任馮剛，張雨馳，陳雪，吳榮謙，仵正，呂毅

1. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a. 精準外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程研究中心；b. 肝膽外科，陜西 西安 710061；2. 西安交通大學(xué) 電氣科學(xué)與技術(shù)研究院，陜西 西安 710049

引言

惡性腫瘤嚴重威脅人類健康，疾病負擔極其嚴重。多數(shù)惡性腫瘤起病隱匿，早期并無明顯癥狀，導(dǎo)致大量病例在確診時已經(jīng)處于中晚期，失去了根治性治療機會[1]。當前，以外科手術(shù)為主的綜合治療是實體腫瘤的主要治療模式，外科治療與化療、放療、局部治療、靶向治療、免疫治療等共同構(gòu)成惡性腫瘤的全周期治療體系。盡管當前腫瘤治療水平已較過去取得很大提高，但是現(xiàn)有的腫瘤治療技術(shù)在適應(yīng)證和治療效果上仍然存在一定局限，特別是針對中晚期腫瘤的治療手段和長期療效仍然有限，探索惡性腫瘤新的治療技術(shù)具有重要的臨床意義。

近三十年來，隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出多種基于電磁學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)原理，借助外部物理因子能量在原位毀損腫瘤組織以實現(xiàn)腫瘤局部治療的新型醫(yī)療技術(shù)。同時，超聲、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)進一步促進了圖像引導(dǎo)下腫瘤消融技術(shù)在臨床的廣泛應(yīng)用[2]。當前常見的腫瘤消融技術(shù)主要基于生物傳熱原理：將物理因子能量轉(zhuǎn)化成熱能后升高腫瘤組織的溫度，通過引起腫瘤組織發(fā)生不可逆性熱損傷實現(xiàn)消融目的，因此也被稱為熱消融技術(shù)，射頻、微波、高能聚焦超聲等是當前應(yīng)用最為廣泛的熱消融技術(shù)。此外，還有通過降低組織溫度來實現(xiàn)消融治療的低溫冷凍消融技術(shù)[3]。熱消融技術(shù)易受組織熱力學(xué)性質(zhì)、能量吸收效率和熱沉效應(yīng)等影響，在臨床應(yīng)用過程中易對熱敏感區(qū)域（如血管、膽道、神經(jīng)等）產(chǎn)生不可逆性熱損傷，因而在臨床應(yīng)用過程中存在一定限制[4]。

1 高壓電脈沖技術(shù)原理和生物效應(yīng)特點

基于脈沖電場（Pulsed Electric Field，PEF）生物效應(yīng)原理的高壓電脈沖技術(shù)是一種新型非熱能局部治療手段[5]。高壓電脈沖技術(shù)通常采用一定強度和數(shù)量的微秒方波電穿孔脈沖（Electroporation Pulse，EP）作用于腫瘤組織，利用消融電極在目標消融區(qū)內(nèi)形成具有一定強度和形態(tài)分布的PEF，通過一連串EP不斷作用破壞腫瘤細胞膜和細胞環(huán)境穩(wěn)態(tài)，最終導(dǎo)致細胞死亡[6]。由于EP在一個周期內(nèi)的作用時間極短，電流經(jīng)過組織所產(chǎn)生的焦耳熱可以很快擴散和吸收，組織最終累積的熱量很少，因此不會對組織產(chǎn)生熱損傷[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，不同脈寬、不同強度的EP作用引起的生物效應(yīng)特點存在差異。通常認為，微秒脈寬EP作用可以改變細胞膜跨膜電位差，使細胞膜磷脂雙分子層形成大量微孔，增加細胞膜通透性，破壞細胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也被稱為細胞膜電穿孔效應(yīng)[5]。若PEF強度較低，細胞膜結(jié)構(gòu)在EP作用結(jié)束后可以恢復(fù)，細胞活性不受影響，也稱可逆電穿孔技術(shù)，當前主要用于電化學(xué)治療（Electrochemotherapy,ECT）和經(jīng)皮遞藥[8]。若PEF強度較高，細胞膜結(jié)構(gòu)在EP作用結(jié)束后不能恢復(fù)，同時細胞膜通透性增加加速細胞內(nèi)外物質(zhì)交換，可以破壞細胞環(huán)境穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致細胞死亡，也被稱為不可逆電穿孔（Irreversible Electroporation，IRE）技術(shù)[9]。同時，EP會對腫瘤微環(huán)境帶來改變，包括激活腫瘤免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和引起局部微血管灌注改變等，也在細胞死亡中發(fā)揮作用[6]。納秒脈沖作用引起細胞死亡的機制目前仍存爭議，主流研究認為納秒脈沖可以作用于細胞器的膜結(jié)構(gòu)，引起包括線粒體等細胞器膜結(jié)構(gòu)和功能改變，但仍需進一步研究探索其內(nèi)在機制[10-11]。

