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不可逆性電穿孔

不可逆性電穿孔（英語：irreversible electroporation，縮寫：IRE）是透過極其短但強力的電場使得細胞膜上產生永久奈米孔的一種組織消融技術，透過擾動細胞穩態以讓細胞死亡。這種手段導致細胞凋亡而不是其他基於熱融、輻射的消融技術造成的細胞壞死。不可逆性電穿孔技術的主要用途是在需要維護重要細胞外基質、血流、神經的部位進行腫瘤消融。這個技術目前正在臨床試驗而還沒有大規模的批准使用。

歷史

電穿孔現象最早在 1898 年被觀測到[1]。諾萊特也於 1754 年在接觸過電火花的動物、人類的皮膚上看到紅斑並做了系統性的記錄[2]。然而，電穿孔現象在現代醫學的應用從諾伊曼與同僚在 1982 年的重要工作才開始[3]，諾伊曼用電場脈衝暫時性地穿透細胞膜讓外源 DNA 進入細胞。在次後來的十年間，高伏特電場脈衝與化療藥物博來黴素或 DNA 的結合產生了新穎的臨床應用：電脈衝化療與基因電轉移[4][5][6][7][8]。

在上述過程中，不可逆性電穿孔通常是不合預期的狀況。2005 年，黛沃洛斯等人首次提出將不可逆性電穿孔作為直接治療方法的概念[9]。

機制

更多資訊：電穿孔物理機制

極短但強的電場脈衝可以在細胞膜的磷脂雙分子層上產生奈米量級的小孔，這對細胞產生兩種可能的傷害：

  1. 可逆性電穿孔（英語：rreversible electroporation，縮寫：RE）：產生可以輸送分子的暫時性奈米孔通道，但是當電脈衝停止的時候，通道關閉且細胞存活。醫學上的應用為局部導入細胞內才有作用的細胞毒素（電脈衝化療）。
  2. 不可逆性電穿孔：在電穿孔對細胞膜的傷害大到一定程度之後，細胞內物質泄漏過度嚴重或是細胞膜關閉過度緩慢，對細胞造成不可逆的傷害。細胞因此自然凋亡，而不是其他消融系統透過熱能或是輻射造成的壞死。

儘管一般認為不可逆性電穿孔造成細胞凋亡，一些研究發現不可逆性電穿孔造成細胞死亡的方式不純粹是細胞凋亡，也就是，不可逆性電穿孔造成細胞死亡的明確過程尚未完全清晰[10]。

科學家尚未了解不可逆性電穿孔的機制機制，目前的理論為下[11]：

當超過 0.5 V/nm 的電場[12]被加在靜止跨膜電位上的時候，水在這種細胞膜的介電質被抵消的情況下進入細胞，並產生親水的孔[13][14]。塔里克[15]透過分子動力學模擬發現奈米孔的形成過程為以下兩個步驟[11]：

  1. 在加上電場之後，水分子排列成一排並穿透磷脂雙分子層的疏水中心。
  2. 這些水通道繼續擴大長度與半徑，最後擴張成充滿水的小孔，這時候這些小孔會被叢膜-水接面移動到雙分子層中心的磷脂分子的頭部穩定。

當外加的電場增加，對於磷脂分子頭部的擾動更大，產生更多充滿水的小孔[16]。整個過程在數納秒內發生[15]。奈米孔的大小可能與細胞類型相關，科學家透過電子顯微鏡在豬的肝細胞看到的奈米孔平均是 340-360 奈米[11]。

可能的優點與缺點

  1. 組織專一性 — 在治療範圍中維護重要結構的能力。不可逆性電穿孔可以在進行消融間維持所有重要肝臟組織，包括肝動脈、肝靜脈、肝門靜脈、肝間膽管的結構：在此療法中細胞死亡透過凋亡發生。主要成分是蛋白質的結構包括血管彈性、膠原結構，以及細胞周圍的基質蛋白不會受電流影響：維持生存的重要、骨架結構（如大型血液管道、尿道、肝間膽管）不會受到此療法影響[17]。另外，神經纖維周圍的絕緣髓磷脂層可以保護神經束，使其在某種程度上不會受到不可逆性電穿孔的影響。科學家尚不完全清楚神經不受不可逆性電穿孔療法的程度，也不完全清楚神經在此療法後的再生能力[18]。
  2. 清晰的消融範圍邊界 — 可逆性電穿孔的範圍與不可逆性電穿孔的範圍之間的過渡範圍僅有幾層細胞的寬度。相較起來，傳統的輻射、熱能消融技術並沒有這種過渡範圍。除此之外，此療法療法沒有會造成很多治療失敗的散熱效應，使得治療的範圍更能被預測。更進一步的，透過多個電極可以讓治療範圍變得更具複雜、可控[19]。
  3. 沒有過熱導致的細胞壞死 — 一瞬間的脈衝的避免對組織加熱。因此，細胞壞死在不可逆性電穿孔療法的設計上是不存在的（除了非常靠近電極針的部位之外），此療法沒有細胞壞死導致的短、長期後作用[20][21]。
  4. 療程短 — 典型對療程在五分鐘內可以完成。不算上擺置電極的時間。
  5. 實時監控 — 治療範圍可以透過超聲、MRI 或是 CT 可視化[19]。

