アルゴリズムによる電気穿孔技術を用いた自発性馬メラノーマ治療の安全性と有効性の研究

近年、電気穿孔(irreversible electroporation, IRE)は非熱焼灼技術として腫瘍治療において大きな潜力を見せている。伝統的な熱焼灼法に比べ、IREは細胞外マトリックスや主要血管をよりよく保存し、周囲の組織への損傷を最小限に抑えることができる。しかし、現段階の電気穿孔技術には実際の応用においていくつかの課題があり、特に治療プロセス中の温度変化を効果的に制御する方法が重要である。本研究はその背景に基づき、アルゴリズムによる電気穿孔(Algorithmically Controlled Electroporation, ACE)治療法の自発性馬メラノーマに対する安全性と有効性を探るものである。

研究概要

本研究は、クリストファー・C・フェスミレ、ロス・A・ペトレラ、ロバート・ウィリアムソン、コービ・デルクス、ジェニファー・ラフ、トーマス・マクパークランド、エリン・オニール、キャリー・フォグル、ティモ・プランゲ、マイケル・B・サノによって共同執筆され、北カロライナ州立大学と北カロライナ大学チャペルヒル校の共同行動医学工学部門および北カロライナ州立大学獣医学部に所属している。この論文はIEEE Transactions on Biomedical Engineeringに受理されており、2024年に正式に発表予定である。

研究過程

本研究の主要な作業プロセスには、計算機シミュレーションと離体実験、電極および温度制御システムの開発と検証、臨床実験の実施およびデータ分析が含まれる。これらのステップは以下の通りである。

計算機シミュレーションと離体実験

まず、研究チームは同軸電極と高圧パルス生成システムを開発し、温度フィードバック制御システムを組み合わせた。有限要素モデリングおよび離体実験を通じて、このシステムが目標温度を維持する能力を検証した。モデルは半径5cm、高さ5cmの円柱形の腫瘍組織領域をシミュレートし、同軸電極の中心針を陰極、外側電極を陽極として設定した。COMSOL Multiphysicsソフトウェアを用いて、さまざまな幾何パラメータと治療電圧における電場分布と温度変化を研究した。

電極および温度制御システムの開発と検証

研究チームは電極ハンドル構造を設計し、3Dプリントした。また、光ファイバー温度センサーを内蔵した。離体豚肝モデルを用いて、内部と外部の温度センサーを比較し、温度制御アルゴリズムを調整および検証した。同時に、カスタマイズされたパルスジェネレーターを開発し、パルスパラメータおよび温度データのリアルタイム収集を実現した。

臨床実験

その後、研究チームは北カロライナ州立大学獣医学部でACEによる馬メラノーマ治療の臨床実験を実施した。5匹の自発性メラノーマ犬が研究に参加し、各腫瘍は体積に基づいて0.005秒、0.01秒または0.02秒持続時間の電気穿孔治療を受けた。治療中、患者は覚醒状態で立っており、軽度の鎮静下で行われた。

研究結果

温度制御の検証

離体実験結果によれば、標準的な一定パルス速度を使用した場合、外部で測定された最高温度は内部で測定された温度よりも高かった。エネルギー伝達速度が増加するにつれて、両者間の温度差も増加した。活性温度制御を採用した後、外部温度と内部温度間の温度差は8.3%に顕著に減少した。これは、温度制御アルゴリズムが腫瘍温度を設定値付近に維持し、目標温度を超えることで引き起こされる熱損傷を避けることができることを示している。

計算機シミュレーション結果

シミュレーション結果は、同軸電極が直径1cmから2cmの潜在的な腫瘍をカバーできることを示した。伝統的な二針電極配置に比べ、同軸電極の処理範囲は広い。時間依存シミュレーションは、温度瞬変が組織導電率に影響を与えるため、時間とともに電場分布が変化することを示した。温度制御は熱損傷を顕著に減少させ、効果的な腫瘍処理体積を維持した。

臨床実験結果

臨床実験では、全ての治療が無事に完了し、不良事象は発生しなかった。平均温度は42.2±5.2ºCに維持され、治療電流は14.6±8.3Aから20.4±9.2Aに増加した。全ての時間長の電気穿孔治療において腫瘍体積が減少し、完全に消失した。それぞれ平均して100%、98%、100%の腫瘍体積が減少した。

安全性と有効性

ACEは馬メラノーマの治療において非常に高い安全性と有効性を示した。温度制御アルゴリズムは、組織の電気的または熱的特性を予め知ることなく、エネルギー伝達速度をリアルタイムで調整し、非熱治療を提供した。さらに、アルゴリズムの柔軟性により、臨床医は腫瘍の位置や治療の必要性に応じてリアルタイムで温度設定を調整できる。

意義と価値

本研究は、生体馬メラノーマにおいてアルゴリズムによる電気穿孔治療の実現可能性を初めて検証したものであり、今後の関連がん治療に新たな考え方を提供する。伝統的方法に比べ、ACEは複雑な前処理計画や組織特性の理解を必要とせず、効果的な腫瘍除去を実現し、過度な加熱による熱損傷を避けることができる。この技術は腫瘍治療において広範な応用の可能性を秘めており、特に正確なエネルギー制御が必要な臨床応用で重要な科学的価値と実際の意義を持つ。

今後の研究では、臨床試験サンプルを拡大し、様々な腫瘍タイプや深部腫瘍の応用を探索し、治療パラメータを最適化して治療効果を向上させる必要がある。本研究を通じて、ACE技術はより安全で効果的な腫瘍治療法となり、がん患者に多くの治療選択肢を提供する可能性がある。