Интеграция электропорации в урологическую практику: проектирование и оценка нового трансуретрального электрода

Краткое содержание

В статье представлен простой и воспроизводимый метод трансуретральной кальциевой электропорации с использованием недавно разработанного эндоскопического электрода, совместимого со стандартным урологическим оборудованием. Это исследование является значительным шагом в области трансуретрального применения электропорации и прокладывает путь для расширения инновационного и малоинвазивного лечения опухолей мочевыводящих путей.

Аннотация

Опухоли мочевого пузыря представляют собой серьёзную проблему для здоровья, однако успехи в лечении были невелики. Электропорация — это использование коротких электрических импульсов, которые проникают в клеточные мембраны с целью прямого цитотоксического эффекта (необратимая электропорация) или для доставки лекарств и генов в клетки (обратимая электропорация). В этом исследовании использовался кальций (кальциевая электропорация). Использование электропорации в уроонкологии ограничено из-за отсутствия подходящих инструментов. Исследование сосредоточено на проектировании и клинической применимости нового трансуретрального электрода и его технических характеристиках у свиней. Этот электрод с фиксированной геометрией состоит из двух противоположных массив по три стрелки каждая. Центральная игла смещена от воображаемой линии между двумя внешними спицами. Это обеспечивает равномерное, квадратное распределение электрического поля. Электрод совместим с трансуретральным резектоскопом и является взаимозаменяемым рабочим элементом, через который телескоп вводится. Внешний генератор импульсов подключается к ручке. Запирающие механизмы обеспечивают выравнивание оборудования во время сборки. Пригодность оценивалась у здоровых свиных пузырей, которые похожи на человеческий и позволяют использовать похожие инструменты. Под общим наркозом резектоскоп вводили трансуретрально. Кальций вводили в стенку мочевого пузыря эндоскопической иглой, вводили электрод, и иглы вводили в область, где вводили кальций. Применялись электрические импульсы (8 импульсов, 100 мкс, 5000 Гц и 400 В, что соответствует соотношению напряжения к расстоянию электрода 1000 В/см). После этого инструменты были убраны. Обращение с инструментами тесно отражает устоявшиеся урологические методы. Позиционирование электрода было визуально контролируемо, а подача импульса соответствовала стандартным трансуретральным процедурам. Бобовые были успешно доставлены. Трансуретральное использование и работа нового электрода в мочевом пузыре совпадают с существующими урологическими инструментами и техниками, что позволяет урологам бесшовно адаптироваться.

Введение

Опухоли мочевого пузыря представляют собой значительную глобальную нагрузку для здоровья. Высокая заболеваемость и склонность к рецидивам ставят злокачественное опухольное заболевание одним из самых дорогостоящих видов^{рака 1,2}. Кроме того, ожидается, что к 2040 году заболеваемость увеличится примерно на⁷⁰%. Несмотря на растущие вызовы, терапевтических инноваций оставалось мало до^{недавнего времени.}

Одним из перспективных и перспективных методов лечения является электропорация, включающая применение коротких электрических импульсов для целевых^{тканей 5}. Импульсы временно или навсегда проникают клеточные мембраны, обеспечивая два различных терапевтических механизма. Необратимая электропорация (IRE), напрямую индуцирующая^{цитотоксичность 6}, и обратимая электропорация, способствующая внутреннеклеточной доставке лекарств или^{генов 7}. Электропорация уже установлена как метод лечения в других областях медицины, таких как сердечная абляция при аритмических сердечных^{заболеваниях 8} и электрохимиотерапия (ЭСТ) для различных видов рака^{9, 10 и 11}. Однако использование электропорации в уроонкологии ограничено.

Недавние достижения в терапии электропорации включают кальциевую электропорацию (CaEP). CaEP использует иначе нетоксичный кальций в качестве цитотоксического агента и ранее было показано, что она уничтожает опухоли с разной^{гистологией 12,13,14}. При кожных опухолях обычно используют игольчатые электроды или пластины с фиксированной^{геометрией} 14,15,16. В наблюдательном исследовании CaEP фазы I при повторяющихся опухолях слизистой головы и шеи использовался гибкий электрод для пальцев с иглами линейного массива, шестиугольный или линейный электрод на^{ручке 17}. В исследованиях рака колоректального и пищевода CaEP проводился с помощью электродов, совместимых с эндоскопами (колоноскопом или гастроскопом)13,18,19. Однако внутривезикальный CaEP затрудняется отсутствием подходящих инструментов для трансуретрального подхода, и на сегодняшний день лишь один отчет документирует влияние лечения CaEP на метастазы от уротелиальных карцином у^{людей 20}.