當前不可逆性電穿孔療法的技術限制包括：

  1. 強勁的肌肉收縮 — 不可逆性電穿孔療法產生的強電場由於對神經肌肉接點直接刺激，造成強勁的肌肉收縮，患者需要特殊的全身麻痹[22]。
  2. 目標腫瘤不完全的消融。對細胞進行不可逆性電穿孔的電場門檻原來認為約為 600 V/cm 的 8 個脈衝，每個脈衝 100 μs 長，頻率 10Hz[23]。然而覃等人發現就算在 1,300 V/cm 下釋放 99 個脈衝後，在消融範圍內仍有可見的腫瘤細胞塊[24]。這代表腫瘤組織比起健康的功能細胞組織可能對不可逆性電穿孔有不同的反應：不可逆性電穿孔療法造成細胞膜穿孔與細胞凋亡，而腫瘤細胞對凋亡通路具有抵抗性。也就是不可逆性電穿孔療法可能需要更高的電場門檻。
  3. 局部環境 — 不可逆性電穿孔療法需要的電場會被局部環境的導電性劇烈影響：金屬（例如膽道）的存在會造成能量釋放的擾動。有些器官，如腎臟周圍尿液小量的導電性，也會被這種不規律的能量波動影響[25]。

手術中的使用

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在手術中，醫生將若干個長針狀電極放在目標區域的周圍，電極穿刺的點透過組織、器官幾何狀況決定。透過超聲波、核磁共振或全相術的影像決定電極的位置是必須的。之後針與不可逆性電穿孔設備連接，後者產生兩個電極的電位差。手術的範圍的幾何狀況透過實時計算，醫生可以進行調整。消融在 1 到 10 分鐘間完成，長短取決於手術範圍與電極的數量。病人會事先施打肌肉鬆弛劑，因為就算在一般的全身麻醉下，對神經肌肉接點造成的刺激還是會觸發強烈的肌肉收縮。

典型的參數：

  • 一個療程的脈衝數量：90。
  • 脈衝長度：100 μs。
  • 脈衝間歇：100 至 1000 ms。
  • 電場強度：1500 V/cm。
  • 電流：約 50 A（與組織種類與幾何形狀相關）。
  • 兩個電極的最大消融容積：4 × 3 × 2 cm³

強勁的電場脈衝脈衝透過無菌的可棄細長電極釋放。醫生事先規劃手術的範圍，並透過電腦計算 電極間該有的位能差，電極的電位差也由系統啟動、控制。

AngioDynamics 製造的 NanoKnife 系統是實現不可逆性電穿孔療程的一個設備，這個設備在 2011 年 10 月 24 號通過 FDA 510k [26]。NanoKnife 系統也得到美國試驗用醫療器械豁免，AngioDynamics 也得到使用這個設備進行臨床試驗的許可[26]。2011 年，FDA 對 AngioDynamics 宣傳設備尚未被批准的適應症給予警告[27]。

2013 年，英國國家衛生與臨床優化研究所發出聲明指出，不可逆性電穿孔療法對於各種癌症的安全與功效尚未被證實[28]。

應用範圍

腎臟

雖然保留腎單位手術是小型惡性腎腫瘤的金標準療法，消融療法對於無法進行手術的患者來說是一種可能的選項。 雖然射頻消融與冷消融手術已有十年的歷史，對於 3 公分以上的腫瘤，這些手術的療效有限。新的消融療法如不可逆性電穿孔療法、微波消融、高強度超聲療法等等有機會克服腫瘤大小造成的治療困難[29] 。

雖然對人類治療的一些早期研究已證實了不可逆性電穿孔療法消融腎腫瘤的安全性，此療法的有效性還未透過組織病理學的檢驗方法確定。瓦格斯塔夫等人正在進行一項不可逆性電穿孔療的安全性與有效性的研究，並透過磁共振成像與超聲造影成像評估消融的療效。根據研究的前瞻性實驗設計，不可逆性電穿孔治療後還會對患者進行根治性腎切除術以評估此療法的成效[30]。

