采用IRE技术治疗11例肝细胞癌患者18个肿瘤病灶，结果显示肿瘤的完全消融率达72%，其中＜3cm瘤灶更是达到93%,平均随访（18±64）个月，肿瘤局部均无复发。Kingham等对28例血管周围肝恶性肿瘤患者进行了IRE消融治疗，术中及术后分别有1例患者发生心律失常和门静脉血栓，无IRE治疗相关死亡发生。Frühling等对30例肝癌患者行IRE消融治疗。所有患者肿瘤直径＜3cm。术后6例患者发生微小并发症，1例患者发生胆道扩张和门静脉狭窄，30天内无患者死亡。Kasivisvanathan等报道了1例61岁乙状结肠癌肝转移患者，经肝切除手术和化疗9个月之后复发，复发肿瘤灶较之前增大。再次化疗无效、患者接受超声引导下IRE消融后次日出院。3月后复查肿瘤体积较前缩小。学者们不仅对IRE治疗晚期肝癌及血管周围肝癌进行了临床研究，同时还尝试了对IRE消融能否替代手术治疗早期肝癌进行了尝试。Lencioni等尝试以IRE消融治疗1例早期肝细胞癌患者，5个月后肿瘤完全消失。
3.在胰腺肿瘤
胰腺癌一般早期没有明显症状，发现时多为晚期，很多病人没有切除机会，预后较差。针对晚期胰腺癌患者，放化疗往往是他们唯一选择，然而其治疗效果则并不理想。因此，探索治疗晚期胰腺癌的新治疗方法显得尤为重要。
近年来，IRE作为一种新兴的肿瘤微创治疗方法，也开始逐渐被应用于胰腺癌的治疗。Narayanan等对14例胰腺癌患者进行IRE治疗，其中10例肿瘤灶包绕肠系膜上动脉或肝动脉大于°，术后CT检查未发现消融区血管损伤，无治疗相关死亡事件发生；治疗后对2例实施肿瘤切除术，病理检查显示切除边缘无瘤细胞，其余病例随访11～14个月，未发现局部复发。Martin等[38,39]采用IRE对27位胰腺癌患者进行了肿瘤消融，肿瘤消融成功率达到%，术后淀粉酶及脂肪酶有短暂性轻度增高（72h后恢复正常），无胰腺炎及胰瘘等并发症发生。
4.ERCP联合高压脉冲电场治疗中晚期肝胆胰肿瘤的设计
中晚期肝胆胰肿瘤是临床上最为常见的一组消化道肿瘤，据国家癌症中心统计，我国每年肝脏、胆道和胰腺恶性肿瘤的新发病例数分别为46.61万、5.28万和9.01万；每年的新增死亡病例数分别为42.20万、4.07万和7.94万。外科切除是根治性治疗胆管癌的主要手段，但胆管癌起病隐匿，发病早期缺乏典型症状，导致多数病例在确诊时已处于中晚期，肿瘤侵犯邻近血管或发生远处转移，失去根治性切除的机会。其较高的促结缔组织增生能力，肿瘤周围微环境的有力支持，以及复杂的基因遗传异质性等，都促进了胆管癌对传统化学治疗药物的抵抗。与胆管癌相似，胰腺癌也是一种恶性度极高的肿瘤，除早期病例可以行外科根治性切除治疗外，多数病例由于侵犯邻近胆道、血管等重要结构，只能接受以化学治疗为主的姑息性治疗。不可逆电穿孔肿瘤消融技术非热能消融的特点为这类肿瘤的治疗提供了一种新的接近根治性治疗的可能。本中心结合多年来在肝胆胰肿瘤的诊断和治疗经验，通过利用ERCP技术联合不可逆电穿孔技术，设计了一种经十二指肠镜通道置入不可逆电穿孔治疗电极的治疗思路。
图4ERCP联合IRE治疗胆管内恶性肿瘤
结论
不可逆电穿孔作为一种新兴的肿瘤消融技术，虽然目前在部分肿瘤的治疗上显现出了较好的效果，但尚仍有诸多关键问题需要进一步研究和解决。为了进一步提高不可逆电穿孔肿瘤消融技术的安全性和有效性，需要从分子、细胞、组织以及动物多个层面展开进一步实验研究，同时需进行随机化、多中心、大样本的临床研究来进一步验证其效果
不可切除的LAPC通常被认为是不可治愈的。全身化疗是主要治疗手段。如果化疗后肿瘤稳定6个月以上，可考虑序贯给予局部放疗，目的仍然是提高局部控制。最近的一项欧洲的III期研究结果的提示，化疗后加上放疗并不能延长OS。
化疗和/或化放疗有时会使不可切除的LAPC发生很好的缓解，甚至获得完全缓解，肿瘤甚至可转变为可切除。最近的一个meta分析表明，FOLFIRINOX方案化疗后LAPC的总切除率为28%，其中70%为R0切除。因此，LAPC患者中似乎也存在一个对化疗敏感的患者亚组，肿瘤经治疗后可转变为技术上可切除。Evans第一个基于诊断时影像表现和对血管侵犯的程度，将局限的非转移性胰腺癌分为三组：第一组为BR肿瘤，定义为技术上可切除但新辅助治疗可能进一步增加生存益处；第二组为LAPCA，定义为技术上初始不可切除，但新辅助治疗后可转化为潜在可切除，第三组为LAPCB，为真正不可切除患者。对于BR肿瘤，首先推荐行新辅助化疗，化疗后缓解或稳定的患者推荐手术探查。
小结
胰腺增强CT是任何治疗的基础。对于非转移性胰腺癌，根据肿瘤血管受侵犯的情况，可将患者分为四组，给予不同的治疗。初始可获得R0切除的患者（可切除）应与BR肿瘤（技术可切除但可能只获得R1切除）和LAPC（LAPCA是降期后可能变为可切除，LAPCB是确定不可切除）区分开来。临床实践中，可切除胰腺癌选择直接手术，术后辅助化疗可提高OS。尽管还缺乏循证医学证据，新辅助治疗有提高局限性胰腺癌尤其BR肿瘤患者长期生存的可能。
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