納米刀(Nanoknife)腫瘤消融治療的臨床應(yīng)用與展望課件

1、納米刀（Nanoknife）腫瘤消融治療的臨床應(yīng)用與展望影像學(xué)引導(dǎo)下的物理消融術(shù)主要是通過物理的方法對腫瘤實施極端冷或熱的溫度來破壞腫瘤細胞，目前臨床廣泛應(yīng)用的物理消融技術(shù)包括氬氦刀冷凍消融，射頻、微波和激光熱消融等。這些消融技術(shù)盡管療效確切、優(yōu)點突出，但其主要缺點是對組織的破壞是無選擇性的，即在消融區(qū)內(nèi)除腫瘤組織外，正常的組織器官如血管、神經(jīng)、膽管、胰管等均受到完全破壞，此種缺點是導(dǎo)致消融術(shù)后并發(fā)癥的主要原因。背景將高壓電場以微秒和毫秒脈沖的形式作用在細胞膜的磷脂雙分子層上，產(chǎn)生不穩(wěn)定的電勢，并在細胞膜上造成2種形式的納米級孔隙：可逆電穿孔(Reversible electroporatio

2、n, RE) ：一定程度的納米級孔隙損傷，細胞可完全修復(fù)和生存。即所謂的可逆電穿孔，如細胞內(nèi)細胞毒性藥物引進，博來霉素。納米刀也稱為不可逆電穿孔(irreversible electroporation, IRE) ：通過電穿孔產(chǎn)生不可逆地細胞膜破壞，導(dǎo)致細胞凋亡。當(dāng)超過0.5 V /納米的電場被施加到靜息跨膜電勢，初期水分子排隊魚貫式通過穿透雙層類脂膜的疏水性中心，進入細胞，后期，隨著通道長度和直徑的擴大延伸至親水基團，水分子大量快速進入細胞。機理單細胞電穿孔誘發(fā)部位的電場分布：最大跨膜電位位于細胞兩極，最小位于赤道。外部電場的單細胞電穿孔：最大孔與最小孔形成取決于不同方位的磁場強度。脈沖消

3、失后，細胞膜重新封閉和生物分子進入單細胞。電場在細胞膜的特定區(qū)域（納米尺度區(qū)域）施加產(chǎn)生局部單細胞膜電穿孔，允許生物分子從外面?zhèn)魉偷絾蝹€細胞的內(nèi)部。兩個微電極之間的單細胞膜電穿孔：a.局部電穿孔過程； b.多個微電極數(shù)量的局部電穿孔過程；液滴的微流體電穿孔技術(shù)示意圖; 通過（藻細胞的過程）聚二甲基硅氧烷（PDMS）微電極（鋸齒）聚焦胞內(nèi)物質(zhì)的電穿孔后細胞裂解示意圖機理消融探針釋放微秒級高壓脈沖破壞腫瘤細胞膜形成納米級不可逆電穿孔腫瘤細胞快速凋亡吞噬細胞消除細胞碎片治療區(qū)域恢復(fù)正常優(yōu)勢1.組織選擇性： IRE的細胞死亡是通過凋亡介導(dǎo)的。血管結(jié)構(gòu)（由彈性纖維和膠原組成）、周圍神經(jīng)髓鞘層經(jīng)纖維與周圍

4、細胞外基質(zhì)蛋白不受電流影響。因此治療區(qū)域的重要結(jié)構(gòu)，如動脈，靜脈，周圍神經(jīng)，尿道或肝內(nèi)膽管）不會受到擊穿。2.無熱導(dǎo)效應(yīng)，邊緣銳利：以數(shù)十個微秒或毫秒脈沖形式擊穿細胞膜消融時間與常規(guī)物理消融術(shù)相比大大縮短防止了組織的焦耳加熱?？赡骐姶┛讌^(qū)域和不可逆電穿孔區(qū)域之間的過渡地帶僅幾個細胞層。射頻消融和微波消融常常會出現(xiàn)滅活的“灰色地帶（grey-zone）”，滅活區(qū)域的最外緣還有一些存活的細胞，“灰色地帶”的存在可能是腫瘤細胞不完全滅活的一個原因，可以造成腫瘤殘留或復(fù)發(fā)，而IRE不產(chǎn)生“灰色地帶”。 優(yōu)勢納米刀治療后的組織優(yōu)勢3.治療區(qū)域可恢復(fù)正常功能：IRE無與壞死相關(guān)的短期和長期副作用。傳統(tǒng)的消

