不可逆性电穿孔

不可逆性电穿孔（英语：irreversible electroporation，缩写：IRE）是透过极其短但强力的电场使得细胞膜上产生永久奈米孔的一种组织消融技术，透过扰动细胞稳态以让细胞死亡。这种手段导致细胞凋亡而不是其他基于热融、辐射的消融技术造成的细胞坏死。不可逆性电穿孔技术的主要用途是在需要维护重要细胞外基质、血流、神经的部位进行肿瘤消融。这个技术目前正在临床试验而还没有大规模的批准使用。电穿孔现象最早在 1898 年被观测到。诺莱特也于 1754 年在接触过电火花的动物、人类的皮肤上看到红斑并做了系统性的记录。然而，电穿孔现象在现代医学的应用从诺伊曼与同僚在 1982 年的重要工作才开始，诺伊曼用电场脉冲暂时性地穿透细胞膜让外源 DNA 进入细胞。在次后来的十年间，高伏特电场脉冲与化疗药物博来霉素或 DNA 的结合产生了新颖的临床应用：电脉冲化疗与基因电转移。在上述过程中，不可逆性电穿孔通常是不合预期的状况。2005 年，黛沃洛斯等人首次提出将不可逆性电穿孔作为直接治疗方法的概念。极短但强的电场脉冲可以在细胞膜的磷脂双分子层上产生奈米量级的小孔，这对细胞产生两种可能的伤害：尽管一般认为不可逆性电穿孔造成细胞凋亡，一些研究发现不可逆性电穿孔造成细胞死亡的方式不纯粹是细胞凋亡，也就是，不可逆性电穿孔造成细胞死亡的明确过程尚未完全清晰。科学家尚未了解不可逆性电穿孔的机制机制，目前的理论为下：当超过 0.5 V/nm 的电场被加在静止跨膜电位上的时候，水在这种细胞膜的介电质被抵消的情况下进入细胞，并产生亲水的孔。塔里克透过分子动力学模拟发现奈米孔的形成过程为以下两个步骤：当外加的电场增加，对于磷脂分子头部的扰动更大，产生更多充满水的小孔。整个过程在数纳秒内发生。奈米孔的大小可能与细胞类型相关，科学家透过电子显微镜在猪的肝细胞看到的奈米孔平均是 340-360 奈米。当前不可逆性电穿孔疗法的技术限制包括：在手术中，医生将若干个长针状电极放在目标区域的周围，电极穿刺的点透过组织、器官几何状况决定。透过超声波、核磁共振或全相术的影像决定电极的位置是必须的。之后针与不可逆性电穿孔设备连接，后者产生两个电极的电位差。手术的范围的几何状况透过实时计算，医生可以进行调整。消融在 1 到 10 分钟间完成，长短取决于手术范围与电极的数量。病人会事先施打肌肉松弛剂，因为就算在一般的全身麻醉下，对神经肌肉接点造成的刺激还是会触发强烈的肌肉收缩。典型的参数：强劲的电场脉冲脉冲透过无菌的可弃细长电极释放。医生事先规划手术的范围，并透过电脑计算 电极间该有的位能差，电极的电位差也由系统启动、控制。AngioDynamics 制造的 NanoKnife 系统是实现不可逆性电穿孔疗程的一个设备，这个设备在 2011 年 10 月 24 号通过 FDA 510k 。NanoKnife 系统也得到美国试验用医疗器械豁免，AngioDynamics 也得到使用这个设备进行临床试验的许可。2011 年，FDA 对 AngioDynamics 宣传设备尚未被批准的适应症给予警告。2013 年，英国国家卫生与临床优化研究所发出声明指出，不可逆性电穿孔疗法对于各种癌症的安全与功效尚未被证实。虽然保留肾单位手术是小型恶性肾肿瘤的金标准疗法，消融疗法对于无法进行手术的患者来说是一种可能的选项。 虽然射频消融与冷消融手术已有十年的历史，对于 3 公分以上的肿瘤，这些手术的疗效有限。新的消融疗法如不可逆性电穿孔疗法、微波消融、高强度超声疗法等等有机会克服肿瘤大小造成的治疗困难 。虽然对人类治疗的一些早期研究已证实了不可逆性电穿孔疗法消融肾肿瘤的安全性，此疗法的有效性还未透过组织病理学的检验方法确定。