纳米刀(Nanoknife)肿瘤消融治疗的临床应用与展望
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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。
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。
纳米刀（Nanoknife）肿瘤消融治疗的临床 应用与展望
背景
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。
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， 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。
机理
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 electroporation, 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。
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 cm³。 ， 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。
肿源自文库细胞快速凋亡
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。
优势
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”。
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 100μs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
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。
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。
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
吞噬细胞消除细胞碎片治疗区 域恢复正常
破坏肿瘤细胞膜形成纳米级不可逆电穿孔
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。
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。
纳米刀（Nanoknife）肿瘤消融治疗的临床 应用与展望
背景
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。
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， 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。
机理
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 electroporation, 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。
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 cm³。 ， 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。
肿源自文库细胞快速凋亡
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。
优势
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”。
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 100μs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
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。
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。
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
吞噬细胞消除细胞碎片治疗区 域恢复正常
破坏肿瘤细胞膜形成纳米级不可逆电穿孔