在宏觀層面，高壓電脈沖腫瘤消融技術(shù)的特點主要包括：① 電場依賴性：EP作用下腫瘤細胞的結(jié)局與EP波形特征、強度和數(shù)量等相關(guān)，且存在一定的強度依賴性。低強度EP作用并不會引起細胞死亡，甚至對細胞增殖、遷移和分化具有促進作用[12]；一定數(shù)量的高強度EP對于細胞活性具有較為明顯的抑制作用；② 不依賴溫度：EP作用可以在不對組織產(chǎn)生熱損傷的情況下毀損細胞，因而可以較好地保護組織支架結(jié)構(gòu)，對于蛋白等對溫度敏感的活性分子功能影響較小[13]；③ 作用范圍可控：電場強度和分布范圍是決定消融結(jié)局的主要因素，主要與電極配置、脈沖參數(shù)、組織結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率和介電常數(shù)等有關(guān)，可以利用數(shù)值仿真的方法在術(shù)前進行計算和估計，并通過調(diào)整脈沖參數(shù)和電極配置等方式進行調(diào)整和控制[14]。

2 高壓電脈沖技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

基于上述特點，當前高壓電脈沖技術(shù)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括殺菌消毒、細胞電融合、基因電轉(zhuǎn)染、ECT、心臟電生理治療和腫瘤組織消融等。其中，高壓電脈沖技術(shù)在殺菌消毒領(lǐng)域的應(yīng)用歷史最為悠久，特別是在食品工業(yè)中利用高壓電脈沖對牛奶、飲料、蔬菜等進行滅菌處理，可以較好地保護食品口感，保存生物酶活性[15]。細胞電融合和電轉(zhuǎn)染技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，這類技術(shù)主要是利用可逆電穿孔原理，通過改變細胞膜通透性促進細胞膜發(fā)生融合，或促進外源性物質(zhì)進入細胞[16]。美國Harvard Bioscience公司研制的BTX ECM系列電穿孔儀是當前實驗室較為常用的EP發(fā)生設(shè)備。常見的高壓電脈沖治療系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 常見高壓電脈沖治療系統(tǒng)

ECT是高壓電脈沖技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域最早的嘗試，這項技術(shù)主要是基于細胞膜可逆電穿孔原理，通過升高細胞膜通透性促進需要在胞內(nèi)發(fā)揮作用的細胞毒性藥物（如博來霉素）入胞來殺傷細胞。意大利團隊研發(fā)的Cliniporator系統(tǒng)是較早獲批的ECT治療系統(tǒng)，當前主要應(yīng)用于皮膚原發(fā)或轉(zhuǎn)移腫瘤治療[8]。ECT需要EP和化療藥物聯(lián)合使用發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)，利用IRE效應(yīng)直接實現(xiàn)腫瘤消融的設(shè)想最早由美國UC Berkerly大學(xué)Rubinsky教授提出，該團隊于2007年成功研制首臺高壓電脈沖消融設(shè)備[9]，相關(guān)技術(shù)由AngioDynamics公司技術(shù)轉(zhuǎn)化后于2011年經(jīng)FDA批準上市，目前已在北美、歐洲和亞洲等多個國家和地區(qū)開展臨床研究，主要應(yīng)用于中晚期胰腺癌、前列腺癌、肝癌和腎癌[6]。我國重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院孫才新院士團隊也較早開展相關(guān)技術(shù)研究，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面取得一定成果[17]。2021年以來，已經(jīng)先后有兩款國產(chǎn)EP消融設(shè)備獲得NMPA批準上市。

