泌尿科实践中电穿孔的整合：新型经尿道电极的设计与评估

摘要

本文提出了一种使用新开发的内镜电极，兼容标准泌尿设备，进行经尿道钙离子穿孔的简便且可重复的方法。该研究是电穿孔经尿道应用的重要进展，为尿路肿瘤创新和微创治疗的扩展铺平了道路。

摘要

膀胱肿瘤是一个重大的健康挑战，但治疗进展有限。电穿孔是利用短暂的电脉冲渗透细胞膜，目的是直接产生细胞毒性（不可逆电穿孔），或用于将药物和基因输送到细胞中（可逆电穿孔）。本研究使用了钙（钙电穿孔）。由于缺乏合适的仪器，电穿孔在泌尿肿瘤学中的应用受到限制。该研究重点关注新型经尿道电极的设计和临床可用性及其在猪体内的技术表现。该固定几何电极由两组相对排列组成，每组三针。中央针与两根最外侧针之间的假想线偏移。这确保了均匀、方形的电场分布。该电极兼容经尿道切除镜，是望远镜插入时可互换的工作元件。外部脉冲发生器连接到手柄。锁定机构确保设备在组装过程中的对齐。在健康的猪膀胱中评估了适用性，这些膀胱外形类似人类，且允许使用类似的器械。在全身麻醉下，切除镜通过尿道插入。用内镜针将钙注入膀胱壁，插入电极，针头置于注射钙的区域。施加了电脉冲（8脉冲，100微秒，5000赫兹和400伏，对应1000伏/厘米电压与电极距离比）。随后仪器被收回。器械的操作方式与既有泌尿科技术高度相似。电极的位置通过目视控制，脉冲传递与标准经尿道手术相当。脉冲成功送达。新电极在膀胱中的经尿道使用和性能与现有泌尿设备和技术相匹配，使泌尿科医生能够无缝适应。

引言

膀胱肿瘤构成了全球健康的重要负担。高发病率和复发倾向使恶性肿瘤成为最昂贵的癌症类型^之一。此外，预计到2040年，发生率将增加约70%。尽管挑战日益严峻，治疗创新直到最近仍然很少。

一种新兴且有前景的治疗方式是电穿孔术，即对^靶向组织施加短暂电脉冲5。脉冲暂时或永久地使细胞膜渗透，实现两种不同的治疗机制。不可逆电穿孔（IRE）直接诱导细胞毒性^6，以及可逆电穿孔促进药物或基因细胞内递送^7。电穿孔已在其他医学领域确立为治疗方式，如心律失常心脏病的心脏消^{融8和各种癌症的}电化疗（ECT）^9,10,11。然而，电穿孔在泌尿肿瘤学中的应用有限。

电穿孔治疗的最新进展包括钙电穿孔（CaEP）。CaEP利用本无毒性的钙作为细胞毒性剂，且此前已被证明能消灭不同组织学特征的肿瘤12,13,14。在皮肤肿瘤中，常用固定几何针电极或板，编号^14、15、16。在一项针对复发性头颈粘膜肿瘤的CaEP一期观察性研究中，使用了带线性阵列针的柔性指电极、带手柄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检测采用与内镜兼容的电极（结肠镜或胃镜）13,18,19。然而，膀胱内CaEP因缺乏适合经尿道入路的器械而受阻，迄今仅有一份报告记录了CaEP治疗对人类尿路上皮癌转移的影响²⁰。

目前治疗原初性过渡细胞（尿皮）癌膀胱肿瘤的方法是经尿道切除术（TURBT），该术通过视线引导插入切除镜，通过视觉引导、冲洗和器械交换，并通过置于尿道的保护鞘进行。肿瘤通过双极切除环切除，能够切割和凝固组织。鉴于TURBT与经尿道电极电穿孔术在操作上的相似性，CaEP作为治疗尿路癌的可行且微创方法，将是一大进步。

我们团队设计的新型“OpField电极”（见图1）旨在将TURBT中熟悉的装置与膀胱内的电穿孔直接结合，为非肌肉侵入性和肌肉侵入性膀胱肿瘤提供一种简单且创新的治疗选择。本文描述了膀胱电穿孔首个经尿道电极的设计、组装及 体内操作， 并通过直接内镜可视化。