肝臟

雖然熱消融對於治療肝腫瘤非常有效，很多腫瘤由於與主血管、膽管相鄰，使得熱消融處理相當危險[31]。

在一個單中心、前瞻性的非隨機隊列研究中，研究人員透過 25 個患者評估了不可逆性電穿孔療法的安全性。研究發現腫瘤對於不可逆性電穿孔療法的緩解率是 50%，但是對於任何一邊大於 5 公分的腫瘤沒有任何效果。使用這種療法的患者沒有發現肝臟損傷的情形[32]。在其他研究中也觀察到了不可逆性電穿孔療法無法完全消融大型腫瘤的情形[33]。

胰腺

雖然早於 1999 年開始已有胰腺癌經皮熱消融療法的記錄，後續的系統綜述分析認為射頻消融有過高的併發概率且對於存活率沒有明顯的提升[34][35]。不可逆性電穿孔療法帶來的非熱細胞死亡機制與研究人員對模式動物進行此療法安全、可行性研究讓這種療法成為一個更合理選項 [36]。

馬丁等人觀察了 54 個非轉移性胰臟腺癌患者的總存活情形，將不可逆性電穿孔療法隊列與標準療法治療的三期患者進行比較，發現經不可逆性電穿孔療法治療的患者有統計顯著的無局部進展存活、無遠處進展存活、總存活上的進步[37]。

肺

里克等人在一個前瞻性多中心單臂 2 期臨床試驗中評估了對肺癌進行不可逆性電穿孔治療的安全性與療效，患者患有原發性或繼發性肺腫瘤但是肺功能正常。此試驗在中期分析的時候發現不可逆性電穿孔療法的療效沒有達到預期，試驗也因此提早中斷。併發症包括氣胸（23 個患者中的 11 個）與未嚴重至咳血的肺泡出血，針道轉移有 3 例（13%）。其中 23 位患者中 14 位出現腫瘤進展（61%）、腫瘤穩定 1 位（4%）、部分緩解 1 位（4%）、完全緩解 7 位（30%）。文章的結論是不可逆性電穿孔療法對於肺腫瘤的滯留療效不夠[38]。在其他研究中也出現類似的壞結果[32][39]。

不可逆性電穿孔療法對肺的治療最大的瓶頸是放置電極的困難度：肋骨的存在對探針平行對齊的要求產生不小的挑戰。另外，腫瘤、肺功能組織、空氣導電性的不同使得計劃中的消融區域與實際上的消融區域有很大的差異[40]。

前列腺

用不可逆性電穿孔治療前列腺癌的想法最早由蓋瑞·奧尼科與鮑里斯·魯賓斯基於 2007 年提出[41]。前列腺瘤通常位於會被高溫療法或是放射線療法永久傷害的敏感部位，然而一般手術方法常受精度與價格限制。況且，一般手術有較長的痊癒時間，發生副作用的幾率也較大[42]。透過不可逆性電穿孔技術，手術範圍可以包含尿道、膀胱、直腸、神經纖維而不會產生（永久的）傷害。這讓不可逆性電穿孔療法作為一個局部療法與全腺療法比其他既有方法有明顯的優勢。雖然不可逆性電穿孔療法已成功施行了超過三年，由於尚未有多中心、長期追蹤研究，學界還是將其當成一鍾臨床試驗階段的療法。

奧尼科與魯賓斯於 2010 年發表了第一次的研究，包含 16 位病人（Gleason 分級 6 到 8）[43]。更廣為人知的試驗是德國的斯特林進行的[44]。在英國，迪克森等人對 Gleason 分級 6 與 7 的病人進行不可逆性電穿孔療法並報告了其安全性與低毒性[45]。

冠狀動脈

帽兒等人在小鼠模型上證實了不可逆性電穿孔療法作為一種大型血管壁中平滑肌細胞的消融手段是安全有效的[46]。因此，專家建議將不可逆性電穿孔作為經皮冠狀動脈介入治療後預防動脈再狹窄的一種預防療法。

肺靜脈

幾個動物實驗證實了不可逆性電穿孔療法在心房顫動治療中作為對肺靜脈的一種非熱消融手段是安全有效的。不可逆性電穿孔療法相較於射頻消融與冷消融的優勢為：清楚的消融範圍，不具有周圍因為熱量產生的傷害。因此，專家建議將不可逆性電穿孔 作為心房顫動新療法的一部分[47]。

其他器官

專家也在研究不可逆性電穿孔治療對葡萄膜黑色素瘤[48]與甲狀腺癌[49]的情況。

專家透過動物腫瘤模型成功了消融腦癌[50][51]、皮膚癌[52][53]、骨癌[54][55]、 頭頸癌[56]。

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