微妙脉冲不可逆电穿孔治疗区域仿真研究

摘要：不可逆性电穿孔（IRE）是透过极其短但强力的电场使得细胞膜上产生永久纳米孔的一种组织消融技术，这种技术利用脉冲电场在细胞膜上形成不可逆的纳米孔，从而导致肿瘤细胞死亡，这是一种独特的具有自己特色的非热效应失活机制。

本文在此基础上研究了微妙脉冲不可逆电穿孔的治疗区域，设置微秒脉冲脉宽100微秒、幅值0~3kV、重复频率1Hz，建立一个半径为6mm的肿瘤细胞，针半径1mm，二者电极间距1~8mm的模型，进而来建立并分析不可逆电穿孔治疗肿瘤组织的基本原理。

通过改变二者电极间距，以及方波脉冲幅值大小，利用模型模拟装置对模拟结果进行分析，在最佳参数下，通过微秒脉冲不可逆电穿孔，得到肿瘤的有限元模型。其在给定肿瘤细胞半径为6mm的情况下，确定了最优解为两电极间距5.36mm，方波脉冲幅值1736V，治疗面积113.12mm2，与肿瘤细胞面积113.04mm2相比，面积相差0.08mm2，误差率0.071%。

关键词：肿瘤治疗，不可逆性电穿孔，微秒脉冲，最优化

1 设计说明

1.1设计概述

本次设计基于静电场分布理论和常用的双针电极结构，使用COMSOL研究了不可逆电穿孔的最佳电场参数，针间距和针插入深度。首先通过电场模拟计算寻求肿瘤治疗中不可逆电穿孔参数的最佳组合，以实现肿瘤细胞的完全杀伤和对周围正常组织的最小损伤[1]。

通过调整二针电极之间的距离（最大为8mm）和方波脉冲的幅值（最大为3kV），使不可逆电穿孔的治疗范围全面涵盖肿瘤细胞，而涵盖正常组织的面积尽可能的小，通过不断的调试，最终得到最优方案。建立肿瘤细胞的简单二维模型以模拟生物组织细胞和肿瘤细胞的电导率和相对介电常数。其次建立了针电极和组织的有限模型，基本原理是应用脉冲电场不可逆地治疗癌细胞，不可逆的电穿孔完全发生在治疗区域的肿瘤组织中，并且尽可能不在治疗区域外的正常组织中发生不可逆的电穿孔[2]，尽量将治疗的副作用降到最低。

1.2原理分析

原理涉及到不可逆电穿孔治疗技术，它对于肿瘤的治疗表现出了很大的优势。在一定剂量（场强为 Kv/cm级、脉宽为 100μs级）的脉冲电场作用下，当细胞膜两侧所承受的跨膜电压超过其绝缘强度时，膜上将会出现一些被称为“微孔”的暂时性亲水性通道。此时细胞膜的渗透性将大大增强，并且导电性也将急剧增加。这就是微秒脉冲电场所诱导的电穿孔效应[3]。

在施加电场的电模型中，电池将根据电场强度和脉冲频率经历相应的物理变化。当细胞膜两侧的跨膜电压超过其绝缘强度时细胞将会被击穿，膜上将会出现一些暂时性亲水性通道，此时细胞的绝缘性大大降低，同时细胞膜的选择透过性被破坏，细胞外溶液与细胞内基质含有的大量离子融合，此时肿瘤细胞的导电率大大增加，在细胞组织的电场中，通过肿瘤模型的模拟，查阅资料文献得知肿瘤细胞的导电率和相对介电常数，从而计算出细胞两侧绝缘强度能承受最大场强幅值，通过使细胞膜的完整性丧失并将直接导致细胞死亡，这种现象称为不可逆电穿孔[4]。

通过在靶组织上施加一系列短持续时间和高振幅电脉冲并在其内形成高强度电场来实现不可逆的电穿孔，这改变了细胞膜的渗透性，这就是不可逆电穿孔的实现方式。当电场强度足够大时，细胞膜的结构不可逆地被破坏，破坏细胞的生理平衡，导致细胞死亡，从而达到组织消融的目的。

1.3方案论证及可行性分析不可逆电穿孔是一种非热组织消融技术。与现有的研究结果相比，不可逆电穿孔已广泛应用于动物组织消融、血管成形术和食品灭菌等领域。此外，不可逆的电穿孔也用于癌细胞的消融，提供了治疗癌症的方法。