该电极为一次性固定几何电极，由两组相对排列的三针组成。针长4毫米，中央针与两根最外侧针之间的假线偏移约0.8毫米。偏移的中央针确保电场均匀、方形（见图2）。电极阵列组件由远端组成，采用双极结构，配有两个激光切割的叉状电极，每个电极具有3个针尖。每个电极极都安装在精密不锈钢管内，并用医用级紫外线胶进行外塑。每个电极腿均采用医用级聚烯烃热收缩器绝缘。设备的手柄采用医用级树脂3D打印。该子组件经过100%目视检查，并在进入无尘室最终组件前进行清洁和消毒。完全组装好的设备被密封在Tyvek灭菌袋中，并使用电子束辐射进行灭菌。该电极兼容用于TURBT的经尿道切除镜，并作为望远镜插入的可互换工作元件。外部脉冲发生器连接到手柄，锁定机构确保组装过程中设备对齐。

与电休克治疗相比，CaEP的另一个重要优势是使用无毒钙作为治疗剂，这对患者和医护人员都有益处²¹。

正在体内评估该电极的临床应用潜力、用户体验和实际性能，并评估其与标准泌尿道器械在经尿道和内镜应用中的兼容性和性能。这一部分在体型与人类相似的猪身上进行，因此同样的仪器也可用。该过程的示意图见图3。

方案

使用体重50–80公斤、四到五个月大的健康猪（Sus scrofa domticus，雌性），因为它们的膀胱与人类相似。猪的体型允许使用与人类相同的经尿道内窥镜器械。按照机构指南对猪进行麻醉（即用氯胺酮（7-10 mg· ^kg-1）、右美托咪定（20-40 μg·kg ^-1）和丁托凡醇（0.1-0.2 mg·kg ^-1）作为麻醉，静静脉注射丙泊酚（0.3-0.5 mg·kg·kg-1）和七氟醚，在60%氧气中，潮气体积为10 mL· ^kg-1 时用作麻醉。

伦理声明
动物研究按照动物实验检查局授权（许可证号2024-15-0201-01759）进行，并遵循欧洲《欧洲保护用于实验及其他科学用途脊椎动物公约》的指导方针。

1. 仪器和设备的准备

注意：无菌切除镜由穿着无菌手术服和手套的工作人员在有无菌窗帘的桌子上组装。治疗过程中，有两位擅长经尿道手术的医生在场。一台负责将器械插入和操作猪体内;另一位则担任助理。

1. 将望远镜插入带有工作通道的桥梁中。
2. 将器械插入鞘中。
3. 用静脉输液管将生理盐水连接到鞘上的冲洗系统。
4. 打开管子套装，注入生理盐水，排开空气。
5. 将相机头和照明线连接到望远镜底座上。
6. 将无菌经尿道设备与干净的可视化平台连接，实时生成连接屏幕上的图像。
   注意：此操作需由非无菌人员协助。在手术前，图像进行白平衡处理，以确保相机记录的白色物体呈现白色。所有锁具机构必须完全固定，以防止错位或断开连接，并确保操作过程中正确灌溉。

2. 经尿道电极的制备

1. 把电极从无菌包装里取出来。
2. 通过将电极手柄处的无菌绝缘电缆连接到外部脉冲发生器处的干净绝缘电缆，将电极连接到外部脉冲发生器。

3. 外部脉冲发生器

1. 在显示屏上选择线性配置电极设置，因为这与经尿道电极兼容。
2. 设置8个100微秒脉冲，频率5000 Hz，电压400伏，对应屏幕上指定场中电压与电极距离比值1000 V/cm。

4. 注射针头和葡萄糖酸钙

注意：按照机构安全规定处理葡萄糖酸钙。将葡萄糖酸钙视为危险废弃物处理。

1. 将膀胱镜针从无菌包装中取出，并将针尖长度调整为2毫米。
2. 准备一瓶100毫克·毫升1的葡萄糖酸钙。
3. 用一个或多个注射器填充所需的葡萄糖酸钙。
4. 将注射器（最好使用Luer-Lock型注射器）连接到膀胱镜针的远端。
   注：2.2-4.2。这些工作由非无菌人员协助完成。使用具有相同摩尔含钙率的其他钙化合物^是可能的。

5. 猪肉的准备

1. 将猪置于背侧岩石切开姿势，臀部与手术台边缘对齐。
2. 在猪体内固定一个带引流管的液体收集袋，用于经尿道手术。
3. 用水和肥皂清洁外阴。在尿道内放置消毒和止痛凝胶。