5、融模式是溫度讓組織發(fā)生蛋白質(zhì)變性，繼而出現(xiàn)凝固性壞死，壞死后整個消融區(qū)里的組織結(jié)構(gòu)便不復(fù)存在。然后剩下對臟器有毒性的壞死組織，無法再恢復(fù)正常功能。相反，納米刀則是誘導(dǎo)腫瘤細胞出現(xiàn)凋亡。凋亡的優(yōu)點之一就是它能夠利用免疫來促進細胞死亡，人體將把細胞凋亡識別為正常的細胞死亡過程，然后通過細胞吞噬作用將凋亡組織清除掉，促進正常組織的再生與修復(fù)。 治療后第1天治療后第3天治療后第7天治療后第14天4.治療時間短：典型的治療時間不超過5分鐘。對于直徑約 3cm大小的實體腫瘤，經(jīng)典的IRE是使用 90個 100s的脈沖治療。單次IRE滅活時間少于 1 分鐘，即使是采用 3 到 4 次的重復(fù)滅活，總的IRE治

6、療時間也不超過 5分鐘。這歸功于利用極端高速的電場造成了細胞死亡。而熱消融需要相應(yīng)的溫度，是由于機械能使離子摩擦或持續(xù)的冷凍和融化組織產(chǎn)生，這種技術(shù)實際上延長了滅活的時間（大約在 15 到 60分鐘）。 優(yōu)勢5.實時監(jiān)測：治療可由超聲、CT實時監(jiān)測。 其他消融技術(shù)的穿刺金屬針在CT影像上偽影大，消融后的組織呈等密度，不易觀察消融范圍，而納米刀采用的射頻針細?。?9G電極針），金屬偽影相對較弱，納米刀消融區(qū)呈低密度，CT圖像上可較好的顯示并控制消融范圍。治療前治療中目前的技術(shù)限制1.強烈的肌肉收縮，由于神經(jīng)肌肉接頭的直接刺激。消融所需要的時間在1至5分鐘。需要服用肌肉松弛劑，因為即使全麻，強肌肉

7、收縮仍可由運動終板的激勵引起。2.規(guī)劃與執(zhí)行IRE治療在非均勻組織（如肺）治療區(qū)域，相對介電常數(shù)的跳躍。3.治療心臟周邊的病變，可能出現(xiàn)心率失常。納米刀系統(tǒng)組成及應(yīng)用主要由發(fā)生器和同步器兩部分組成。發(fā)生器是消融設(shè)備的主體包括19G的消融電極針、治療計劃軟件、可自動切換的電極輸出端、觸摸屏或鍵盤輸入設(shè)備及腳踏板等。消融電極分為單針雙極（16G）和多針單極（19G）2種規(guī)格，可以根據(jù)病灶情況選擇使用。采用單極多針消融，應(yīng)根據(jù)病灶大小，常常至少要有兩個或更多電極。兩探針之間的最大距離為2cm，連續(xù)給予90次脈沖寬度為100納秒（ns）、電壓1500伏/厘米（V/cm）的高壓直流脈沖，電流50A。電場

8、可將細胞表面的磷脂雙分子層擊穿。根據(jù)腫瘤的形狀，可適形布針，納米刀系統(tǒng)最多可連接6個電極。兩個電極最大消融體積為4 3 2 cm。 ， 2011年10月，美國Angiodynamics公司產(chǎn)品獲美國FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，同時還通過了歐盟的CE認證。臨床應(yīng)用IRE的治療區(qū)域的幾何形狀由實時計算機計算，根據(jù)具體情況決定所用的電極數(shù)目。前列腺：前列腺癌位于敏感地區(qū)附近，其他治療方法（熱治療或放射治療）可能造成永久性損壞。手術(shù)往往是有限的可及性和精度; 愈合時間長和副作用比率很高。使用IRE ，尿道，膀胱，直腸和神經(jīng)血管束可以包括在治療區(qū)域，而無永久損傷。肝，腎和胰腺：由于血管受累而不能手術(shù)的腫瘤，

9、IRE的組織選擇特點可應(yīng)用于此類腫瘤。其他器官：在動物腫瘤模型中已成功消融了肺、腦、心臟、皮膚、骨骼、頭頸部和血管腫瘤。胰腺：納米刀在消融胰腺組織過程中消融區(qū)呈低密度改變，邊界清晰；24小時后血清中淀粉酶、脂肪酶等可有較明顯的增高，胰腺有輕度水腫；2周后淀粉酶及脂肪酶可恢復(fù)至正常；4周后消融區(qū)僅可見纖維性瘢痕，但中央管是正常的。實驗過程中沒有出現(xiàn)胰腺炎、腹腔內(nèi)出血和腹水等導(dǎo)致實驗動物死亡的嚴(yán)重并發(fā)癥，證明了胰管及胰腺周圍血管對納米刀消融具有較好的耐受力，納米刀消融胰腺是安全的。臨床應(yīng)用臨床應(yīng)用肝臟：納米刀可以安全地圍繞肝門周圍的肝組織消融，且不會附帶損害膽管、肝動脈和門靜脈，也沒有發(fā)現(xiàn)常規(guī)物理