根据恶性肿瘤的类型、部位、尺寸、电导率等特性，确定能够杀死全部肿瘤细胞，同时尽可能减少对健康细胞损伤的外加脉冲电场。由于生物组织在外加脉冲电场中的不可逆电穿孔效应是多因素依赖的，且生物组织的几何结构复杂，目前相关研究多采用数值方法进行仿真模拟以确定治疗方案[5]。

1.4总体设计

通过多物理场耦合仿真软件COMSOL建立二针电极结构的肿瘤二维有限元模型，半径为10mm的圆代表正常组织，肿瘤组织用一个半径为6-8mm的圆形表示，二针电极分别用两个半径为1mm的圆形表示，正常组织边界设置为电绝缘，肿瘤边界连续，正常组织和肿瘤组织的电导率近似相同，二针电极的材料添加为铜，根据实际情况设置相应的参数。设置一个正电极一个负电极，模型中上边正电极施加方波脉冲，下边负电极设置接地为 0 电位。

不可逆电穿孔治疗参数最优化是现目前最需要解决的问题，不可逆电穿孔治疗所要优化的参数包括电压幅度，电极阵列和针深度等。当微小脉冲电场的强度达到或超过一定值时，将发生不可逆的电穿孔，这将导致细胞坏死，而微秒脉冲电场强度低于阈值时，细胞可以自行恢复。

1.5测试结果与分析

此次仿真设置了参数化扫描，能够一次性求出多组解，通过绘制许多组解，可以查看到仿真具体情况，首先通过肉眼对比其静电场覆盖肿瘤细胞区域面积，来确定针间距的具体范围和幅值的具体范围，这里我们选取的针间距扫描精度为1mm，幅值精度为100V，定义针间距扫描范围是1~8mm，幅值0~3Kv,得到240组解，通过绘制功能比较其面积区域得到以下仿真图：首先将针间距设为定量，幅值设置为变量，针间距1mm为增加单位，幅值100V作为增加单位，通过对比图形得到了针间距为5mm、6mm情况下幅值发生变化时得到的图形最优。通过误差面积绝对值可以得到，当能够完全覆盖肿瘤细胞面积，且伤害正常组织面积最小时，得到的最优解为针间距5.36mm，脉冲幅值1736V，治疗区域面积113.12mm2，误差面积绝对值0.08mm2，误差率0.071%。

随着二针电极结构针间距的增加，发生不可逆电穿孔效应的周围正常组织面积随之增大，即不可逆电穿孔对机体造成的副作用增大；随着电势的增加，发生不可逆电穿孔效应的周围正常组织面积也随之增大，即不可逆电穿孔对机体造成的副作用增大；通过不断的调整针间距和电势的大小，计算面积，最终得出结论。我们已知肿瘤的半径为6mm，算出它的面积大约为113.04mm2，从上面的仿真计算及对比分析可得：最优参数方案取电势幅值为1736V，针间距为5.36mm。在此参数下，能够保证杀死全部的肿瘤细胞，并且能最大程度地保全正常细胞，算出其误差值仅为0.071%，是最优的治疗参数。

2 设计总结

通过仿真软件COMSOL，本次设计以静电场分布理论为基础通过建立微秒脉冲治疗肿瘤的有限元模型，设定了有界正组织常细胞为10mm边长的圆形，肿瘤细胞是半径为6mm的圆，通过一系列的仿真计算对比细胞覆盖面积以及准确性，仿真计算不可逆电穿孔阈值电场覆盖范围，对肿瘤细胞大小定了几个值分别5.5mm，6.0mm，6.5mm，为得到覆盖肿瘤细胞面积最大且尽可能小的伤害正常组织，模型绘制后我们看到了场强的有色分布。

最后用MATLAB进行了准确性验证，通过对其积分面积与肿瘤细胞面积的差值最小求解，得到了最优化参数，脉冲电压1736v，针间距5.36mm，得到了最接近电厂治疗区域为113.12mm2，对比细胞面积113.04mm2，治疗误差为0.071%。 3 参考文献

[1]李成祥. 不可逆电穿孔治疗肿瘤的作用机理及临床应用关键技术的研究[D].重庆大学,2011.

[2]郭飞,胡向东,唐贤伦,陈功贵.基于有限元法的不可逆电穿孔电极设置仿真研究[J].教育教学论坛,2017(09):96-97.

