将电穿孔技术整合到泌尿科临床实践：一种新型经尿道电极的设计与评估

摘要

本文介绍了一种使用新开发的内窥电极经尿道进行钙电穿孔的简便且可重复的方法，该电极与标准泌尿科设备兼容。该研究是实现经尿道电穿孔应用的重要进展，为拓展创新性、微创性治疗泌尿系统肿瘤铺平了道路。

摘要

膀胱肿瘤构成重大的健康挑战，但其治疗进展却十分有限。电穿孔技术利用短暂的电脉冲使细胞膜通透化，以实现直接的细胞毒性效应（不可逆电穿孔），或用于将药物和基因递送入细胞（可逆电穿孔）。本研究采用了钙离子（钙电穿孔）。由于缺乏合适的器械，电穿孔在泌尿肿瘤学中的应用一直受限。本研究重点介绍一种新型经尿道电极的设计及其在猪模型中的临床可用性与技术性能。该电极具有固定几何结构，由两组相对排列的针状电极组成，每组包含三根针。中央针相对于最外侧两根针之间的假想连线偏移，从而确保电场分布均匀且呈方形。该电极可与经尿道电切镜兼容，并作为可更换的工作元件，内窥镜可通过其中插入。外部脉冲发生器连接至手柄。锁定机制确保设备在组装过程中保持对齐。其适用性在健康猪膀胱中进行了评估，猪膀胱结构与人类相似，允许使用类似器械。在全身麻醉下，经尿道插入电切镜，使用内镜针将钙溶液注射至膀胱壁，随后插入电极，并将针置于注射钙的区域。施加电脉冲（8次脉冲，每次100 µs，频率5000 Hz，电压400 V，对应电极间距电压比为1000 V/cm）。之后撤回器械。整个操作过程与现有的泌尿外科技术高度相似。电极定位通过视觉控制完成，脉冲释放过程等同于标准的经尿道操作。电脉冲成功施加。该新型电极在膀胱内的经尿道使用方式和技术表现与现有泌尿外科器械和操作技术一致，便于泌尿科医生无缝采用。

引言

膀胱肿瘤构成了重大的全球健康负担。其高发病率及易复发的特点使该恶性肿瘤成为治疗成本最高的癌症类型之一^1,2。此外，预计到2040年，其发病率将上升约70%³。尽管面临的挑战日益严峻，但直到最近，治疗手段的创新仍然十分有限⁴。

一种新兴且具有前景的治疗方式是电穿孔，即对靶组织施加短暂的电脉冲⁵。这些电脉冲可暂时或永久性地增加细胞膜的通透性，从而实现两种不同的治疗机制：不可逆性电穿孔（IRE）可直接诱导细胞毒性⁶，而可逆性电穿孔则有助于药物或基因的细胞内递送⁷。电穿孔在医学其他领域已被确立为一种治疗手段，例如用于心律失常性心脏病的消融治疗⁸，以及用于多种癌症的电化学治疗（ECT）^9,10,11。然而，电穿孔在泌尿系统肿瘤学中的应用仍较为有限。

近年来，电穿孔治疗领域取得了进展，其中包括钙离子电穿孔（CaEP）。CaEP利用原本无毒的钙作为细胞毒性剂，此前已证明可有效清除多种组织学类型的肿瘤^12,13,14。对于皮肤肿瘤，通常使用固定几何结构的针状电极或板状电极^14,15,16。在一项针对复发性黏膜头颈部肿瘤的CaEP I期观察性研究中，采用了带有线性排列针头的柔性指状电极，或安装在手柄上的六边形或线性阵列电极¹⁷。在结直肠癌和食管癌的研究中，CaEP则使用与内窥镜（结肠镜或胃镜）兼容的电极进行^13,18,19。然而，膀胱内CaEP因缺乏适用于经尿道途径的合适器械而受到限制，迄今为止，仅有一篇文献报道了CaEP治疗人源尿路上皮癌转移灶的效果²⁰。

