不可逆性电穿孔

电穿孔现象最早在 1898 年被观测到[1]。诺莱特也于 1754 年在接触过电火花的动物、人类的皮肤上看到红斑并做了系统性的记录[2]。然而，电穿孔现象在现代医学的应用从诺伊曼与同僚在 1982 年的重要工作才开始[3]，诺伊曼用电场脉冲暂时性地穿透细胞膜让外源 DNA 进入细胞。在次后来的十年间，高伏特电场脉冲与化疗药物博来霉素或 DNA 的结合产生了新颖的临床应用：电脉冲化疗与基因电转移[4][5][6][7][8]。

在上述过程中，不可逆性电穿孔通常是不合预期的状况。2005 年，黛沃洛斯等人首次提出将不可逆性电穿孔作为直接治疗方法的概念[9]。

极短但强的电场脉冲可以在细胞膜的磷脂双分子层上产生奈米量级的小孔，这对细胞产生两种可能的伤害：

1. 可逆性电穿孔（英語：，缩写：RE）：产生可以输送分子的暂时性奈米孔通道，但是当电脉冲停止的时候，通道关闭且细胞存活。医学上的应用为局部导入细胞内才有作用的细胞毒素（电脉冲化疗）。
2. 不可逆性电穿孔：在电穿孔对细胞膜的伤害大到一定程度之后，细胞内物质泄漏过度严重或是细胞膜关闭过度缓慢，对细胞造成不可逆的伤害。细胞因此自然凋亡，而不是其他消融系统透过热能或是辐射造成的坏死。

尽管一般认为不可逆性电穿孔造成细胞凋亡，一些研究发现不可逆性电穿孔造成细胞死亡的方式不纯粹是细胞凋亡，也就是，不可逆性电穿孔造成细胞死亡的明确过程尚未完全清晰[10]。

科学家尚未了解不可逆性电穿孔的机制机制，目前的理论为下[11]：

当超过 0.5 V/nm 的电场[12]被加在静止跨膜电位上的时候，水在这种细胞膜的介电质被抵消的情况下进入细胞，并产生亲水的孔[13][14]。塔里克[15]透过分子动力学模拟发现奈米孔的形成过程为以下两个步骤[11]：

1. 在加上电场之后，水分子排列成一排并穿透磷脂双分子层的疏水中心。
2. 这些水通道继续扩大长度与半径，最后扩张成充满水的小孔，这时候这些小孔会被丛膜-水接面移动到双分子层中心的磷脂分子的头部稳定。

当外加的电场增加，对于磷脂分子头部的扰动更大，产生更多充满水的小孔[16]。整个过程在数奈秒内发生[15]。奈米孔的大小可能与细胞类型相关，科学家透过电子显微镜在猪的肝细胞看到的奈米孔平均是 340-360 奈米[11]。

1. 组织专一性 — 在治疗范围中维护重要结构的能力。不可逆性电穿孔可以在进行消融间维持所有重要肝脏组织，包括肝动脉、肝静脉、肝门静脉、肝间胆管的结构：在此疗法中细胞死亡透过凋亡发生。主要成分是蛋白质的结构包括血管弹性、胶原结构，以及细胞周围的基质蛋白不会受电流影响：维持生存的重要、骨架结构（如大型血液管道、尿道、肝间胆管）不会受到此疗法影响[17]。另外，神经纤维周围的绝缘髓磷脂层可以保护神经束，使其在某种程度上不会受到不可逆性电穿孔的影响。科学家尚不完全清楚神经不受不可逆性电穿孔疗法的程度，也不完全清楚神经在此疗法后的再生能力[18]。
2. 清晰的消融范围边界 — 可逆性电穿孔的范围与不可逆性电穿孔的范围之间的过渡范围仅有几层细胞的宽度。相较起来，传统的辐射、热能消融技术并没有这种过渡范围。除此之外，此疗法疗法没有会造成很多治疗失败的散热效应，使得治疗的范围更能被预测。更进一步的，透过多个电极可以让治疗范围变得更具复杂、可控[19]。
3. 没有过热导致的细胞坏死 — 一瞬间的脉冲的避免对组织加热。因此，细胞坏死在不可逆性电穿孔疗法的设计上是不存在的（除了非常靠近电极针的部位之外），此疗法没有细胞坏死导致的短、长期后作用[20][21]。
4. 疗程短 — 典型对疗程在五分钟内可以完成。不算上摆置电极的时间。
5. 实时监控 — 治疗范围可以透过超声、MRI 或是 CT 可视化[19]。

当前不可逆性电穿孔疗法的技术限制包括：

1. 强劲的肌肉收缩 — 不可逆性电穿孔疗法产生的强电场由于对神经肌肉接点直接刺激，造成强劲的肌肉收缩，患者需要特殊的全身麻痹[22]。
2. 目标肿瘤不完全的消融。对细胞进行不可逆性电穿孔的电场门槛原来认为约为 600 V/cm 的 8 个脉冲，每个脉冲 100 μs 长，频率 10Hz[23]。然而覃等人发现就算在 1,300 V/cm 下释放 99 个脉冲后，在消融范围内仍有可见的肿瘤细胞块[24]。这代表肿瘤组织比起健康的功能细胞组织可能对不可逆性电穿孔有不同的反应：不可逆性电穿孔疗法造成细胞膜穿孔与细胞凋亡，而肿瘤细胞对凋亡通路具有抵抗性。也就是不可逆性电穿孔疗法可能需要更高的电场门槛。
3. 局部环境 — 不可逆性电穿孔疗法需要的电场会被局部环境的导电性剧烈影响：金属（例如胆道）的存在会造成能量释放的扰动。有些器官，如肾脏周围尿液小量的导电性，也会被这种不规律的能量波动影响[25]。

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在手术中，医生将若干个长针状电极放在目标区域的周围，电极穿刺的点透过组织、器官几何状况决定。透过超声波、核磁共振或全相术的影像决定电极的位置是必须的。之后针与不可逆性电穿孔设备连接，后者产生两个电极的电位差。手术的范围的几何状况透过实时计算，医生可以进行调整。消融在 1 到 10 分钟间完成，长短取决于手术范围与电极的数量。病人会事先施打肌肉松弛剂，因为就算在一般的全身麻醉下，对神经肌肉接点造成的刺激还是会触发强烈的肌肉收缩。

典型的参数：

• 一个疗程的脉冲数量：90。
• 脉冲长度：100 μs。
• 脉冲间歇：100 至 1000 ms。
• 电场强度：1500 V/cm。
• 电流：约 50 A（与组织种类与几何形状相关）。
• 两个电极的最大消融容积：4 × 3 × 2 cm³

强劲的电场脉冲脉冲透过无菌的可弃细长电极释放。医生事先规划手术的范围，并透过电脑计算 电极间该有的位能差，电极的电位差也由系统启动、控制。

AngioDynamics 制造的 NanoKnife 系统是实现不可逆性电穿孔疗程的一个设备，这个设备在 2011 年 10 月 24 号通过 FDA 510k [26]。NanoKnife 系统也得到美国试验用医疗器械豁免，AngioDynamics 也得到使用这个设备进行临床试验的许可[26]。2011 年，FDA 对 AngioDynamics 宣传设备尚未被批准的适应症给予警告[27]。

2013 年，英国国家卫生与临床优化研究所发出声明指出，不可逆性电穿孔疗法对于各种癌症的安全与功效尚未被证实[28]。