[3]姚陈果.新型复合脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤关键技术及临床应用研究进展[J].高电压技术,2018,44(01):248-263.

[4]李成祥. 不可逆电穿孔治疗肿瘤的作用机理及临床应用关键技术的研究[D].重庆大学,2011.

[5]陈雪,吕毅,任冯刚,吴荣谦.不可逆电穿孔治疗恶性肿瘤的数值模拟[J].中国医疗设备,2017,32(10):110-117.

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不可逆电穿孔治疗肿瘤与冷热消融治疗的原理比较

科技与创新┃Science and Technology & Innovation

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2015年第3期文章编号：2095－6835（2015）03－0024－02 不可逆电穿孔治疗肿瘤与冷热消融治疗的原理比较陈永成（广州雅敦设备租赁有限公司，广东广州 510000）摘要：目前，针对肿瘤的治疗，非血管介入技术已经成为了常规手段，但是，其治疗方法和原理各不相同。总结了各种治疗手段的原理，介绍和比较了最新的不可逆电穿孔技术的优点和缺点，以期为其今后的应用提供必要的参考。关键词：非血管介入治疗；热消融；冷消融；不可逆电穿孔中图分类号：R730.5 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2015.03.024 1 微创介入治疗近几年，在医学界，“介入治疗”已经成为了热门话题，而这种微创的“非手术”方法也逐渐被患者认识和接受。介入治疗（Interventional treatment）是介于外科、内科治疗之间的新兴治疗方法，它包括血管内介入和非血管介入治疗。简单的讲，介入治疗就是在不开刀暴露病灶的情况下，在血管、皮肤上作直径几毫米的微小通道，或经人体原有的管道，在影像设备（血管造影机、透视机、CT、MR、B超）的引导下，局部治疗病灶且创伤最小的治疗方法。经过多年的发展，介入治疗已经与外科、内科统称为三大支柱性学科。介入治疗的特点是创伤小、简便、安全、有效、并发症少和住院时间短。 2 肿瘤微创非血管介入治疗常用手段 2.1 射频消融射频是指无线电频率，但是，它不属于无线电通信中波段的划分。因为在这样的频率范围内，辐射性能很低，所以，通讯设备中很少采用，而它在生物体中的应用主要表现为热效应。当射频的电流频率高到一定值（＞100 kHz）时，会使组织内带电荷的离子运动，即摩擦生热（60～100 ℃）。射频消融设备的常用频率为200～500 kHz，输出功率为100～400 W，而具有消融和切割功能的射频治疗仪的治疗机理主要为热效应。射频波本质上是指特定范围内的电磁波。目前，医用射频大多采用工作频率为480 kHz和500 kHz。当射频电流经过人体组织时，因为电磁场的快速变化使得细胞内的正、负离子快速运动，于是它们之间以及它们与细胞内的其他分子、离子等产生摩擦，使病变部位升温，致使细胞内外水分蒸发、干燥、固缩脱落，以致无菌性坏死，进而达到治疗的目的。 2.2 微波消融微波消融是利用频率＞900 MHz（包含900 MHz）的设备，用电磁方法破坏肿瘤组织。在微波消融中，主要是依靠偶极分子的旋转产生热量。水分子是偶极分子并且有不平衡的电荷分布，在微波震荡电场中，通过水分子的剧烈运动摩擦生热，导致细胞凝固、坏死。当前，微波消融术主要采用的频率为915 MHz和2 450 MHz。微波聚能凝固灭活肿瘤的过程是组织内的极性分子在微波场的作用下，高速运动摩擦产生热量，当温度升高到60 ℃以上时，肿瘤细胞的蛋白质变性凝固，导致其不可逆性坏死。灭活的肿瘤组织可生产热休克蛋白，刺激机体的免疫系统，提高机体的免疫功能，起到抑制肿瘤细胞扩散的作用。以上两种消融属于热消融，从临床应用的角度看，它们在适应症、治疗效果、不良效果和并发症等方面是相很近的。 2.3 氩氦刀消融氩氦刀消融是利用超高压氩气（工作压力约为24 MPa）通过一段传输管路到达探针，再沿着高压管道流动。高压气体从位于探针尖的小孔进入膨胀空间发生节流效应，并在刀尖空间内释放压力，吸热、降温。氩气可快速降温至－180～－140 ℃，形成冰球，并可维持10～15 min。利用高压氦气（工作压力约为15 MPa）与利用氩气的物理特性相反。氦气在刀尖空间内释放压力放热，升温至30 ℃左右，并可维持1～2 min，最后，两种气体再经过传输管路外的空间释放到大气中。由此可见，氩氦刀属于冷冻消融的代表。在冷冻初期（温度－21～－4 ℃），细胞外冰晶形成，细胞内水分进入细胞外，引起细胞内渗透压上升，细胞内脱水。失去水分的细胞会变得皱缩，细胞膜和细胞器也会因此而受损。在冷冻的第二阶段，当冷冻速度极快、温度进一步降低（温度－21 ℃以下）时，会在细胞内形成冰晶。细胞器，比如线粒体和内质网，会发生不可逆性损伤，细胞膜也会损伤，最后导致细胞死亡。当温度升高时，会破坏细胞的两种机制（在－40～－20℃之间）：①细胞内的小冰晶再结晶或相互融合，形成大冰晶，后者会对细胞有更强的破坏作用；②细胞外间隙冰晶溶解，形成低渗状态，水再进入细胞内，引起细胞肿胀，导致细胞膜被破坏。另外，冷冻主要表现为两种延迟作用：①破坏微血管。冷冻会导致血管收缩、血流减缓、血小板凝集、微血栓形成，进而阻断血流，组织缺血缺氧，使得靶细胞损伤。②免疫调控作用。肿瘤细胞反复冻融后，细胞破裂、细胞膜溶解，促使细胞内和处于遮蔽状态的抗原释放，解除肿瘤对机体的免疫抑制状态，提高抗肿瘤免疫的能力，从而启动对肿瘤细胞的免疫杀伤作用。临床应用冷消融和热消融的最大优势是：①它可以用于错过手术时机的晚期癌症患者，且负荷大，涉及大血管、重要器官的肿瘤患者；②它也可以用于高龄患者，器官功能差、全身状况差、难以承受手术和麻醉的患者；③使用这种方法，在影像（CT、B超、MRI等）下，冰球消融边界清晰，有助于判断消融范围；④该方法能有效地激发机体对肿瘤的免疫能力。 3 不可逆电穿孔——纳米刀不可逆电穿孔（Irreversible Electroporation，简称IRE）是一种非热能消融技术，在脉冲长度为70～100 µs，电场为1 000～3 000 v/cm的作用下，细胞膜会被不可逆电击穿。在陡脉冲的作用下，细胞膜会形成大量的纳米级微孔，其数量和孔径会随着电场强度的增加而激增，从而引起膜组织断裂，导致细胞死亡。这种现象被称为不可逆性电击穿，并且电场中不会产生任何热量。纳米刀技术就是应用高压电场中短脉冲、高电压的直流电（10～25 A）技术，使细胞膜产生大量永久性的纳米级微孔，以破坏细胞的内稳态，使细胞凋亡，然后被免疫细胞吞噬，最后利用正常细胞再生的原理治疗恶性肿瘤的一种新技术，具体治疗过程如图1所示。