目前，膀胱肿瘤（主要是移行细胞（尿路上皮）癌）的标准治疗方法是经尿道膀胱肿瘤切除术（TURBT），该方法通过尿道在视觉引导下插入电切镜，利用置于尿道内的保护鞘实现灌流和器械交换。肿瘤通过双极电切环进行切除，该电切环具备切割和凝固组织的功能。鉴于TURBT与经尿道电极进行电穿孔（CaEP）在操作上的相似性，CaEP有望成为一种可行且微创的膀胱癌治疗新方法，是该领域的重要进展。

新型“OpField电极”（图1由我组设计的）旨在将经尿道膀胱肿瘤电切术（TURBT）中常用的装置与直接在膀胱内进行电穿孔的技术相结合，从而实现 一种针对非肌层浸润性和肌层浸润性膀胱肿瘤的简单且创新的治疗方案。本文中，我们介绍了其设计、组装及 体内 经尿道电极用于电穿孔的操控 通过直接内窥镜观察膀胱内部。

该电极是一种一次性使用的固定几何结构电极，由两组相对的针列组成，每组包含三根针。针的长度为4 mm，中心针相对于两侧最外端针之间的假想线偏移约0.8 mm。这种偏移的中心针设计可确保产生均匀的方形电场（图2）。电极阵列组件的远端采用双极结构，包含两个激光切割而成的叉状电极，每个电极具有3个针尖。每个电极极片安装在精密不锈钢管中，并用医用级紫外固化胶进行包覆成型。每个电极支脚采用医用级聚烯烃热缩管进行绝缘。设备手柄使用医用级树脂通过3D打印制成。该子组件需接受100%的目视检查，并在进入洁净室进行最终组装前进行清洁和消毒。完全组装后的设备封装于热封Tyvek灭菌袋中，并采用电子束辐射进行灭菌。该电极可与用于经尿道膀胱肿瘤电切术（TURBT）的经尿道电切镜兼容，并作为可更换的工作元件，内窥镜可通过其中插入。外部脉冲发生器连接至手柄，锁定机构可确保设备组装过程中各部件的准确定位。

与电穿孔治疗（ECT）相比，CaEP的另一个非常重要的优势是使用无毒性的钙作为治疗剂，这对患者和医务人员均有裨益²¹。

体内 正在评估该电极的潜在临床应用性、用户体验及实用特性，并对其与标准泌尿科器械在经尿道和内镜使用中的兼容性及性能进行评价。该部分实验在体型与人类相似的猪体内进行，因此可使用相同的器械。操作流程的示意图如下所示 图3.

方案

使用体重为50–80 kg的健康雌性猪（Sus scrofa domesticus），年龄为四到五个月，因其膀胱结构与人类相似。猪的体型允许使用与人类相同的经尿道内窥镜器械。根据机构指南对猪进行麻醉：肌肉注射氯胺酮（7–10 mg·kg ^-1）、右美托咪定（20–40 µg·kg ^-1）和布托啡诺（0.1–0.2 mg·kg ^-1）作为预麻醉用药，静脉注射丙泊酚（0.3–0.5 mg·kg ^-1）及吸入60%氧气中的七氟烷，潮气量为10 mL·kg ^-1，以维持麻醉。在开始操作前确认麻醉深度足够。术中全程涂抹眼用润滑剂，提供保温支持，并监测围手术期生命体征。

伦理声明
动物实验均依照动物实验监察局的授权（许可证号：2024-15-0201-01759）进行，并遵循《欧洲实验和其他科学用途脊椎动物保护公约》的指导原则。

1. 仪器与设备的准备

注意：无菌的经尿道电切镜由穿戴无菌手术衣和手套的人员在铺有无菌布的桌面上进行组装。治疗过程中需两名精通经尿道手术操作的医生在场。一名负责将器械插入并操作猪体内的器械；另一名担任助手。

1. 将内窥镜插入带有工作通道的桥接装置中。
2. 将器械插入鞘管内。
3. 使用静脉输液管组将生理盐水连接至鞘管的灌注系统。
4. 打开输液管组，用生理盐水充满管路并排出空气。
5. 将摄像头和导光束连接至内窥镜基座。
6. 将无菌经尿道设备与非无菌可视化平台连接，以在相连的屏幕上生成实时图像。
   注意：此步骤需由非无菌人员协助完成。在手术开始前，应对图像进行白平衡校准，以确保摄像头记录的白色物体呈现为白色。所有锁定装置必须完全固定，以防止错位或断开连接，并确保手术过程中灌注正常。