В настоящее время лечение опухолей мочевого пузыря при примис-переходных клеточных (уротелиальных) карциномах представляет собой трансуретральную резекцию (ТУРБТ), при которой ресектоскоп, вводящийся через уретру под визуальным наблюдением, ирригацией и обменом инструментов, что осуществляется защитной оболочкой, установленной в уретре. Опухоли удаляются с помощью биполярной резекционной петли, способной разрезать и свертывать ткань. Учитывая процедурные сходства между TURBT и электропорацией с помощью трансуретрального электрода, CaEP станет важным шагом вперёд как осуществимый и минимально инвазивный подход к лечению рака мочевого пузыря.

Новый «OpField electrode» (рисунок 1) нашей группы разработан для интеграции знакомой системы TURBT с электропорацией непосредственно в мочевой пузыре и обеспечивает простой и инновационный терапевтический вариант как для неинвазивных, так и для мышечно-инвазивных опухолей мочевого пузыря. В настоящей статье мы описываем проектирование, сборку и in vivo манипуляцию первого трансуретрального электрода для электропорации мочевого пузыря с помощью прямой эндоскопической визуализации.

Электрод — это одноразовый электрод с фиксированной геометрией, который состоит из двух противоположных массив по три иглы каждый. Длина игл составляет 4 мм, а центральная игла смещена на ~0,8 мм от воображаемой линии между двумя внешними спицами. Смещённая центральная стрелка обеспечивает равномерное, квадратное электрическое поле (рисунок 2). Электродная решетка состоит из дистального конца с биполярной конструкцией, с двумя лазерно вырезанными вилкообразными электродами, каждый из которых имеет по 3 иглы. Каждый полюс электрода установлен в прецизионную трубку из нержавеющей стали и покрыт медицинским ультрафиолетовым клеем. Каждая ножка электрода изолирована медицинским термоусадочным препаратом на основе полиолефина. Рукоять устройства печатается в 3D-принтере с использованием медицинской смолы. Эта подсборка проходит 100% визуальный осмотр, очищается и дезинфицируется перед окончательной сборкой в чистой комнате. Полностью собранное устройство упаковывается в термогерметичный пакет для стерилизации Tyvek и стерилизуется с помощью электронного излучения. Электрод совместим с трансуретральным резектоскопом, используемым для TURBT, и служит взаимозаменяемым рабочим элементом, через который телескоп вставляется. Внешний генератор импульсов подключается к рукоятке, а механизмы запирания обеспечивают выравнивание оборудования во время сборки.

Ещё одним очень важным преимуществом CaEP по сравнению с ЭСТ является использование нетоксичного кальция в качестве терапевтического агента на пользу как пациентам, так и медицинскому^{персоналу 21}.

In vivo оценивается потенциальное клиническое применение, пользовательский опыт и практические свойства электрода, а также совместимость и производительность со стандартными урологическими приборами для трансуретрального и эндоскопического использования. Эта часть выполняется у свиней по размеру с людьми, поэтому те же инструменты будут пригодны для использования. Схематическая схема процедуры показана на рисунке 3.

Протокол

Используйте здоровых свиней от четырёх до пяти месяцев весом 50–80 кг (Sus scrofa domesticus, самки), так как их мочевой пузырь напоминает человеческие. Размер свиней позволяет использовать те же транзуретральные эндоскопические инструменты, что и у людей. Анестезия свиней в соответствии с институциональными рекомендациями (например, кетамин (7-10 мг· ^{кг -1}), дексмедетомидин (20-40 мкг·кг ^-1) и буторфанол (0,1-0,2 мг· ^{кг -1}) в качестве преанестетика, а также внутривенный пропофол (0,3-0,5 мг·кг ^-1) и севофлурана в 60% кислороде при приливном объёме ¹⁰ мл·кг -1 в анестезии.