10、消融中“熱沉降”導(dǎo)致的不完全消融。肺：豬的正常肺組織進行納米刀消融時，沒有發(fā)現(xiàn)支氣管胸膜瘺和大的血管損傷，離體后的標(biāo)本可觀察到大血管和支氣管內(nèi)皮的增生。腎臟：通過傳統(tǒng)數(shù)字減影血管造影檢查離體豬腎的急性動態(tài)血管灌注，可觀察到腎實質(zhì)末端血管床的形態(tài)，證明了納米刀在消融腎臟過程中沒出現(xiàn)急性血管損傷，減少了腎衰竭的風(fēng)險。血管：納米刀消融只對細胞膜產(chǎn)生作用，可保護結(jié)締組織和血管基質(zhì)；離體標(biāo)本中內(nèi)皮層完好并無血栓、動脈瘤形成或動脈破裂的跡象，表明了在治療大血管方面的安全性。神經(jīng)：納米刀具有損傷神經(jīng)的可能，并可能導(dǎo)致軸索腫脹和遠端軸索髓鞘變性解體（華勒氏變性）。然而，神經(jīng)內(nèi)膜和神經(jīng)束膜保持完好，神經(jīng)便于再生

11、，顯示了軸突再生的潛能。臨床應(yīng)用臨床安全性評估Ball等報道了21例肝癌、腎癌、肺癌納米刀消融過程中的安全性和并發(fā)癥分析。并發(fā)癥包括所有患者都出現(xiàn)瞬間血壓增高，癱瘓患者出現(xiàn)肌肉收縮, 13例術(shù)后出現(xiàn)疼痛、4例術(shù)后酸堿平衡紊亂和3例術(shù)中氣胸考慮與電極穿刺位置有關(guān)。7例術(shù)中發(fā)生室性心動過速。所有心律失常在中斷治療后立即緩解。Thomson等對38位患者進行了69次晚期肝癌、腎癌、肺癌納米刀消融治療。前期8例患者全麻狀態(tài)下未使用心臟同步器4例出現(xiàn)了一過性心律失常，后期30例患者配備心臟同步器后只有兩例分別出現(xiàn)了室上性心動過速和房顫。38例患者中有1例出現(xiàn)上尿路梗阻和肌酐升高，1例因無意中擊穿腎上腺導(dǎo)

12、致一過性嚴(yán)重高血壓并且術(shù)后隨訪中患者持續(xù)了兩個月的低血壓；3例出現(xiàn)氣胸，但都能夠自行吸收；肝臟腫瘤消融后，丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶和膽紅素出現(xiàn)一過性的升高，無膽汁滲漏等嚴(yán)重并發(fā)癥；因全麻后2例出現(xiàn)臂叢神經(jīng)損傷，1例出現(xiàn)一過性臉紅考慮與全麻后過敏反應(yīng)有關(guān)。2周后3個月后1年后CT增強掃描顯示鄰近下腔靜脈處有一個3.5cm低密度區(qū)（a）,并有占位效應(yīng)（b）。PETCT顯示肝臟8段FDG濃聚，平均SUV值7.4（a） （b）。兩個電極置入鄰近下腔靜脈近端的病變區(qū)（a）,兩個電極置入鄰近下腔靜脈和肝右靜脈的病變區(qū)(b)。三維治療計劃顯示針尖位置與距離。治療后24小時增強CT掃描顯示病灶無強化，輕度增大，含有氣體，

13、對肝靜脈的占位效應(yīng)消失，患者無手術(shù)并發(fā)癥，順利出院。治療后2個月PETCT復(fù)查顯示無FDG濃聚。治療后2個月增強CT復(fù)查顯示病變由3.5cm縮小至2.9cm（a,b）,肝靜脈與下腔靜脈通暢。治療后8個月增強CT復(fù)查顯示病變進一步縮小至1.5cm（a,b,c），肝靜脈與下腔靜脈通暢，無新病變發(fā)生。8周后8個月后9個月后2008年增強CT動脈期2008年血管造影并栓塞外周結(jié)節(jié)2009年6月納米刀治療前增強CT治療計劃：置入4個平行電極，腫瘤標(biāo)記為黃色2009年6月納米刀治療后CT復(fù)查2013年6月納米刀治療后CT復(fù)查治療前治療后16個月血管肉瘤肝細胞癌 電極植入隨訪6個月隨訪11個月隨訪14個月胰