2. 经尿道电极的制备

1. 从无菌包装中取出电极。
2. 通过将电极手柄处的无菌绝缘导线与体外脉冲发生器上的洁净绝缘导线连接，将电极与体外脉冲发生器相连。

3. 外部脉冲发生器

1. 在显示屏上选择线性配置电极设置，因为此设置与经尿道电极兼容。
2. 在屏幕指定字段中设置8次脉冲，每次脉冲持续100 µs，频率为5000 Hz，电压为400 V，对应电极距离的电压比为1000 V/cm。

4. 注射针与葡萄糖酸钙

警告：请根据机构安全规定操作葡萄糖酸钙。葡萄糖酸钙应作为危险废物处理。

1. 从无菌包装中取出膀胱镜针，并将针尖长度调整至 2 mm。
2. 取一瓶 100 mg·mL⁻¹ 的葡萄糖酸钙溶液。
3. 用一个或多个注射器抽取所需量的葡萄糖酸钙。
4. 将注射器（建议使用带锁扣接头的注射器）连接至膀胱镜针的远端。
   注意：步骤 2.2–4.2 可在非无菌操作人员协助下完成。可使用其他具有相同钙摩尔浓度的钙化合物²²。

5. 猪的准备

1. 将猪置于仰卧截石位，臀部与手术台边缘对齐。
2. 在猪体下方放置用于经尿道手术的带引流功能的液体收集袋，并固定稳妥。
3. 用清水和肥皂清洁外阴，向尿道内注入凝胶以进行消毒和镇痛。

6. 钙电穿孔操作步骤

1. 打开电切镜的灌注系统，确认生理盐水流通。
2. 在直视引导下将电切镜经尿道插入膀胱。
3. 电切镜到位后停止生理盐水灌注，排空膀胱内残余尿液。
4. 恢复生理盐水灌注，直至膀胱充盈。
5. 进行膀胱镜检查，全面观察膀胱内部。
6. 将膀胱镜注射针经操作通道桥插入，并观察针尖位置。
7. 向膀胱壁内注射0.3 mL浓度为100 mg·mL⁻¹的葡萄糖酸钙，使膀胱壁形成丘疹样隆起。
   注意：根据需要重复钙剂注射，以确保电穿孔区域完全覆盖。在整个操作过程中，需持续调节灌注以获得膀胱壁的最佳视野。
8. 取出膀胱镜注射针。
9. 取出镜体，保留外层保护鞘管于尿道内。
10. 移除操作通道桥。
11. 将镜体插入经尿道电极装置中。
12. 在直视引导下，将镜体与电极一同经鞘管送入膀胱。
13. 将电极针置于已注射葡萄糖酸钙的组织区域。
14. 由术者通过脚踏开关或由非无菌助手操作外部脉冲发生器来施加电脉冲。首先按下“充电”按钮，随后按下“脉冲”按钮。
15. 通过外部脉冲发生器显示的仪器生成脉冲（电压）和实际传递至组织的脉冲（电流），确认电脉冲已完成并成功传递。
    注意：脉冲传递过程中可能出现轻微肌肉收缩。作为安全预防措施，可在操作过程中给予肌肉松弛剂。电穿孔应在钙剂注射后立即进行。在治疗多个或较大肿瘤时，建议交替进行钙剂注射与电穿孔。理论上，钙介导电穿孔（CaEP）治疗后可暂停操作流程，但由于手术在全身麻醉下进行，不建议暂停。

7. 术后护理方案

1. 当所有注射了葡萄糖酸钙的区域均完成电穿孔后，移除望远镜和电极。
2. 排空膀胱。
3. 使用闭孔器小心地将外鞘一并从尿道中取出，并移除切除镜。
4. 结束全身麻醉及相关药物使用。
5. 根据机构指南让猪苏醒。
6. 根据机构指南，在需要时进行术后镇痛管理（例如，肌肉注射美洛昔康，0.4 mg/kg ）。
7. 将电极作为锐器废弃物妥善处理。