Этическое заявление
Исследования на животных проводятся в соответствии с разрешением Инспекции по экспериментам на животных (разрешение No 2024-15-0201-01759) и соответствуют руководящим принципам Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых в экспериментальных и других научных целях.

1. Подготовка приборов и оборудования

ПРИМЕЧАНИЕ: Стерильный резектоскоп собирается персоналом в стерильных мантиях и перчатках на столе со стерильными занавесками. Для лечения присутствуют два врача, специализирующихся на трансуретральных операциях. Один отвечает за вставку и управление инструментами в свине; другой выступает в роли помощника.

1. Вставьте телескоп в мостик с рабочим каналом.
2. Вставьте инструменты в ножны.
3. Подключите физиологический раствор к системе орошения на оболочке с помощью внутривенного трубочного набора.
4. Откройте комплект трубок, наполните трубку физиологическим раствором и вытесните воздух.
5. Подключите головку камеры и световой кабель к основанию телескопа.
6. Подключите стерильное трансуретральное оборудование к платформе чистой визуализации, чтобы получить изображение в реальном времени на подключённом экране.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это осуществляется при помощи нестерильного персонала. Перед процедурой изображение сбалансируется белым, чтобы белые объекты, записанные камерой, выглядели белыми. Все механизмы замка должны быть полностью защищены, чтобы предотвратить несоответствие или отключение и обеспечить правильное орошение во время процедуры.

2. Подготовка трансуретрального электрода

1. Выньте электрод из стерильной упаковки.
2. Подключите электрод к внешнему генератору импульсов, подключив стерильный изолированный кабель на ручке электрода к чистому изолированному кабелю у внешнего генератора импульсов.

3. Внешний генератор импульсов

1. Выберите линейную конфигурацию электрода на дисплее, так как она совместима с трансуретральным электродом.
2. Установите 8 импульсов с частотой 100 мкс, частотой 5000 Гц и напряжением 400 В, коррелирующей с отношением напряжения к расстоянию электрода 1000 В/см в отмеченных полях на экране.

4. Инъекционная игла и кальций глюконат

ВНИМАНИЕ: Обращайтесь с глюконатом кальция в соответствии с институциональными нормами безопасности. Утилизируйте глюконат кальция как опасные отходы.

1. Вынимите иглу для цистоскопии из стерильной упаковки и отрегулируйте длину наконечника иглы до 2 мм.
2. Приобретите бутылку кальциевого глюконата 100 мг·мл-1.
3. Наполните один или несколько шприцев необходимым кальцием глюконатом.
4. Подключите шприц (желательно с помощью шприца типа luer-lock) к дистальному концу иглы для цистоскопии.
   ПРИМЕЧАНИЕ: 2.2.–4.2. выполняются при поддержке нестерильного персонала. Использование других соединений кальция с такой же молярностью, как кальция, возможно²².

5. Приготовление свиньи

1. Поместите свинку в положение дорсальной литотомии, выровняя ягодицы по краю операционного стола.
2. Закрепите под свинью мешок для сбора жидкости и дренаж, используемый для трансуретральных процедур.
3. Очистите вульву водой и мылом. Нанесите гель в уретру для дезинфекции и обезболивания.