不可逆电穿孔治疗前列腺癌的研究进展

摘要：前列腺癌是常见的男性恶性肿瘤，其治疗方式有手术、放疗、化疗、内分泌治疗及局部微创介入治疗等。传统前列腺癌根治术和放疗对癌症的控制效果较好，但会引起侧支组织损伤且有较强的毒副作用；而局部热消融的精度不高，易导致消融不完全。不可逆电穿孔作为一项先进的介入技术，具有消融范围精准和消融效果良好的优点，目前已有多个国家开展相关临床研究。本文就不可逆电穿孔消融的原理及其在前列腺癌治疗中的主要进展进行综述。

关键词：前列腺癌；不可逆电穿孔；介入治疗

前列腺癌（Prostate Cancer，PCa）是最常见的男性恶性肿瘤之一，其发病率随着年龄的增长而显著增加。在中国，PCa是继肺癌后，男性死亡率最高的癌症。PCa主要的治疗方法有外科治疗、放射治疗、化学治疗、内分泌治疗及局部微创介入治疗。前列腺近端有许多重要结构，如直肠、尿道、神经血管束等，PCa根治术作为常规治疗方法，易对上述结构造成破坏，导致严重的并发症。以能量效应为基础的微创介入疗法，包括冷冻消融、射频消融和微波消融等，为避免并发症，靠近血管及邻近正常组织器官的肿瘤常常消融不完全。

