陡脈沖不可逆電穿孔技術(shù)(納米刀)發(fā)展歷史回顧

田錦林，肖越勇

(1.廈門市第三醫(yī)院介入科，福建 廈門 361100；2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射診斷科，北京 100039)

早在2800多年前，古希臘人發(fā)現(xiàn)隨身佩戴的琥珀經(jīng)摩擦后可吸附羽毛或木屑，并將此現(xiàn)象稱為“amber(琥珀)現(xiàn)象”?！半?electricity)”一詞直到2 000多年后的20世紀(jì)初方才出現(xiàn)，此時(shí)原子結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電的起源和原理也有了比較準(zhǔn)確的書面定義。電是電子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，為自然界4種基本相互作用(萬有引力、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用及弱相互作用)之一。細(xì)胞電穿孔現(xiàn)象是電對(duì)生物作用領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。不可逆電穿孔(irreversible electroporation， IRE)技術(shù)亦稱納米刀，是消融腫瘤的新模式，本文對(duì)其發(fā)展歷史進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

1 納米刀問世前

1.1 電穿孔技術(shù)發(fā)展第一階段(18世紀(jì)至20世紀(jì)初)：初步認(rèn)識(shí)電穿孔現(xiàn)象 1754年，法國(guó)物理學(xué)家、牧師NOLLET發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)中向人或動(dòng)物的皮膚施加電火花，將會(huì)使局部產(chǎn)生一個(gè)紅點(diǎn)，即NOLLET紅點(diǎn)，并建議以IRE來加以定義[1]。1777年，德國(guó)物理學(xué)家LICHTENBERG以高壓粒子加速器作用于玻璃而引出閃電，形成的美麗圖案被稱為“LICHTENBERG圖案”[1]；人遇到雷電擊傷而未死亡時(shí)，皮膚上會(huì)留有富有特征性的利希滕貝格圖案，并在其后數(shù)天內(nèi)消退。LICHTENBERG圖案與NOLLET紅點(diǎn)具有相同的發(fā)生機(jī)制，均為皮膚被電擊穿導(dǎo)致毛細(xì)血管通透性增加、使血液中的紅細(xì)胞漏出血管進(jìn)入皮膚淺層所致。1898年，有研究者發(fā)現(xiàn)多次以高電壓放電能夠殺滅水中的細(xì)菌，其所用電脈沖僅持續(xù)數(shù)分鐘，而在這一過程中水溫并未升高，故認(rèn)為殺菌作用機(jī)制極有可能是IRE[1]。1913年，有研究[1]認(rèn)為，電熱效應(yīng)導(dǎo)致的燒傷是工業(yè)電擊事故最常見的致死原因，但并非雷電擊傷的主要致死原因。上述這些研究使人們初步認(rèn)識(shí)到電穿孔現(xiàn)象。

1.2 電穿孔技術(shù)發(fā)展第二階段(20世紀(jì)中葉至21世紀(jì)初)：電穿孔機(jī)制探索及應(yīng)用 在此階段的早期20年(1951年—1970年)間，細(xì)胞電穿孔機(jī)制研究主要關(guān)于IRE，但此時(shí)尚未掌握可逆性電穿孔(reversible electroporation, RE)的發(fā)生條件，不能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞電穿孔后恢復(fù)，電穿孔發(fā)生程度和范圍尚不可控。在食品加工領(lǐng)域，IRE被稱為“脈沖電場(chǎng)處理”或細(xì)胞質(zhì)電溶解，用于提取液體中內(nèi)容物或殺滅液體中的細(xì)菌。這一階段形成的共識(shí)包括：①電場(chǎng)具有殺菌作用；②高場(chǎng)直流電脈沖能殺滅細(xì)菌而不產(chǎn)生熱效應(yīng)；③與殺菌有關(guān)的參數(shù)包括電場(chǎng)強(qiáng)度和外加電場(chǎng)作用時(shí)間，前者是完全殺滅細(xì)菌的最關(guān)鍵因素；④電脈沖可致細(xì)胞膜不可逆性擊穿，改變細(xì)胞膜的通透性，從而導(dǎo)致非致熱性細(xì)胞溶解。