6. Процедура кальциевой электропорации

1. Откройте систему орошения на резектоскопе и подтвердите поток солевого раствора.
2. Введите резектоскоп, визуально направляемый через уретру в мочевой пузырь.
3. Остановите поток физиологического раствора после установки резектоскопа. Опорожните мочевой пузырь от остаточной мочи.
4. Возобновите приток солевой воды, пока мочевой пузырь не наполнится.
5. Проведите цистоскопию и осмотрите весь мочевой пузырь.
6. Введите иглу цистоскопии через рабочий канал мостика и визуализируйте кончик иглы.
7. Введите 0,3 мл глюконата кальция 100 мг·мл -1 в стенку мочевого пузыря, чтобы образовать пузырь в стенке мочевого пузыря.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инъекция кальция повторяется по мере необходимости, чтобы обеспечить полное покрытие области электропорации. В течение всего процесса орошение постоянно регулируется для обеспечения оптимального обзора стенки мочевого пузыря.
8. Удалите иглу цистоскопии.
9. Убери телескоп. Оставьте внешнюю защитную оболочку в уретре.
10. Снимите мост.
11. Вставьте телескоп в трансуретральный электрод.
12. Поместите телескоп и электрод в оболочку мочевого пузыря под визуальным руководством.
13. Вставьте иголки электрода в ткани, покрывающие участки, введенные глюконатом кальция.
14. Электрические импульсы подаются либо хирургом с помощью педали, либо нестерильным помощником, управляющим внешним генератором импульсов. Сначала используйте кнопку «заряд», затем кнопку «импульс».
15. Подтвердить завершение электрических импульсов и успешную доставку импульсов, считывая импульсы, генерируемые прибором (напряжение), и импульсы, поданные в ткань (ток), отображаемые на внешнем генераторе импульсов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При подаче пульса могут возникать лёгкие мышечные сокращения. В целях предосторожности во время процедуры можно вводить миорелаксанты. Электропорация следует проводить сразу после инъекции кальция. Во время лечения множественных/крупных опухолей рекомендуется чередование инъекции кальция и электропорацию. Теоретически протокол может быть приостановлен после обработки CaEP, но это не рекомендуется, так как лечение проводится под общей анестезией.

7. Постпроцедурный режим

1. Удалите телескоп и электрод, когда все участки, введенные глюконатом кальция, будут электропорированы.
2. Опорожни мочевой пузырь.
3. Аккуратно снимите резектоскоп с внешней оболочкой с помощью обтуратора.
4. Закончите общую анестезию и медикаментозное лечение.
5. Пусть свинья проснётся в соответствии с институциональными нормами.
6. Управляйте послепроцедурной болью при необходимости в соответствии с институциональными рекомендациями.
7. Утилизируйте электрод как острые отходы.

Результаты

Предварительное исследование на трёх свиньях весом 30-40 кг завершилось успешной электропорациями, но двух свиней пришлось эвтаназировать после операции: одну из-за кровотечения в уретру, а другую — из-за непреднамеренного внутрибрюшного введения чернил, предназначенных для маркировки мест лечения. Поэтому в основном исследовании использовались крупные свиньи весом примерно 80 кг, и введение чернил считалось ненужным. Всего было обработано 27 зон у 7 свиней, включая 5 поражений, введенных глюконатом кальция без электропорации, и 5 поражений только с электропорацией. Всего было проведено 176 импульсов. Приложенное напряжение составляло 400 В, а ток варьировался от 3 до 4 А.

Лечение проводил консультант-уролог, специализирующийся на трансуретральной хирургии. Введение и манипуляция электродом тесно отражают устоявшиеся урологические методы. В частности, управление инструментами было интуитивно понятным хирургической команде и отражало знакомство с движениями, необходимыми во время процедур, таких как TURBT. Электрод располагался внутри стенки мочевого пузыря под непрерывным визуальным наблюдением для точного размещения в ткани. Подача импульса и тока (8 импульсов 100 мкс, 5000 Гц и 400 В, соответствующих соотношению напряжения к электроду 1000 В/см) была успешной, постоянной и стабильной во всех случаях согласно показаниям на внешнем генераторе импульсов; и процедура параллельна традиционным резекционным петлям. Исследование подтвердило высокую степень знакомства и простоту внедрения урологами для клинической интеграции.

Цистоскопические исследования мочевого пузыря через 5 и 7 дней после CaEP показали утолщённую слизистые с отёком, эритемой и мелкими кровоизлияниями. Во всех случаях стенка мочевого пузыря была целой, без перфорации. После эвтаназии и выпотрошения мочевые пузырь наполнялись жидкостью, стенки оставались целыми, а кальцификации были видны сквозь прозрачные стенки. Аналогичные изменения наблюдались и в мочевом пузыре, обработанном только инъекциями кальция, тогда как электропорация сама по себе показала минимальное кровотечение и отсутствие других изменений. Все остальные органы брюшной полости были в норме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
Применение нового трансуретрального электрода в мочевом пузыре демонстрирует согласованность с устоявшимися урологическими инструментами и методами. Процедурное сходство с традиционной трансуретральной хирургией и стабильность подачи пульса и тока обеспечивают быстрый и бесшовный переход в клиническую урологию. Клиническое внедрение планируется начать с первого на людях испытания, в котором CaEP и трансуретральный электрод будут оцениваться у пациентов с прогрессирующим раком мочевого пузыря.