不可逆电穿孔（Irreversible Electroporation，IRE）是一种新的非能量消融方式，它利用强有力的电脉冲，在细胞膜上产生不可逆的穿孔，使得细胞内外物质自由流动，从而导致细胞内物质紊乱，进而导致细胞凋亡。与热消融相比，IRE的机制是不受能量影响的，这使得在热敏感结构附近的肿瘤也可消融完全。优化后的脉冲参数和电极布置使治疗期间的血管和神经得以保护，利于患者的功能恢复。这些优点使IRE在临床中得以广泛应用。

1.临床研究

2015年，Ting等[1]第一次对IRE治疗PCa的结果进行研究，他们选取了32个未经手术治疗的中等风险的PCa患者，使用3-6个电极以5mm以上的安全距离排列消融肿瘤。随访调查并发症，术后6个月进行MRI检查、术后7个月进行活检，并将治疗区域内的发现细分为内野、临近区域和外野。结果显示在6个月时，泌尿、肠道及性功能未明显下降。一般身心健康评分在术后6个月时未显著下降，且在整个随访期间保持稳定。在肿瘤方面的随访活检中，16/21（76%）的组织学标本上未见明显疾病，8/21（38%）的组织学标本上未见癌症。综上所述，对于中早期PCa患者，局灶性IRE治疗安全可靠、并发症发生率低。

不可逆电穿孔技术消融肿瘤研究进展

介入放射学杂志２０１5年4月第２4卷第4期ＪＩｎｔｅｒｖｅｎｔＲａｄｉｏｌ２０１5，Ｖｏｌ．２4，Ｎｏ．4

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－７９４Ｘ．２０１5．04．０0１

作者单位：250031济南军区总医院医学影像科

通信作者：孙钢E蛳mial：cjr.sungang@目前临床上有多种微创消融方法用于治疗良恶

性肿瘤，目的是既可最大限度消除肿瘤，又不影响

正常组织。化学消融、射频消融、冷冻消融及间质性

激光凝固治疗具有良好的近、中期疗效。然而，这些

方法对治疗区域的组织破坏缺乏选择性，可能损害

邻近的胆囊、胆管、肠道、尿道和神经等，同时血液

循环产生的热沉效应对局部治疗温度影响较大［1］。

近年来，不可逆电穿孔（irreversibleelectroporation，

IRE）消融肿瘤技术显示出广泛的临床应用前景，其

治疗肿瘤温度＜50℃，无热沉效应，适用于大血管周

围肿瘤的消融治疗。该技术对于含胶原较多的组织

结构如血管、胆道及神经不易产生损伤，并且治疗

时间短（＜5min）。该技术于2011年10月获美国食品药品监督管理局（FDA）批准应用于临床，同时还

通过了欧洲共同体质量（CE）认证。本文就IRE技术

原理、临床应用及发展方向进行综述。

1电穿孔原理

电穿孔是高压电场以微秒和毫秒脉冲的形式

作用于细胞膜的磷脂双分子层，产生不稳定电势，

在细胞膜上造成纳米级孔隙的物理现象［2］。根据施

加于细胞膜上的脉冲幅度与时间，细胞膜上的纳米

级孔隙可分为暂时性或永久性，即可逆电穿孔（RE）

与IRE。在RE状况下，细胞可完全修复和生存，而

IRE则导致细胞死亡。RE目前已成为生物医学技术

的一个重要工具，用于向细胞内介导药物、基因或

进行细胞融合［3蛳5］。近年随着对电穿孔技术的不断深

入研究，IRE所具有的非热细胞消融的特殊模式、不

影响胶原等支撑结构、允许消融组织区域健康组织

再生、无瘢痕形成等重要特性，已在肿瘤临床治疗不可逆电穿孔技术消融肿瘤研究进展

微妙脉冲不可逆电穿孔治疗区域仿真研究

关键词：肿瘤治疗，不可逆性电穿孔，微秒脉冲，最优化

1 设计说明

1.1设计概述

纳米刀可能使胰腺癌Ⅲ期患者生存率翻倍

根据最新的研究显示，癌症治疗领域一项最新的消融技术纳米刀（不可逆电穿孔），可以有效地延长局部晚期胰腺癌患者的生存期。与传统治疗技术相比，纳米刀几乎使患者的生存率翻倍。