结果

一项在3头体重为30-40 kg的猪中开展的初步研究成功实现了电穿孔，但其中2头猪在术后需实施安乐死，一头因尿道出血，另一头因意外将用于标记治疗部位的墨水注入腹腔所致。因此，在主要研究中采用了体重约80 kg的较大体型猪，并认为无需注射墨水进行标记。共对7头猪的27个区域进行了处理，其中包括5个仅注射葡萄糖酸钙但未进行电穿孔的病灶，以及5个仅进行电穿孔的病灶。总共施加了176次脉冲，所用电压为400 V，电流范围为3–4 A。

该治疗由一位专精经尿道手术的泌尿科顾问医生实施。电极的插入与操作过程 closely 仿照既定的泌尿外科技术。具体而言，手术团队对器械的操作感到直观顺畅，反映出对经尿道膀胱肿瘤电切术（TURBT）等手术中所需操作动作的熟悉程度。在持续的视觉引导下，将电极准确定位在膀胱壁内，以确保其在组织中的精确定位。根据外部脉冲发生器的读数，所有病例中脉冲与电流的输送（8 次脉冲，每次 100 µs，频率 5000 Hz，电压 400 V，对应电极间距电压比为 1000 V/cm）均成功、持续且稳定；该操作过程与传统切除环的使用相似。本研究证实，该技术在临床整合过程中，泌尿科医生对其具有高度的熟悉度且易于掌握。

在CaEP处理后5天和7天进行的膀胱镜检查显示，黏膜增厚，伴有水肿、红斑和少量出血。所有病例中，膀胱壁均完整，无穿孔。安乐死后行去内脏操作，发现膀胱内充满液体，膀胱壁仍保持完整，且可通过透明的膀胱壁观察到钙化灶。仅接受钙注射处理的膀胱也观察到类似改变，而单独进行电穿孔者仅见轻微出血，无其他变化。所有其他腹腔器官均正常。

结论：
新型经尿道电极在膀胱内的应用显示出与现有泌尿外科器械和技术的良好兼容性。该技术在操作流程上与传统的经尿道手术相似，且脉冲和电流输送稳定，有利于快速、顺利地过渡至临床泌尿外科应用。临床实施计划将首先开展首次人体试验，评估CaEP联合经尿道电极在晚期膀胱癌患者中的应用效果。

图1。 经尿道电极的原型。该电极可与用于经尿道膀胱肿瘤切除术（TURBT）的经尿道切除镜兼容。电极是一种可更换的工作元件。内窥镜插入电极内部，从而实现对膀胱壁内针头放置的可视化引导。外部脉冲发生器通过电缆连接至电极手柄。锁定机制可确保设备在组装过程中正确对齐。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. (A) 电极活性部分的示意图。固定几何结构的电极由两组相对的针阵列组成，每组包含三根针。每组中的中心针相对于两个最外侧针之间的假想线偏移。这种针的排列方式可确保产生均匀的方形电场分布。图中尺寸单位为 mm。(B) 电极的活性部分。在马蹄形构型中，两组针以偏移的中心针方式放置。照片顶部可见望远镜通道。请点击此处查看该图的放大版本。

图3． CaEP 手术流程的示意图，突出显示主要操作阶段。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

本方案详细介绍了在猪膀胱中使用一种新型经尿道OpField电极进行CaEP的技术，标志着电穿孔技术在泌尿外科应用中的重要进展²³。该方法的一个优势是能够无缝整合到标准泌尿外科设备中。这种兼容性使得CaEP与经尿道膀胱肿瘤电切术（TURBT）具有高度可比性，并由于操作流程相似，有利于在临床环境中立即推广应用。CaEP和TURBT的持续时间均取决于肿瘤大小，但两种操作的时长相近。电极的固定几何结构设计确保了均匀的电场分布，这对于实现稳定的电穿孔效果至关重要。