6. 钙电穿孔手术

1. 打开切除镜的灌溉系统，确认盐水流量。
2. 插入切除镜，通过视线引导通过尿道进入膀胱。
3. 一旦切除镜就位，停止盐水流动。把膀胱里残留的尿液清空。
4. 恢复生理盐水流入，直到膀胱充满。
5. 进行膀胱镜检查并检查整个膀胱。
6. 将膀胱镜针穿过桥梁的工作通道，观察针头尖端。
7. 将0.3毫升葡萄糖酸钙100毫克·毫升-1注射到膀胱壁，形成膀胱壁囊泡。
   注意：钙注射视需要重复进行，以确保电穿孔区域完全覆盖。在整个过程中，冲洗系统会持续调整，以确保对膀胱壁有最佳的观察。
8. 拔掉膀胱镜针头。
9. 把望远镜拆下来。将外层保护套留在尿道内。
10. 拆掉桥。
11. 将望远镜插入经尿道电极。
12. 在目视引导下，将望远镜和电极放入膀胱鞘中。
13. 将电极针插入覆盖注射葡萄糖酸钙区域的组织中。
14. 电脉冲可由外科医生使用脚踏板施加，或由非无菌助手操作外部脉冲发生器。首先，先按“充电”按钮，再按“脉冲”按钮。
15. 通过读取仪器产生的脉冲（电压）和传递到组织的脉冲（电流），确认电脉冲完成并成功传递脉冲。
    注意：脉搏传递时可能会出现轻微肌肉收缩。作为安全预防措施，手术过程中可以使用肌肉松弛剂。注射钙后应立即进行电穿孔。治疗多重或较大肿瘤时，建议交替使用钙注射和电穿孔。理论上，治疗后可暂停该方案，但不建议，因为治疗是在全身麻醉下进行的。

7. 程序后团

1. 当所有注入葡萄糖酸钙的区域都被电插出来后，取出望远镜和电极。
2. 把膀胱排空。
3. 用闭孔器小心取出外鞘切除镜。
4. 完成全身麻醉和药物治疗。
5. 让猪按照机构的规定醒来。
6. 根据机构指南，必要时管理术后疼痛。
7. 将电极作为锐利废弃物处理。

结果

一项对3头30-40公斤猪的初步研究成功电切孔，但其中2头猪术后不得不安乐死，一头因尿道出血，另一头因无意中注射了用于标记治疗部位的腹腔内墨水。因此，在主要研究中，使用了体重约80公斤的较大猪，墨水注入被认为没有必要。共治疗7头猪共27个区域，其中5个病灶注射葡萄糖酸钙但未进行电切，5个病灶仅进行电切穿孔。共进行了176次脉冲。施加电压为400伏，电流范围为3–4安培。

治疗由专门从事经尿道手术的泌尿科顾问医生执行。电极的插入和操作与已建立的泌尿科技术高度相似。具体来说，手术团队对器械操作直观，反映了对TURBT等手术中所需动作的熟悉。电极在膀胱壁内，持续视觉引导下放置，以确保准确定位于组织中。脉冲和电流的传递（8次脉冲，分别为100微秒、5000赫兹和400伏，对应1000伏/厘米电压与电极距离比）在所有情况下均成功、稳定且稳定，基于外部脉冲发生器的读数;手术过程与传统切除环相似。该研究证实了泌尿科医生在临床整合方面高度熟悉且易于采用。

CaEP后第5天和第7天膀胱镜检查显示黏膜增厚，伴有水肿、红斑和小出血。所有情况下，膀胱壁均完好无损，没有穿孔。安乐死和剖腹后，膀胱充满液体，膀胱壁依然完整，透过透明的壁可以看到钙化。仅用钙注射治疗膀胱时观察到类似变化，而仅用电穿孔治疗则出血较少，且无其他变化。其他腹部器官均正常。

结论：
在膀胱内应用新的经尿道电极，显示出与既有泌尿设备和技术的一致性。其手术过程与传统经尿道手术相似，且脉搏和电流传递的稳定性，支持快速且无缝地转化为临床泌尿科。临床实施计划从首次人体试验开始，评估晚期膀胱癌患者的CaEP和经尿道电极。

图1。 经尿道电极原型。该电极兼容用于TURBT的经尿道切除镜。电极是一个可互换的工作元件。望远镜插入电极，使针头能够通过目视引导将针头置入膀胱壁。外部脉冲发生器通过电缆连接到电极手柄。锁定机构确保设备在组装过程中对齐。 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。固定几何电极由两个相对排列组成，每组三针。每个阵列中的中心指针与两根最外侧指针之间的假线偏移。针的排列确保了均匀的方形电场分布。测量单位为毫米。（B）电极的活性部分。在马蹄形配置中，两组针与偏移的中央针排列在一起。望远镜通道可见于照片顶部。请点击此处查看该图的放大版本。