瓦格斯塔夫等人正在进行一项不可逆性电穿孔疗的安全性与有效性的研究，并透过磁共振成像与超声造影成像评估消融的疗效。根据研究的前瞻性实验设计，不可逆性电穿孔治疗后还会对患者进行根治性肾切除术以评估此疗法的成效。虽然热消融对于治疗肝肿瘤非常有效，很多肿瘤由于与主血管、胆管相邻，使得热消融处理相当危险。在一个单中心、前瞻性的非随机队列研究中，研究人员透过 25 个患者评估了不可逆性电穿孔疗法的安全性。研究发现肿瘤对于不可逆性电穿孔疗法的缓解率是 50%，但是对于任何一边大于 5 公分的肿瘤没有任何效果。使用这种疗法的患者没有发现肝脏损伤的情形。在其他研究中也观察到了不可逆性电穿孔疗法无法完全消融大型肿瘤的情形。虽然早于 1999 年开始已有胰腺癌经皮热消融疗法的记录，后续的系统综述分析认为射频消融有过高的并发概率且对于存活率没有明显的提升。不可逆性电穿孔疗法带来的非热细胞死亡机制与研究人员对模式动物进行此疗法安全、可行性研究让这种疗法成为一个更合理选项 。马丁等人观察了 54 个非转移性胰脏腺癌患者的总存活情形，将不可逆性电穿孔疗法队列与标准疗法治疗的三期患者进行比较，发现经不可逆性电穿孔疗法治疗的患者有统计显著的无局部进展存活、无远处进展存活、总存活上的进步。里克等人在一个前瞻性多中心单臂 2 期临床试验中评估了对肺癌进行不可逆性电穿孔治疗的安全性与疗效，患者患有原发性或继发性肺肿瘤但是肺功能正常。此试验在中期分析的时候发现不可逆性电穿孔疗法的疗效没有达到预期，试验也因此提早中断。并发症包括气胸（23 个患者中的 11 个）与未严重至咳血的肺泡出血，针道转移有 3 例（13%）。其中 23 位患者中 14 位出现肿瘤进展（61%）、肿瘤稳定 1 位（4%）、部分缓解 1 位（4%）、完全缓解 7 位（30%）。文章的结论是不可逆性电穿孔疗法对于肺肿瘤的滞留疗效不够。在其他研究中也出现类似的坏结果。不可逆性电穿孔疗法对肺的治疗最大的瓶颈是放置电极的困难度：肋骨的存在对探针平行对齐的要求产生不小的挑战。另外，肿瘤、肺功能组织、空气导电性的不同使得计划中的消融区域与实际上的消融区域有很大的差异。用不可逆性电穿孔治疗前列腺癌的想法最早由盖瑞·奥尼科与鲍里斯·鲁宾斯基于 2007 年提出。前列腺瘤通常位于会被高温疗法或是放射线疗法永久伤害的敏感部位，然而一般手术方法常受精度与价格限制。况且，一般手术有较长的痊愈时间，发生副作用的几率也较大。透过不可逆性电穿孔技术，手术范围可以包含尿道、膀胱、直肠、神经纤维而不会产生（永久的）伤害。这让不可逆性电穿孔疗法作为一个局部疗法与全腺疗法比其他既有方法有明显的优势。虽然不可逆性电穿孔疗法已成功施行了超过三年，由于尚未有多中心、长期追踪研究，学界还是将其当成一钟临床试验阶段的疗法。奥尼科与鲁宾斯于 2010 年发表了第一次的研究，包含 16 位病人（Gleason 分级 6 到 8）。更广为人知的试验是德国的斯特林进行的。在英国，迪克森等人对 Gleason 分级 6 与 7 的病人进行不可逆性电穿孔疗法并报告了其安全性与低毒性。帽儿等人在小鼠模型上证实了不可逆性电穿孔疗法作为一种大型血管壁中平滑肌细胞的消融手段是安全有效的。因此，专家建议将不可逆性电穿孔作为经皮冠状动脉介入治疗后预防动脉再狭窄的一种预防疗法。几个动物实验证实了不可逆性电穿孔疗法在心房颤动治疗中作为对肺静脉的一种非热消融手段是安全有效的。不可逆性电穿孔疗法相较于射频消融与冷消融的优势为：清楚的消融范围，不具有周围因为热量产生的伤害。因此，专家建议将不可逆性电穿孔 作为心房颤动新疗法的一部分。专家也在研究不可逆性电穿孔治疗对葡萄膜黑色素瘤与甲状腺癌的情况。专家透过动物肿瘤模型成功了消融脑癌、皮肤癌、骨癌、 头颈癌。