在2015美国外科协会年会上，有外科医生展示了他们的研究报告，显示传统的癌症治疗技术化疗和放疗，与不可逆电穿孔技术IRE相结合，可使患者的中位生存期达到23—28个月。

以前的大部分研究都显示，经过传统治疗的Ⅲ期胰腺癌患者，他们的中位生存期大概也就只有11-13个月。超过五年生存期的也就只有6%。而IRE却使得这部分患者的中位生存期提高了不止一倍。

“这些结果表明Ⅲ期胰腺癌是可以医治的，而非即刻死刑。这一点需要向医学界肿瘤治疗领域强调。明显地，持久生存期是可以通过化疗、IRE和放化疗多学科的综合治疗获得的。”研究的首席作者罗伯特 C.G. 马丁博士表示。他是肯塔基州路易斯维尔大学肿瘤外科的主任和外科手术教授。

专家提醒这些数据来自一小部分的机构，该研究的样品并非随机抽取。

即使如此，对于肿瘤治疗领域而言，这项肿瘤消融技术应用于局部晚期胰腺癌的治疗可以取得好的疗效，前景让人兴奋。美国每年有40,000人被诊断出胰腺癌，只有少数人可以进行手术切除。对于那些无法手术切除的患者现在有了合适的消融技术治疗。对于那些可以应用于其他肿瘤治疗的热消融技术，例如肝癌，并不适合胰腺癌，因为热消融会造成非肿瘤组织的大面积损伤。

“该技术可以给那些适于放化疗，没有转移，可以进行消融的患者提供了一项局部治疗的替换方案，而不用担心复杂的手术切除造成发病或死亡。这是一个经过特别筛选的患者小组。”基斯 D.里尔摩尔医生表示。他是麻省总医院的首席外科医师以及W·杰拉尔德·奥斯汀哈佛医学院的外科教授。

里尔摩尔医生没有参与该项研究，也并不使用IRE消融技术。但他会推荐自己的病人去进行该项治疗。

他称该研究是令人鼓舞的，但强调需要进行多中心的随机跟踪访问。

超声引导下国产纳秒刀消融治疗甲状腺微小乳头状癌

中国介入影像与治疗学2023年第20卷第11期　Chin J Interv Imaging Ther,2023,Vol 20,No 11

Ultrasound-guided domestic nanosecond knife ablation for

papillary thyroid microcarcinoma

YUE　Wenwen1， DONG　Gang1*， REN　Zhigang2， ZHANG　Yu’ang1

（1.Department of Ultrasound， 2.Department of Infectious Diseases， the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University， Zhengzhou 450052， China）

［Abstract］ Objective　To observe the effect and safety of ultrasound-guided domestic nanosecond knife ablation for treating papillary thyroid microcarcinoma （PTMC）. Methods　Twelve PTMC patients were prospectively enrolled and underwent ultrasound-guided domestic nanosecond knife ablation. The volume reduction rate of lesion （VRRlesion）and of ablated area （VRRablated area） were calculated 1， 3 and 6 months after treatment. Perioperative complications， recurrence and metastasis of PTMC during the follow-up period were recorded. Results　PTMC in all 12 cases were completely ablated at one time. One， 3 and 6 month after treatment， the VRRlesion was －14.43%， 81.79% and 100%， and VRRablated area was 92.46%， 98.56% and 100%， respectively. Neck pain occurred 1 case and relieved after 3 days. No severe complication such as hemorrhage， recurrent laryngeal nerve injury and arrhythmia occurred. No recurrence nor metastasis during follow-up period was detected. Conclusion　Ultrasound-guided domestic nanosecond knife ablation was effective and safe for treating PTMC.

