使用算法控制电穿孔技术治疗自发性马黑色素瘤的安全性和有效性研究

近年来，电穿孔(irreversible electroporation, IRE)作为一种非热烧蚀技术，在肿瘤治疗方面展现了巨大的潜力。与传统的热烧蚀方法相比，IRE能够更好地保留细胞外基质和主要血管，最小化对周围组织的损害。然而，现阶段的电穿孔技术在实际应用中还存在一些挑战，尤其是如何有效控制治疗过程中温度的变化，以避免热损伤。这项研究正是基于以上背景，探索了使用算法控制电穿孔(Algorithmically Controlled Electroporation, ACE)治疗自发性马黑色素瘤的安全性和有效性。

研究来源

该研究由Christopher C. Fesmire、Ross A. Petrella、Robert Williamson、Kobi Derks、Jennifer Ruff、Thomas McParkland、Erin O’Neil、Callie Fogle、Timo Prange和Michael B. Sano共同撰写，研究团队隶属于北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的联合生物医学工程系及北卡罗来纳州立大学的兽医学院。本文已被IEEE Transactions on Biomedical Engineering接收，计划于2024年正式发表。

研究流程

此次研究的主要工作流程包括：计算机建模与离体实验、电极且温度控制系统的开发与验证、临床实验的实施以及数据分析。这些步骤具体如下：

计算机建模与离体实验

首先，研究团队开发了一种同轴电极配合高压脉冲生成系统，结合温度反馈控制系统。通过有限元建模及离体实验，验证该系统在实现和维持目标温度的能力。模型模拟了一个5cm半径、5cm高的圆柱形肿瘤组织域，同轴电极的中心针被设置为阴极，外环电极为阳极。通过COMSOL Multiphysics软件，研究了在不同几何参数和治疗电压下的电场分布和温度变化。

电极与温度控制系统的开发与验证

研究团队设计并3D打印了一个电极手柄结构，并嵌入了光纤温度传感器。在离体猪肝模型上，通过内部和外部温度传感器比较，调试和验证了温度控制算法。同时，研究团队还开发了一个定制化的脉冲发生器，实现了脉冲参数和温度数据的实时采集。

临床实验

此后，研究团队在北卡罗来纳州立大学兽医学院进行了ACE治疗马黑色素瘤的临床实验。包括5匹自发性黑色素瘤犬参与了研究，每个肿瘤根据体积大小分别接受0.005s，0.01s或0.02s持续时间的电穿孔治疗。治疗过程中患者保持清醒并站立，仅在轻度镇静下进行。

研究结果

温度控制验证

离体实验结果显示，使用标准恒定脉冲速率时，外部测得的最高温度高于内部测得温度。随着能量传递速率的增加，两者之间的温差也增加。采用活性温度控制后，外部温度和内部温度之间的温差显著减少，为8.3%。这表明温度控制算法能够有效将肿瘤温度维持在设定值附近，避免了超过目标温度而导致的热损伤。

计算机模拟结果

模拟结果表明，同轴电极能够覆盖直径为1cm到2cm的潜在肿瘤。与传统的两针电极配置相比，同轴电极的处理范围更大。时间依赖模拟显示，由于温度瞬变对组织导电率的影响，电场分布随时间变化。温度控制能够显著减少热损伤区，维持有效的肿瘤处理体积。

临床实验结果

临床实验中，所有治疗均在无不良事件的情况下顺利完成。平均温度控制在42.2±5.2ºC，治疗电流从14.6±8.3A增加到20.4±9.2A。研究发现，所有时间长度的电穿孔治疗均能够实现肿瘤体积减少，甚至完全消退。平均分别减少了100%，98%和100%的肿瘤体积。

安全性与有效性

ACE方法在治疗马黑色素瘤过程中表现出极高的安全性和有效性。温度控制算法能够在没有事先了解组织电气或热学性质的情况下，实时调整能量传递速率，提供非热治疗。此外，算法的灵活性使临床医生能够根据肿瘤位置和治疗需求，实时调整温度设定。

意义与价值

本研究首次在活体马黑色素瘤中验证了使用算法控制电穿孔治疗的可行性，为后续相关癌症治疗提供了新的思路。与传统方法相比，ACE方法无需复杂的预处理规划和组织属性的了解，即可实现有效的肿瘤杀死，同时避免了过度加热导致的热损伤。这一技术在肿瘤治疗中蕴含着广阔的应用前景，尤其在需要精确能量控制以避免热损伤的临床应用中，具有重要的科学价值和实际意义。

未来的研究应进一步扩大临床测试样本，探索多种肿瘤类型及深部肿瘤的应用，同时优化治疗参数以提高治疗效果。通过此次研究，ACE技术有望成为一种更加安全、高效的肿瘤治疗方法，为癌症患者提供更多的治疗选择。