该方案中有多个步骤对于确保操作成功至关重要。包括进行适当的灌注，以在操作过程中保持最佳视野。正确组装并锁定电切镜和电极的各个部件，对稳定性和安全性至关重要。视野不佳、任何部件错位或连接松脱，都可能影响针头定位的准确性以及脉冲的递送。治疗成功还取决于将电极针准确地放置到已注射钙剂的区域。根据肿瘤大小及膀胱的特性，可能需要对方案进行调整。为实现对肿瘤的完全覆盖，可能需要调整钙剂的注射体积。若视野不佳，可对灌注系统进行调整。当脉冲递送失败时，外部发生器的反馈系统会立即发出提示，便于迅速识别连接、接触或放置方面的问题。若脉冲递送失败，应确保电缆连接正确，并确认电极与组织之间有充分接触。必要时，重新连接电极电缆至外部脉冲发生器，或在组织中重新调整针头位置。

在人类中使用肌肉松弛剂被认为对于防止脉冲递送期间出现强烈的骨盆收缩非常重要，若省略则可能导致肌肉收缩、潜在的膀胱壁穿孔、术后疼痛以及不必要的操作困难^24,25。在本研究中，猪未表现出与泌尿系统相关的任何不适症状；并且未观察到因电穿孔导致的穿孔、热效应、出血或尿道损伤。

此外，与需要使用有毒药物的 ECT 不同，CaEP 采用一种无毒且易于获得的试剂，从而避免了手术过程中处理化疗药物的复杂性²¹。若发生手术并发症，如出血或穿孔，则与经尿道膀胱肿瘤电切术（TURBT）中遇到的情况相似，并将相应地进行处理²⁵。

尽管该方法具有更多优势，但仍存在某些局限性。在解剖位置较难接近的区域，电极的放置可能较为困难。在猪的实验研究中，由于猪膀胱呈椭圆形，后壁可能难以触及。在研究过程中曾发生过两次此类情况，通过排空膀胱、减少膨胀，并用手（由外科医生操作）对猪的腹部施加压力得以缓解。电极仅能将脉冲传递至被针头直接穿过的组织，因此较大或呈多灶性的肿瘤可能需要重新定位和/或多次插入。

除了用于CaEP外，这种新型电极还可适用于其他治疗方式，如不可逆电穿孔（IRE）、基因治疗和电化学疗法（ECT）^16,23。此外，它也可能成为膀胱切除术等广泛外科手术的一种替代方案。

CaEP 可能还具有成本效益。单次 CaEP 治疗可能就已足够，从而避免反复使用化疗药物或免疫疗法^1,26。最后，电极可为电穿孔介导的免疫原性细胞治疗、细胞死亡及系统性免疫记忆的转化研究提供手段——或许还可与免疫疗法联合应用^11,12,20。

综上所述，该方案提出了一种新颖、可重复且具有临床适应性的膀胱内窥镜电穿孔方法。新设计的电极通过提供一种在技术上与标准设备兼容且易于使用的工具，克服了长期存在的技术障碍。尽管仍存在某些局限性，但该设计在微创癌症治疗的临床应用方面具有广泛潜力，且研究结果为即将开展的首次人体临床试验奠定了基础，该试验计划评估经尿道钙离子电穿孔（CaEP）在晚期膀胱癌患者中的安全性和疗效。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
葡萄糖酸钙 100 mg/mL	B.Braun（德国）
导管插入凝胶	Medac（丹麦法克瑟）		Instillagel
外部脉冲发生器的清洁绝缘导线	IGEA（意大利卡皮）
膀胱镜穿刺针	Laborie（新罕布什尔州，美国）		InjeTAK
一次性无菌塑料相机罩
用于经尿道手术的带液体收集袋和引流装置的手术单
外部脉冲发生器	IGEA（意大利卡皮）		Cliniporator EPS01；IGEA，必要时含脚踏板
静脉输液管路套装
环形切除工作元件	奥林巴斯（日本东京）
电切镜 ch27	奥林巴斯（日本东京）		包括望远镜、带工作通道的桥接装置、内鞘和外鞘、闭孔器
3升袋装生理盐水
手术台用无菌铺巾
无菌手套
助手用无菌手术衣
注射器			最好使用带有鲁尔锁的
OpField 电极	Soltech (Målø丹麦		内窥镜电极
泌尿科医生无菌手术袍
可视化平台	奥林巴斯（日本东京）		包含闪电数据线、摄像头头部