在1971—1990年這20年間，RE技術(shù)取得重要進(jìn)展，其發(fā)生機(jī)制被闡明，使之成為生物科技及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用技術(shù)之一。1982年，細(xì)胞融合技術(shù)及細(xì)胞內(nèi)基因?qū)爰夹g(shù)的出現(xiàn)，將RE技術(shù)推向生物科技及醫(yī)學(xué)發(fā)展前沿。OKINO等提出RE可用于腫瘤電化療(electrochemotherapy)。1984年P(guān)OTTER應(yīng)用電穿孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)染。NEUMANN于1989年編寫了專著《電穿孔技術(shù)和電融合技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用》，標(biāo)志著細(xì)胞RE機(jī)制已經(jīng)明確。從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)，RE已被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)及分子生物學(xué)領(lǐng)域，如活體組織DNA質(zhì)粒導(dǎo)入、活體細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移等，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論更加成熟；同時(shí)，對(duì)于IRE的作用機(jī)制有了更明確的認(rèn)識(shí)，即電穿孔導(dǎo)致細(xì)胞膜過度通透或超范圍通透可破壞細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡，導(dǎo)致細(xì)胞死亡和/或凋亡[1]。

1997年，SCHOENBACH等首次報(bào)道了極高電壓脈沖、納秒級(jí)脈沖電場(chǎng)(nanosecond pulsed electric field, nsPEF)超短脈沖可致細(xì)胞內(nèi)膜穿孔(如線粒體膜)[1]。此后電腦模型及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，nsPEF可使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穿孔，并稱這種現(xiàn)象為超電穿孔。在高電場(chǎng)下采用nsPEF可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，具有抑制腫瘤生長(zhǎng)作用[1]。上述研究進(jìn)一步明確了IRE機(jī)制，為后續(xù)將其用于腫瘤消融奠定了基礎(chǔ)。

2 納米刀問世后

2.1 IRE問世及臨床前期研究 2004年，YAO等[2]受到nsPEF系列研究結(jié)果的啟發(fā)，應(yīng)用一種特殊脈沖，即陡脈沖電場(chǎng)(steep pulsed electric field， SPEF)來殺滅腫瘤細(xì)胞，以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)抑制腫瘤：通過1個(gè)電容放電獲得由1個(gè)快速上升(上升時(shí)間200 ns)支和隨后1個(gè)緩慢的呈指數(shù)下降(約200 μs)支組成的SPEF脈沖，以高頻脈沖的上升坡度所造成的細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)破壞及低頻脈沖下降坡度所導(dǎo)致的細(xì)胞外膜結(jié)構(gòu)破壞相結(jié)合，達(dá)到同時(shí)破壞細(xì)胞核、細(xì)胞器及細(xì)胞膜的效果。2005年，DAVALOS等[3]就IRE用于組織消融申請(qǐng)了美國(guó)發(fā)明專利，此舉標(biāo)志著IRE技術(shù)即將應(yīng)用于腫瘤消融。

針對(duì)IRE用于消融腫瘤進(jìn)行了大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。2007年，RUBINSKY等[4]發(fā)現(xiàn)以IRE消融豬的肝臟后，消融區(qū)肝細(xì)胞出現(xiàn)核固縮及空泡變性，而大血管結(jié)構(gòu)保持完整。2008年，MAOR等[5]對(duì)大鼠頸動(dòng)脈進(jìn)行IRE消融，消融后血管結(jié)締組織基質(zhì)保持完整，血管平滑肌細(xì)胞數(shù)量明顯減少，提示IRE可安全用于消融鄰近大血管的病灶及血管平滑肌異常增殖性病變(如血管再狹窄及動(dòng)脈粥樣硬化)。2007年，ONIK等[6]對(duì)犬前列腺腫瘤進(jìn)行IRE消融，效果較好且未損傷鄰近尿道、血管、神經(jīng)和直腸等組織，表明其安全性較高。

