纳米刀(Nanoknife)肿瘤消融治疗的临床应用与展望课件

1、纳米刀（Nanoknife）肿瘤消融治疗的临床应用与展望影像学引导下的物理消融术主要是通过物理的方法对肿瘤实施极端冷或热的温度来破坏肿瘤细胞，目前临床广泛应用的物理消融技术包括氩氦刀冷冻消融，射频、微波和激光热消融等。这些消融技术尽管疗效确切、优点突出，但其主要缺点是对组织的破坏是无选择性的，即在消融区内除肿瘤组织外，正常的组织器官如血管、神经、胆管、胰管等均受到完全破坏，此种缺点是导致消融术后并发症的主要原因。背景将高压电场以微秒和毫秒脉冲的形式作用在细胞膜的磷脂双分子层上，产生不稳定的电势，并在细胞膜上造成2种形式的纳米级孔隙：可逆电穿孔(Reversible electroporatio

2、n, RE) ：一定程度的纳米级孔隙损伤，细胞可完全修复和生存。即所谓的可逆电穿孔，如细胞内细胞毒性药物引进，博来霉素。纳米刀也称为不可逆电穿孔(irreversible electroporation, IRE) ：通过电穿孔产生不可逆地细胞膜破坏，导致细胞凋亡。当超过0.5 V /纳米的电场被施加到静息跨膜电势，初期水分子排队鱼贯式通过穿透双层类脂膜的疏水性中心，进入细胞，后期，随着通道长度和直径的扩大延伸至亲水基团，水分子大量快速进入细胞。机理单细胞电穿孔诱发部位的电场分布：最大跨膜电位位于细胞两极，最小位于赤道。外部电场的单细胞电穿孔：最大孔与最小孔形成取决于不同方位的磁场强度。脉冲消

3、失后，细胞膜重新封闭和生物分子进入单细胞。电场在细胞膜的特定区域（纳米尺度区域）施加产生局部单细胞膜电穿孔，允许生物分子从外面传送到单个细胞的内部。两个微电极之间的单细胞膜电穿孔：a.局部电穿孔过程； b.多个微电极数量的局部电穿孔过程；液滴的微流体电穿孔技术示意图; 通过（藻细胞的过程）聚二甲基硅氧烷（PDMS）微电极（锯齿）聚焦胞内物质的电穿孔后细胞裂解示意图机理消融探针释放微秒级高压脉冲破坏肿瘤细胞膜形成纳米级不可逆电穿孔肿瘤细胞快速凋亡吞噬细胞消除细胞碎片治疗区域恢复正常优势1.组织选择性： IRE的细胞死亡是通过凋亡介导的。血管结构（由弹性纤维和胶原组成）、周围神经髓鞘层经纤维与周围

4、细胞外基质蛋白不受电流影响。因此治疗区域的重要结构，如动脉，静脉，周围神经，尿道或肝内胆管）不会受到击穿。2.无热导效应，边缘锐利：以数十个微秒或毫秒脉冲形式击穿细胞膜消融时间与常规物理消融术相比大大缩短防止了组织的焦耳加热。可逆电穿孔区域和不可逆电穿孔区域之间的过渡地带仅几个细胞层。射頻消融和微波消融常常会出現灭活的“灰色地带（grey-zone）”，灭活区域的最外緣还有一些存活的细胞，“灰色地带”的存在可能是肿瘤细胞不完全灭活的一个原因，可以造成肿瘤残留或复发，而IRE不产生“灰色地带”。 优势纳米刀治疗后的组织优势3.治疗区域可恢复正常功能：IRE无与坏死相关的短期和长期副作用。传统的消

5、融模式是温度让组织发生蛋白质变性，继而出现凝固性坏死，坏死后整個消融区里的组织结构便不复存在。然后剩下对脏器有毒性的坏死组织，无法再恢复正常功能。相反，纳米刀则是诱导肿瘤细胞出现凋亡。凋亡的优点之一就是它能夠利用免疫來促进细胞死亡，人体将把细胞凋亡识別为正常的细胞死亡过程，然后通过细胞吞噬作用將凋亡组织清除掉，促进正常组织的再生与修复。 治疗后第1天治疗后第3天治疗后第7天治疗后第14天4.治疗时间短：典型的治疗时间不超过5分钟。对于直径约 3cm大小的实体肿瘤，经典的IRE是使用 90个 100s的脉冲治疗。单次IRE灭活时间少于 1 分钟，即使是采用 3 到 4 次的重复灭活，总的IRE治

6、疗时间也不超過 5分钟。这归功于利用极端高速的电场造成了细胞死亡。而热消融需要相应的溫度，是由于机械能使离子摩擦或持续的冷冻和融化组织产生，这种技术实际上延長了灭活的时间（大約在 15 到 60分钟）。 优势5.实时监测：治疗可由超声、CT实时监测。 其他消融技术的穿刺金属针在CT影像上伪影大，消融后的组织呈等密度，不易观察消融范围，而纳米刀采用的射频针细小（19G电极针），金属伪影相对较弱，纳米刀消融区呈低密度，CT图像上可较好的显示并控制消融范围。治疗前治疗中目前的技术限制1.强烈的肌肉收缩，由于神经肌肉接头的直接刺激。消融所需要的时间在1至5分钟。需要服用肌肉松弛剂，因为即使全麻，强肌肉