图3。 CaEP程序的示意图，突出了主要的程序阶段。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

该方案详细介绍了一种新型经尿道OpField电极用于猪膀胱中的CaEP，并在泌尿科²³应用电切孔方面取得了重大进展。该方法的一个优势是能够无缝集成到标准泌尿设备中。其兼容性使得与TURBT进行密切比较，并因操作相似性支持临床环境中的即时采用。CaEP和TURBT的持续时间取决于肿瘤大小，但手术时间相似。电极的固定几何设计确保了电场分布均匀，这对于电穿孔的有效性保持一致至关重要。

协议中有若干步骤对于确保成功执行至关重要。这包括适当灌溉，以保持最佳的可见度。正确组装并锁定切除镜和电极的组件对于稳定性和安全至关重要。视野差、错位或断开连接都可能影响针头位置和脉冲传递的准确性。治疗成功还取决于电极针在钙注射部位的精确视觉定位。根据肿瘤大小和膀胱特性，可能需要对方案进行调整。可能需要改变钙体积以完全覆盖肿瘤。如果能见度差，灌溉系统可能会进行调整。脉冲传输失败时，外部发生器的反馈系统会立即发出通知，并能及时识别连接、接触或布置问题。如果脉冲传递失败，确保电缆正确连接，电极与组织有足够的接触。如有必要，将电极的电缆重新连接到外部脉冲发生器，或重新定位针头在组织中。

人类使用肌肉松弛剂被认为有助于防止脉搏递送时的剧烈盆腔收缩，未服用可能导致肌肉收缩、膀胱壁穿孔、术后疼痛及不必要的操作困难^24,25。在本研究中，猪在泌尿系统方面未表现出任何不适的迹象;电穿孔未发现穿孔、热效应、出血或尿道创伤。

此外，与需要有毒药物的电休克不同，CaEP使用无毒且易得的药物，避免了手术中化疗药物操作的复杂^性。如出血或穿孔等手术并发症，将与TURBT中遇到的情况类似，并将相应^处理。

尽管有更多优点，该方法也存在一定局限性。在难以接触的肿瘤、复杂解剖区域，电极的位置可能会有问题。在猪的观察中，由于猪膀胱呈长方形，后壁可能难以触及。研究期间发生了两次，通过排空膀胱、减少膀胱膨胀，并用手按压猪腹部（由外科医生操作）得到缓解。电极仅向针头直接穿透的组织发送脉冲，大型或多灶性肿瘤可能需要重新定位和/或多次插入。

除了在CaEP中的应用外，新电极还可以适应其他治疗方式，如IRE、基因治疗和ECT^16,23。此外，它也可能成为膀胱切除术等复杂手术选项的替代方案。

CaEP也可能更具成本效益。一次CaEP治疗可能足够，避免反复使用化疗或^{免疫治疗1,26}。最后，该电极可能为电穿孔介导的免疫原性细胞疗法、细胞死亡和系统性免疫记忆等转化研究提供一种手段——可能与免疫疗法结合^使用。

总之，该方案引入了一种新颖、可重复且临床适应性的膀胱内镜电穿孔方法。新设计的电极通过技术上与标准设备对齐且易于使用的工具，解决了长期存在的障碍。尽管仍存在一定局限性，该设计在微创癌症治疗中的临床应用具有广泛潜力，其结果为计划中的首个人体临床试验铺平了道路，该试验旨在评估经尿道CaEP在晚期膀胱癌患者的安全性和效果。

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）
导管凝胶	Medac（丹麦法克斯）		因斯蒂拉盖尔
外部脉冲发生器的绝缘电缆清洁	IGEA（意大利卡尔皮）
膀胱镜针	拉博里（新罕布什尔州，美国）		因杰塔克
一次性塑料无菌相机罩
带引流的经尿道手术用带输液袋的绷带
外部脉冲发生器	IGEA（意大利卡尔皮）		粘膜探测器EPS01;IGEA，必要时包括脚踏板——nbsp;
静脉输液管组
环形切割工作元件	奥林匹斯（日本东京）
切除镜第27章	奥林匹斯（日本东京）		包括望远镜、带工作通道的桥梁、内外护套、闭合器
3升袋装生理盐水
餐桌上的无菌窗帘
无菌手套
助理无菌手术袍
注射器			最好是和卢尔-洛克一起
OpField电极	Soltech（MåLøv，丹麦）		内窥镜电极
泌尿科医生无菌外科医生袍
可视化平台	奥林匹斯（日本东京）		包括避雷线、摄像机云台