3 高壓電脈沖技術(shù)在組織消融領(lǐng)域的研究進展

近年來，高壓電脈沖在腫瘤治療領(lǐng)域的臨床研究整體上呈現(xiàn)上升趨勢，國內(nèi)外研究結(jié)果顯示該技術(shù)可以使常規(guī)治療無效的中晚期腫瘤患者在一定程度上獲益。在胰腺癌治療方面，NCCN指南已經(jīng)將IRE列入局部進展期胰腺癌可采用的治療技術(shù)清單。在荷蘭阿姆斯特丹腫瘤中心開展的PANFIRE I/II期臨床研究中發(fā)現(xiàn)，IRE治療后局部進展期胰腺癌患者的中位無事件生存期8個月，中位局部進展時間2個月，IRE治療后中位生存期11個月[18]。IRE治療后的主要潛在并發(fā)癥包括胰腺炎、膿腫、膽管炎、膽管梗阻、腸系膜上動脈狹窄、胃腸反應(yīng)等。在隨后進行的PANFIRE-2 II期臨床研究中發(fā)現(xiàn)，IRE聯(lián)合化療對于局部進展期胰腺癌患者的中位生存期為17個月，同時發(fā)現(xiàn)IRE治療同時是否進行FOLFIRINOX對生存無影響[19]。最近完成PANFIRE-3 I期臨床研究中將IRE與Nivolumab結(jié)合治療局部進展期胰腺癌，同樣獲得了較為理想的治療效果[20]。在原發(fā)性肝癌治療方面，已有研究將IRE用于不可切除的肝細胞癌、肝內(nèi)膽管細胞癌的局部治療中，也有研究將IRE用于肝癌肝移植術(shù)前減瘤等。Sutter等[21]研究發(fā)現(xiàn)，消融術(shù)后6個月無病生存率為87%，12個月無病生存率為70%，主要并發(fā)癥包括術(shù)區(qū)疼痛、氣胸、門脈血栓、肝衰等。該研究證實IRE對于不適用于常規(guī)局部根治性治療方法的原發(fā)性肝癌是安全和有效的。Martin等[22]研究了IRE用于不可切除的肝門部膽管癌，這部分病例由于腫瘤嚴重侵犯周圍門靜脈、肝動脈等結(jié)構(gòu)，失去外科根治性治療機會，同時射頻等熱消融技術(shù)應(yīng)用受限，常規(guī)治療手段有限。經(jīng)IRE治療后患者中位生存期26個月，無進展生存期18個月。術(shù)后主要并發(fā)癥包括膽管梗阻部位消融后狹窄，常規(guī)置入膽道支架解除梗阻。該研究初步證實IRE可以有效控制肝門部膽管癌的進展，在一定程度上延長生存期。針對前列腺癌，來自國內(nèi)外的研究報道均證實，IRE局部治療前列腺癌時具有對泌尿生殖功能低毒性特點，在治療腫瘤時不會對泌尿和生殖功能產(chǎn)生較大影響，對于前列腺癌治療具有重要意義[17,23]。

高壓電脈沖技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域的研究與應(yīng)用使其非熱消融的優(yōu)勢得以充分顯現(xiàn)。近年來，將高壓電脈沖技術(shù)用于心臟和血管內(nèi)消融成為熱點應(yīng)用方向。Reddy等[24]率先開展EP用于心臟腔內(nèi)消融治療惡性心律失常的研究，證實其用于肺靜脈隔離治療的安全性。此后，該團隊進一步研究證實EP對食管、上腔靜脈等周圍熱敏感結(jié)構(gòu)的安全性[25]。美國FARAPULSE公司（已被Boston Scientific收購）是全球較早開展高壓電脈沖技術(shù)在電生理治療領(lǐng)域的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的公司之一，并將該技術(shù)命名為脈沖場消融技術(shù)（Pulsed Fields Ablation, PFA），其研制的FARASTAR系統(tǒng)已獲得FDA批準上市[7,26]。除此之外，全球已有10余種來自不同廠家的心臟EP消融系統(tǒng)獲批上市開展臨床研究。高壓電脈沖技術(shù)未來發(fā)展趨勢如圖2所示。

圖2 高壓電脈沖技術(shù)未來發(fā)展趨勢

4 高壓電脈沖技術(shù)未來發(fā)展趨勢

結(jié)合臨床需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，我們認為高壓電脈沖技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域仍具有進一步應(yīng)用的潛力，其未來發(fā)展應(yīng)當聚焦于以下四個方面。

4.1 腫瘤消融設(shè)備

在電力電子技術(shù)、脈沖功率技術(shù)和先進控制技術(shù)等發(fā)展下，提升生物醫(yī)用脈沖發(fā)生設(shè)備和關(guān)鍵核心部件的安全性、穩(wěn)定性，特別是通過優(yōu)化脈沖控制技術(shù)和策略，提升脈沖輸出的質(zhì)量水平，通過心電同步等手段減少對機體電生理活動和骨骼肌的不良影響，消除醫(yī)生和患者“因電生畏”的心理，對于該技術(shù)的進一步臨床推廣和應(yīng)用具有重要意義[24]。此外，當前成熟的消融設(shè)備主要基于微秒脈沖原理，納秒脈沖所需的閾值電場強度要遠高于微秒脈沖，對于消融設(shè)備輸出脈沖的電壓幅值要求較高，增加了設(shè)備的技術(shù)難度和安全性要求，特別是滿足醫(yī)用設(shè)備在電磁兼容、電氣安全等方面的要求，還需要開展進一步的理論研究和技術(shù)攻關(guān)。