7、收缩仍可由运动终板的激励引起。2.规划与执行IRE治疗在非均匀组织（如肺）治疗区域，相对介电常数的跳跃。3.治疗心脏周边的病变，可能出现心率失常。纳米刀系统组成及应用主要由发生器和同步器两部分组成。发生器是消融设备的主体包括19G的消融电极针、治疗计划软件、可自动切换的电极输出端、触摸屏或键盘输入设备及脚踏板等。消融电极分为单针双极（16G）和多针单极（19G）2种规格，可以根据病灶情况选择使用。采用单极多针消融，应根据病灶大小，常常至少要有两个或更多电极。两探针之间的最大距离为2cm，连续给予90次脉冲宽度为100纳秒（ns）、电压1500伏/厘米（V/cm）的高压直流脉冲，电流50A。电场

8、可将细胞表面的磷脂双分子层击穿。根据肿瘤的形状，可适形布针，纳米刀系统最多可连接6个电极。两个电极最大消融体积为4 3 2 cm。 ， 2011年10月，美国Angiodynamics公司产品获美国FDA批准应用于临床，同时还通过了欧盟的CE认证。临床应用IRE的治疗区域的几何形状由实时计算机计算，根据具体情况决定所用的电极数目。前列腺：前列腺癌位于敏感地区附近，其他治疗方法（热治疗或放射治疗）可能造成永久性损坏。手术往往是有限的可及性和精度; 愈合时间长和副作用比率很高。使用IRE ，尿道，膀胱，直肠和神经血管束可以包括在治疗区域，而无永久损伤。肝，肾和胰腺：由于血管受累而不能手术的肿瘤，

9、IRE的组织选择特点可应用于此类肿瘤。其他器官：在动物肿瘤模型中已成功消融了肺、脑、心脏、皮肤、骨骼、头颈部和血管肿瘤。胰腺：纳米刀在消融胰腺组织过程中消融区呈低密度改变，边界清晰；24小时后血清中淀粉酶、脂肪酶等可有较明显的增高，胰腺有轻度水肿；2周后淀粉酶及脂肪酶可恢复至正常；4周后消融区仅可见纤维性瘢痕，但中央管是正常的。实验过程中没有出现胰腺炎、腹腔内出血和腹水等导致实验动物死亡的严重并发症，证明了胰管及胰腺周围血管对纳米刀消融具有较好的耐受力，纳米刀消融胰腺是安全的。临床应用临床应用肝脏：纳米刀可以安全地围绕肝门周围的肝组织消融，且不会附带损害胆管、肝动脉和门静脉，也没有发现常规物理

10、消融中“热沉降”导致的不完全消融。肺：猪的正常肺组织进行纳米刀消融时，没有发现支气管胸膜瘘和大的血管损伤，离体后的标本可观察到大血管和支气管内皮的增生。肾脏：通过传统数字减影血管造影检查离体猪肾的急性动态血管灌注，可观察到肾实质末端血管床的形态，证明了纳米刀在消融肾脏过程中没出现急性血管损伤，减少了肾衰竭的风险。血管：纳米刀消融只对细胞膜产生作用，可保护结缔组织和血管基质；离体标本中内皮层完好并无血栓、动脉瘤形成或动脉破裂的迹象，表明了在治疗大血管方面的安全性。神经：纳米刀具有损伤神经的可能，并可能导致轴索肿胀和远端轴索髓鞘变性解体（华勒氏变性）。然而，神经内膜和神经束膜保持完好，神经便于再生

11、，显示了轴突再生的潜能。临床应用临床安全性评估Ball等报道了21例肝癌、肾癌、肺癌纳米刀消融过程中的安全性和并发症分析。并发症包括所有患者都出现瞬间血压增高，瘫痪患者出现肌肉收缩, 13例术后出现疼痛、4例术后酸碱平衡紊乱和3例术中气胸考虑与电极穿刺位置有关。7例术中发生室性心动过速。所有心律失常在中断治疗后立即缓解。Thomson等对38位患者进行了69次晚期肝癌、肾癌、肺癌纳米刀消融治疗。前期8例患者全麻状态下未使用心脏同步器4例出现了一过性心律失常，后期30例患者配备心脏同步器后只有两例分别出现了室上性心动过速和房颤。38例患者中有1例出现上尿路梗阻和肌酐升高，1例因无意中击穿肾上腺导