心房颤动导管消融的新利器：脉冲电场消融

基金项目：国家自然科学基金（ＮＳＦＣ８１３７０３０７）

通信作者：张树龙，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｓｈｕｌｏｎｇｍｄ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ心房颤动导管消融的新利器：脉冲电场消融

张佳琪１，２　池程伟２　刘吉义２　张树龙２

（１．大连医科大学，辽宁大连１１６０００；２．大连大学附属中山医院心内科，辽宁大连１１６００１）

【摘要】心房颤动导管消融的两种主要能源分别是射频能源与冷冻能源。脉冲电场作为治疗心律失常的新消融能量，由于其在

细胞膜上形成纳米级的小孔导致细胞凋亡，产生不可逆电穿孔，具有非热性、瞬时性和心肌组织优先选择性的特点，使心房颤动导管

消融更简单、更安全和更有效，从而有可能为心房颤动消融带来革命性变化。

【关键词】心房颤动；导管消融；脉冲电场消融

【ＤＯＩ】１０１６８０６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１００４３９３４２０２２０３００４

ＡＰｒｏｍｉｓｉｎｇＮｅｗＡｂｌａｔｉｏｎＭｏｄａｌｉｔｙｆｏｒＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆ

ＡｔｒｉａｌＦｉｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ：ＰｕｌｓｅｄＦｉｅｌｄＡｂｌａｔｉｏｎ

ＺＨＡＮＧＪｉａｑｉ１，２，ＣＨＩＣｈｅｎｇｗｅｉ２，ＬＩＵＪｉｙｉ２，ＺＨＡＮＧＳｈｕｌｏｎｇ２

（１．ＤａｌｉａｎＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０００，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣａｒｄｉｏｌｏｇｙ，ＡｆｆｉｌｉａｔｅｄＺｈｏｎｇｓｈａｎ

ＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６００１，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｂｌａｔｉｏｎａｎｄｃｒｙｏａｂｌａｔｉｏｎａｒｅｔｈｅｔｗｏｍａｉｎｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｓｆｏｒｃａｔｈｅｔｅｒａｂｌａｔｉｏｎｏｆａｔｒｉａｌｆｉｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ．Ａｓａｎｅｗ

ａｂｌａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆａｒｒｈｙｔｈｍｉａ，ｐｕｌｓｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｆｏｒｍｓｎａｎｏｐｏｒｅｓｏｎｔｈｅｃｅｌｌｍｅｍｂｒａｎｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｃｅｌｌａｐｏｐｔｏｓｉｓａｎｄ