14、腺癌CT掃描：a.脾動脈受累（箭）。B. 腫瘤累及門靜脈匯合處（星號）和腸系膜上動脈。22-g IRE 穿刺針經(jīng)前路進入腫瘤 ，位于胰腺與胃之間 (箭)。納米刀軟件顯示釋放六個脈沖。術(shù)后1個月MRI顯示：a.無瘤灶增強，脾動脈與腸系膜上動脈通暢。 b.腸系膜上動脈平面，腫瘤完全壞死3個月后PET/ CT圖像顯示為。光滑的邊際吸收，這是消融后的預(yù)期結(jié)果。無在胰腺殘留病灶。CT掃描示，62歲，女性， 胰腺頸部癌，腹腔動脈受累。CT引導(dǎo)下單極電極放置，出現(xiàn)腹直肌血腫。治療后立即CT掃描顯示腹腔動脈通暢，氣體為水解所致。4個月后CT復(fù)查顯示 腹腔動脈通暢，隨之行手術(shù)切除。術(shù)后組織學(xué)檢查示廣泛纖維化與導(dǎo)

15、管內(nèi)殘留粘液癌。3個月后1周后患者復(fù)發(fā)腎腫瘤(von HippelLindau syndrome，多發(fā)的、多器官的良、惡性腫瘤征候群)。初次IRE消融顯示增強腫瘤病灶變小。第2次IRE消融（4個月后）MRI示無增強，隨之應(yīng)用小劑量放療。a.腎下極腎細胞癌累及相鄰的輸尿管。消融8個月后CT隨訪顯示無明顯強化瘤灶縮小。 b.b經(jīng)皮活檢顯示凝固 壞死。首次治療后24小時MR增強T1WII顯示：病變上部和周圍瘤組織強化，腫瘤中央?yún)^(qū)壞死。第2次治療后8周MR增強T1WII顯示：僅有病變周圍瘤組織強化，腫瘤中央?yún)^(qū)壞死。治療后24小時，無腺體組織正常與壞死組織之間移行帶狹小，尿道通暢血管神經(jīng)無損傷(a) C

16、T 掃描顯示納米刀治療前植入電極途徑與右側(cè)坐骨神經(jīng)（長箭）及有脂肪組織分隔的伴行動脈（短箭）的關(guān)系。 (b)植入電極后的CT掃描顯示位于電極之間的右側(cè)坐骨神經(jīng)（長箭） 與伴行動脈（短箭）。CT顯示腫瘤包圍的股骨和毗鄰的坐骨神經(jīng)和股動脈，大小為136mL.電極置入的T引導(dǎo)根據(jù)治療計劃。與治療前比較，遠端復(fù)合肌肉動作電位幅值小程度下降，提示輕度傳導(dǎo)阻滯治療后第8天CT顯示腫瘤體積為65mL，減少了52%，但出現(xiàn)盆腔淋巴結(jié)腫大。4個月后再次治療兩次IRE治療，24小時與48小時治療后，顯示導(dǎo)致腫瘤進行性凝固性壞死，大多數(shù)腫瘤邊緣的骨骼肌存活。平掃增強增強掃描綠線外為水腫腦腫瘤幾何重建圖形與電極置入的

17、IRE治療計劃軟件數(shù)值。三維電場分布對應(yīng)于（A-D）500 V到625 V（E-H）治療方案TIRE治療后48小時的MRI圖像用于放射治療計劃的中心和等劑量分布。100%，98%，95%，90%，70%，50%和30%的等劑量線分別由暗綠色，橙色，紫色，淺綠色，淺藍色，深藍色和灰色表示。治療后4個月復(fù)查顯示：左側(cè)的腫瘤區(qū)域在T2WI和FLAIR呈高信號（A，B；箭）和內(nèi)囊白質(zhì)幾乎正常（C；箭）。大體標(biāo)本（d）顯示左頂葉腫瘤區(qū)域壞死。病理切片顯示腫瘤區(qū)域營養(yǎng)不良性鈣化的凝固性壞死（E；箭）。壞死區(qū)域內(nèi)的血管擴張和含鐵血黃素巨噬細胞的神經(jīng)纖維（F）。Cannon等對臨近重要結(jié)構(gòu)的44例肝臟腫瘤患者進行納米刀消融，發(fā)現(xiàn)納米