12、致一过性严重高血压并且术后随访中患者持续了两个月的低血压；3例出现气胸，但都能够自行吸收；肝脏肿瘤消融后，丙氨酸转氨酶和胆红素出现一过性的升高，无胆汁渗漏等严重并发症；因全麻后2例出现臂丛神经损伤，1例出现一过性脸红考虑与全麻后过敏反应有关。2周后3个月后1年后CT增强扫描显示邻近下腔静脉处有一个3.5cm低密度区（a）,并有占位效应（b）。PETCT显示肝脏8段FDG浓聚，平均SUV值7.4（a） （b）。两个电极置入邻近下腔静脉近端的病变区（a）,两个电极置入邻近下腔静脉和肝右静脉的病变区(b)。三维治疗计划显示针尖位置与距离。治疗后24小时增强CT扫描显示病灶无强化，轻度增大，含有气体，

13、对肝静脉的占位效应消失，患者无手术并发症，顺利出院。治疗后2个月PETCT复查显示无FDG浓聚。治疗后2个月增强CT复查显示病变由3.5cm缩小至2.9cm（a,b）,肝静脉与下腔静脉通畅。治疗后8个月增强CT复查显示病变进一步缩小至1.5cm（a,b,c），肝静脉与下腔静脉通畅，无新病变发生。8周后8个月后9个月后2008年增强CT动脉期2008年血管造影并栓塞外周结节2009年6月纳米刀治疗前增强CT治疗计划：置入4个平行电极，肿瘤标记为黄色2009年6月纳米刀治疗后CT复查2013年6月纳米刀治疗后CT复查治疗前治疗后16个月血管肉瘤肝细胞癌 电极植入随访6个月随访11个月随访14个月胰

14、腺癌CT扫描：a.脾动脉受累（箭）。B. 肿瘤累及门静脉汇合处（星号）和肠系膜上动脉。22-g IRE 穿刺针经前路进入肿瘤 ，位于胰腺与胃之间 (箭)。纳米刀软件显示释放六个脉冲。术后1个月MRI显示：a.无瘤灶增强，脾动脉与肠系膜上动脉通畅。 b.肠系膜上动脉平面，肿瘤完全坏死3个月后PET/ CT图像显示为。光滑的边际吸收，这是消融后的预期结果。无在胰腺残留病灶。CT扫描示，62岁，女性， 胰腺颈部癌，腹腔动脉受累。CT引导下单极电极放置，出现腹直肌血肿。治疗后立即CT扫描显示腹腔动脉通畅，气体为水解所致。4个月后CT复查显示 腹腔动脉通畅，随之行手术切除。术后组织学检查示广泛纤维化与导

15、管内残留粘液癌。3个月后1周后患者复发肾肿瘤(von HippelLindau syndrome，多发的、多器官的良、恶性肿瘤征候群)。初次IRE消融显示增强肿瘤病灶变小。第2次IRE消融（4个月后）MRI示无增强，随之应用小剂量放疗。a.肾下极肾细胞癌累及相邻的输尿管。消融8个月后CT随访显示无明显强化瘤灶缩小。 b.b经皮活检显示凝固 坏死。首次治疗后24小时MR增强T1WII显示：病变上部和周围瘤组织强化，肿瘤中央区坏死。第2次治疗后8周MR增强T1WII显示：仅有病变周围瘤组织强化，肿瘤中央区坏死。治疗后24小时，无腺体组织正常与坏死组织之间移行带狭小，尿道通畅血管神经无损伤(a) C

16、T 扫描显示纳米刀治疗前植入电极途径与右侧坐骨神经（长箭）及有脂肪组织分隔的伴行动脉（短箭）的关系。 (b)植入电极后的CT扫描显示位于电极之间的右侧坐骨神经（长箭） 与伴行动脉（短箭）。CT显示肿瘤包围的股骨和毗邻的坐骨神经和股动脉，大小为136mL.电极置入的T引导根据治疗计划。与治疗前比较，远端复合肌肉动作电位幅值小程度下降，提示轻度传导阻滞治疗后第8天CT显示肿瘤体积为65mL，减少了52%，但出现盆腔淋巴结肿大。4个月后再次治疗两次IRE治疗，24小时与48小时治疗后，显示导致肿瘤进行性凝固性坏死，大多数肿瘤边缘的骨骼肌存活。平扫增强增强扫描绿线外为水肿脑肿瘤几何重建图形与电极置入的

17、IRE治疗计划软件数值。三维电场分布对应于（A-D）500 V到625 V（E-H）治疗方案TIRE治疗后48小时的MRI图像用于放射治疗计划的中心和等剂量分布。100%，98%，95%，90%，70%，50%和30%的等剂量线分别由暗绿色，橙色，紫色，浅绿色，浅蓝色，深蓝色和灰色表示。治疗后4个月复查显示：左侧的肿瘤区域在T2WI和FLAIR呈高信号（A，B；箭）和内囊白质几乎正常（C；箭）。大体标本（d）显示左顶叶肿瘤区域坏死。病理切片显示肿瘤区域营养不良性钙化的凝固性坏死（E；箭）。坏死区域内的血管扩张和含铁血黄素巨噬细胞的神经纤维（F）。Cannon等对临近重要结构的44例肝脏肿瘤患者进行纳米刀消融，发现纳米