4.2 消融電極

人體組織富有彈性，楊氏模量遠低于金屬，消融電極由傳統(tǒng)的剛性器件向柔性器件轉(zhuǎn)變是未來的發(fā)展方向。特別是將針刺式電極向?qū)Ч芑姌O轉(zhuǎn)變，由微創(chuàng)向無創(chuàng)轉(zhuǎn)變，電極本身由單一功能向復(fù)合功能轉(zhuǎn)變，進一步提升消融電極的功能性，實現(xiàn)診療一體，準確判斷消融程度和范圍，減少因使用電極對人體帶來的額外損傷，是充分發(fā)揮消融技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵[27-28]。

4.3 治療規(guī)劃

基于高壓電脈沖技術(shù)電場依賴的特點，可以將其與智慧醫(yī)療技術(shù)、人工智能、多模圖像融合導(dǎo)航等技術(shù)相結(jié)合，進一步提升治療的精準性、安全性和有效性。通過降低脈沖參數(shù)設(shè)置和治療范圍規(guī)劃的難度，使臨床醫(yī)生和輔助人員更容易學(xué)習(xí)和接受這項技術(shù)。此外，當前高壓電脈沖用于細胞膜電穿孔或組織消融所需要的數(shù)學(xué)和物理模型研究還存在一些局限，特別是不同類型組織、不同類型細胞在EP作用下發(fā)生電損傷的規(guī)律和機制仍不完全明確，在缺少實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上數(shù)值仿真模擬與真實數(shù)據(jù)會存在較大差異，這方面需要多學(xué)科交叉研究進一步解決[14,29-30]。

4.4 適用范圍

由當前主要應(yīng)用的實體腫塊型腫瘤向腔道內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)變，特別是IRE非熱消融的優(yōu)勢對于管腔內(nèi)腫瘤更具應(yīng)用價值。通過高壓電脈沖消融技術(shù)與新型醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，包括內(nèi)鏡技術(shù)、經(jīng)自然腔道手術(shù)技術(shù)、介入技術(shù)、新型手術(shù)機器人技術(shù)等，可以進一步發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢[31]。國內(nèi)外若干研究機構(gòu)已經(jīng)在這些方向開展了初步探索，愛爾蘭Cork大學(xué)Forde等[32]提出了適用于內(nèi)鏡下ECT治療結(jié)直腸癌的消融電極方案。美國紀念斯隆凱瑟琳癌癥中心Srimathveeravalli教授團隊提出針對支氣管腫瘤的網(wǎng)籃狀電極方案，以及適用于十二指腸鏡下導(dǎo)管化膽道消融電極方案[33-34]。西安交通大學(xué)外科夢工場呂毅教授團隊率先提出適用于消化道黏膜消融的內(nèi)窺鏡下磁錨定導(dǎo)管電極方案[35-36]。但是，上述研究目前仍較多處于實驗室研究階段，尚未有較成熟的內(nèi)鏡下消融電極導(dǎo)管進入臨床研究。此外，美國Gala Therapeutic公司設(shè)計了適用于支氣管鏡下的網(wǎng)狀電極，將高壓電脈沖技術(shù)用于慢性阻塞性肺部疾病治療，且療效顯著。

5 總結(jié)與展望

新型高端數(shù)字診療裝備是推動健康中國戰(zhàn)略的重要引擎，是我國“十四五”規(guī)劃的重點發(fā)展方向。集中優(yōu)勢資源進一步推動“醫(yī)產(chǎn)學(xué)研用”創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，充分發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，加強技術(shù)源頭創(chuàng)新，集中解決設(shè)備關(guān)鍵核心技術(shù)問題，實現(xiàn)“卡脖子”技術(shù)重大突破，推動國產(chǎn)高端醫(yī)療器械發(fā)展與應(yīng)用，對于國家安全和國民經(jīng)濟建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。“十四五”規(guī)劃綱要中明確指出，要集中優(yōu)勢攻關(guān)醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。我國在高壓電脈沖技術(shù)領(lǐng)域和核心關(guān)鍵技術(shù)方面已有較多積累，將該技術(shù)由國防軍事和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域向醫(yī)療裝備領(lǐng)域轉(zhuǎn)化，同時結(jié)合前沿醫(yī)學(xué)技術(shù)和治療手段，充分提升國產(chǎn)高端診療裝備的數(shù)字化、智能化和集成化水平，可以進一步完善國家醫(yī)療裝備工業(yè)體系，為健康中國戰(zhàn)略提供更為有力的科技支撐。