2008年，第一臺(tái)獲準(zhǔn)用于消融軟組織的IRE治療儀在美國(guó)問世，商品名：納米刀(NanoKnifeTM)。該設(shè)備由一臺(tái)高壓脈沖發(fā)生儀及若干單一用途的一次性電極針組成，開啟了IRE腫瘤消融領(lǐng)域，是IRE發(fā)展史上的里程碑。此后相繼展開IRE用于人體離體實(shí)驗(yàn)、免疫相關(guān)及麻醉配合等方面的研究，為IRE用于臨床提供了基礎(chǔ)。RUBINSKY等[7]將IRE用于體外消融前列腺癌，發(fā)現(xiàn)IRE消融對(duì)前列腺癌組織的殺滅作用較徹底。TEKLE等[8]發(fā)現(xiàn)IRE可致細(xì)胞膜磷脂酰絲氨酸外露，使吞噬細(xì)胞將其吞噬而加以清除。上述研究證實(shí)，IRE不損傷富含結(jié)締組織骨架的結(jié)構(gòu)如血管、膽管、輸尿管及神經(jīng)等，或雖損傷但易于修復(fù)，為IRE用于臨床打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但是，IRE消融仍存在一定安全隱患。BALL等[9]以IRE消融21例患者的惡性腫瘤，發(fā)現(xiàn)患者上半身肌肉在放電過程中發(fā)生廣泛收縮，需應(yīng)用神經(jīng)肌肉阻滯劑，部分患者出現(xiàn)自限性室性心律失常，術(shù)中需應(yīng)用心電同步門控技術(shù)。

2.2 納米刀在美國(guó)獲批應(yīng)用于臨床及國(guó)外臨床應(yīng)用進(jìn)展 2011年10月24日，IRE獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)510(K)認(rèn)證，批準(zhǔn)用于軟組織消融，成為其發(fā)展史上又一里程碑。

大量IRE消融腫瘤的臨床回顧性、前瞻性研究相應(yīng)展開，初步驗(yàn)證了該技術(shù)的安全性和有效性。THOMSON等[10]進(jìn)行的單中心、前瞻性、非隨機(jī)陣列研究納入了38例晚期肝癌、腎癌及肺癌患者共69個(gè)病灶，結(jié)果顯示IRE消融效果好且并發(fā)癥少。隨后數(shù)年數(shù)項(xiàng)臨床研究[11-15]將IRE用于消融其他臟器腫瘤，均獲得良好治療效果。同時(shí)，多項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[16-17]進(jìn)一步驗(yàn)證了IRE的安全性和有效性。

2.3 國(guó)內(nèi)引進(jìn)納米刀及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化 國(guó)內(nèi)關(guān)于陡脈沖對(duì)細(xì)胞IRE方面的基礎(chǔ)研究[18]報(bào)道始于2004年。2014年，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心、廣州復(fù)大腫瘤醫(yī)院等進(jìn)行的IRE治療腫瘤的前期基礎(chǔ)研究及臨床研究，為納米刀在國(guó)內(nèi)獲批臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局(原國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局)于2015年6月18日批準(zhǔn)將IRE治療儀用于臨床，適用范圍主要為肝腫瘤和胰腺腫瘤，標(biāo)志著IRE消融技術(shù)已正式進(jìn)入我國(guó)。

國(guó)內(nèi)引進(jìn)IER技術(shù)后，首先進(jìn)行了大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[19-24]，進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性和有效性；隨后開展的初期臨床主要針對(duì)胰腺及肝腫瘤，消融途徑包括開腹、腹腔鏡下消融及CT引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺消融。針對(duì)肝臟的初步IRE臨床研究結(jié)果顯示，對(duì)于靠近大血管、膽囊等重要結(jié)構(gòu)的肝腫瘤，IRE消融安全、短期療效好，值得臨床推廣；而對(duì)于進(jìn)展期胰腺癌，IRE消融中及消融后均未出現(xiàn)治療相關(guān)膽漏、大出血、深靜脈血栓或胰漏等嚴(yán)重并發(fā)癥[25-26]，偶見嚴(yán)重心律不齊，術(shù)中麻醉醫(yī)師可予處理，總體風(fēng)險(xiǎn)可控。另一方面，IRE消融費(fèi)用昂貴，限制了其在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，納米刀設(shè)備國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫！

2021年7月5日，我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的IRE設(shè)備在國(guó)內(nèi)獲批上市，標(biāo)志著我國(guó)IRE技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的出現(xiàn)，必將打破目前國(guó)外同類產(chǎn)品的壟斷地位，大幅降低成本，利于IRE消融技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用，為廣大腫瘤患者帶來新的治療選擇和希望，并由此進(jìn)一步加快IRE設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程[27-30]，促進(jìn)IRE消融技術(shù)在我國(guó)蓬勃發(fā)展，使更多患者受益。