电穿孔技术辅助眼内基因治疗

中国眼耳鼻喉科杂志２００９年１月第９卷第１期　

电穿孔技术辅助眼内基因治疗　

董京艳莫晓芬　

【摘要】　电穿孔法可将外源基因有效导入靶组织或器官，简单经济，可应用于多种组织器官上，近年来已　

成为一种新颖的非病毒基因转染体系，应用于眼内疾病基因治疗的研究屡见报道。本文对电穿孔技术辅助基　

因转染在眼内疾病治疗中的研究进展做一综述。　

眼内许多疾病的发生都是以基因表达失调为特征的。随　

着人类基因组研究计划的成功，基因图及基因序列的完成，目　前在基因水平认识疾病的发生、发展。基因治疗从病因学方面　

防治疾病，具有广阔的临床前景。其关键技术是基因转移，包　括治疗基因的选择、基因导入系统的选择、治疗基因的高效靶　

向表达及对此表达的调控。而导人系统是基因治疗的核心技　

术，是基因治疗能够进入临床的关键之一。外源基因的导人可　以通过物理、化学或生物学方法来实现。电穿孔方法是物理导　

入方法之一，具有操作简单、安全、转染率不受细胞增殖性的影　

响等优点，是一种良好的外源基因导人系统，可广泛应用于肌　

肉组织、皮肤、肝脏、睾丸、禽类输卵管、胚胎和禽类胚盘等组　

织，并逐步应用于眼内疾病的基因治疗。显示出独特的发展　前景。　

１　生物膜电穿孔的原理及应用　

１．１　电穿孔的原理　电穿孔技术是利用特定的脉冲电场，瞬　时可逆性地改变细胞膜通透性，使膜上出现亲水性孔道，从而　

促进非渗透性外源性大分子物质，如基因、药物等进人细胞　内Ｌｌ　３。Ｗｅａｖｅｒ＿２　研究发现，电场强度为ｋＶ／ｃｍ、持续时间为Ｉ．ｚｓ—　

ｍｓ级的电脉冲刺激会使细胞膜发生电穿孔现象。电穿孔作为　

一种非病毒载体基因导人方法，克服了病毒载体安全性差、操　

作复杂、应用局限等缺点。首先，理论上任何组织和器官都可　以作为活体电穿孔的靶器官；其次，电穿孔技术对于导入的外　

源基因片段的大小没有限制；再次，电穿孔技术操作简单快速，　

而且ＤＮＡ片段不需要特殊的纯化操作。与其他非病毒载体相　比，直接注射外源基因的表达效率极低，且不适合以肌肉作为　

电穿孔技术原理及其在基础医学研究中的应用

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电穿孔技术原理及其在基础医学研究中的应用

作者：周骏贵

来源：《商品与质量·学术观察》2014年第03期

摘要：电穿孔技术是在瞬时高电压下DNA等小分子物质得以穿过细胞的技术。近年来，电穿孔技术已经被广泛应用在体内和体外的各项基础医学和临床实验之中，在保持细胞高存活率的前提下，可以大大提高外源物质进入细胞的效率，并促进目标DNA表达，发挥治疗作用。本文对电穿孔技术的原理、注意事项及应用进行综述，以期为相关研究提供资料支持。

关键词：电穿孔细胞科研基础医学基因治疗

一、电穿孔技术的原理

电穿孔（electroporation）是指在高强度、短时间的电压作用之下，外源性物质克服细胞膜的阻碍而进入细胞。电压的强度超过了细胞膜所能承受的阈值，使膜出现瞬时可逆性的结构变化，从而介导了外源性物质的进入。这个瞬时的可渗透状态不仅导致小分子物质可通过简单扩散大量进入细胞，而且很多大分子物质如染料分子、DNA分子等也可通过电击的介导进入到细胞内部。过去电穿孔技术的应用往往受制于电击对细胞造成的伤害难以控制，但近十多年来，随着仪器设备的发展和对实验条件的摸索，电穿孔技术已经被广泛应用在体内和体外的各项实验之中，在保持细胞高存活率的前提下，电穿孔可以大大提高外源物质进入细胞的效率。

使细胞膜达到可渗透状态所需要的场强可用以下的公式来表示：

ΔVm=fEextrcosФ

其中 f为细胞对电压的耐受常数，Eext为外界电压的强度，r为细胞的半径，cosФ为细胞所处位置与电场方向夹角的余弦值。一般认为，由于细胞膜所带负电荷的存在，可渗透状态的产生率先发生在细胞面向外界电场正极的一侧，细胞膜的脂质双分子层出现瞬时的亲水性的小孔而允许外源物质的进入。接着细胞面向电场负极的一侧也出现类似的结构，整个细胞进入可渗状态。在外界电压达到阈值的前提下，控制电击脉冲的时间和次数可控制细胞进入可渗透状态的程度。脉冲时间的延长和次数的增多可使得细胞膜面向电场正极的一侧可渗透面积加大，同时使细胞膜面向电场负极的一侧可渗透程度加深。所以，小分子物质通过简单扩散可从各个方向进入可渗透状态的细胞，而大分子物质如DNA等一般从细胞膜面向电场负极的一侧进入。而且，DNA进入细胞并不是简单的扩散过程，实验证明，电场力的作用促进了DNA的进入，而DNA分子的存在又促进了在电击条件下细胞膜上小孔的形成。DNA进入细胞后被包裹形成内体，无论是被降解还是运送至核，都是细胞内的主动过程，都需要消耗ATP。龙源期刊网

电化学疗法_癌症治疗的新方法

tionofintrahepaticcholesteroltrafficking:evi-

dencebyinvivoantisensetreatmentforthe

involvementofsterolcarrierprotein-2innewly

synthesizedcholesteroltransportintoratbile.

BiochemJ,1996;317(Pt3):681～687

15　RubensteinM,MirochnikY,ChouP,etal.An-

tisenseoligonucleotideintralesionaltherapyfor

humanPC-3prostatetumorscarriedinathymic

nudemice.JSurgOncol,1996;62(3):194～200

16　BishopMR,IversenPL,BayeverE,etal.Phase

ItrialofanantisenseoligonucleotideOL(1)p53

inhematologicmalignancies.JClinOncol,1996;

14(4):1320～1326

17　RoushW.Antisenseaimsforarenaissance.

Science,1997;276(5316):1192～1193

18　CammilleriS,SangrajrangS,PerdereauB,etal.Biodistributionofiodine-125tyraminetransform-

inggrowthfactoralphaantisenseoligonucleotide

inathymicmicewithahumanmammarytumour

xenograftfollowingintratumoralinjection.EurJ

NuclMed,1996;23(4):448～452

19　AgrawalS,JiangZN,ZhaoQY,etal.Mixed-

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