Рисунок 1. Прототип трансуретрального электрода. Электрод совместим с трансуретральным резектоскопом, используемым для TURBT. Электрод — это взаимозаменяемый рабочий элемент. Телескоп вставляется в электрод, что позволяет визуально направлять иглы в стенку мочевого пузыря. Внешний генератор импульсов подключён к ручке электрода. Запирающие механизмы обеспечивают выравнивание оборудования во время сборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. (A) Схематическая иллюстрация активной части электрода. Электрод с фиксированной геометрией состоит из двух противоположных массив по три иглы каждая. Центральная стрелка в каждом ряду смещена от воображаемой линии между двумя внешними иглы. Расположение стрелок обеспечивает равномерное, квадратное распределение электрического поля. Измерения ведутся в мм. (B) Активная часть электрода. В подковообразной конфигурации два ряда игл размещаются вместе с смещённой центральной иглой. Канал телескопа виден в верхней части фотографии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Схематическая иллюстрация процедуры CaEP, выделяющая основные процедурные этапы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

Протокол подробно описывает использование нового трансуретрального электрода OpField для CaEP в мочевом пузыре свинины и представляет собой значительный прогресс в применении электропорации в^{урологии 23}. Одной из достоинств метода является его бесшовная интеграция в стандартное урологическое оборудование. Совместимость позволяет близко сравнивать с TURBT и обеспечивает немедленное внедрение в клинической среде благодаря процедурному сходству. Продолжительность CaEP и TURBT зависит от размера опухоли, но продолжительность процедур схожа. Конструкция электрода с фиксированной геометрией обеспечивает однородное распределение электрического поля, что необходимо для стабильной эффективности электропорации.

Несколько этапов протокола важны для успешного выполнения. Это включает правильное орошение для обеспечения оптимальной видимости во время процедуры. Правильная сборка и фиксация компонентов резектоскопа и электрода критически важна для стабильности и безопасности. Плохая видимость, любое смещение или отключение могут снизить точность установки игл и подачу импульсов. Успешное лечение также зависит от точного визуального размещения игл электрода в область, введённой кальцием. Могут потребоваться корректировки протокола в зависимости от размера опухоли и характеристик мочевого пузыря. Для полного покрытия опухолей может потребоваться изменение объёма кальция. Система орошения может быть адаптирована при плохой видимости. В случае неудачи подачи импульса система обратной связи внешнего генератора предоставляет немедленное уведомление и позволяет оперативно выявлять проблемы с подключением, контактом или размещением. Если подача импульса не удаётся, убедитесь, что кабели правильно соединены и достаточно контакта электрода с тканью. При необходимости подключите кабели электрода к внешнему генератору импульсов или переместите иглы в ткани.

Использование миорелаксантов у людей считается важным для предотвращения сильных сокращений таза во время подачи пульса, и их отсутствие может привести к мышечным сокращениям, возможной перфорации стенки мочевого пузыря, послеоперационной боли и ненужным процедурным^{трудностям 24,25}. В настоящем исследовании у свиней не было признаков дискомфорта в мочевыводящей системе; а также перфорация, термические эффекты, кровотечение или травмы уретры не наблюдались в результате электропорации.

Более того, в отличие от ЭСТ, которая требует токсичных препаратов, CaEP использует нетоксичный и легко доступный агент, и сложность обращения с химиотерапевтикой во время хирургического вмешательства^{избегается 21}. В случае хирургических осложнений, таких как кровотечение или перфорации, будут похожи на те, что встречаются в TURBT, и будут лечиться соответствующим^{образом 25}.

Несмотря на дополнительные преимущества, у этого метода есть определённые ограничения. Расположение электрода может быть проблематичным при труднодоступных опухолях в сложных анатомических областях. В исследовании свиней задняя стенка может быть труднодоступна из-за продолговатой формы свиного мочевого пузыря. Это повторялось дважды во время исследования и было облегчено опорожнением мочевого пузыря, уменьшением раздутия и давлением на живот свиньи рукой (со стороны хирурга). Электрод подаёт импульсы только на ткани, непосредственно проникающие иглы, и крупные или многоочагальные опухоли могут потребовать перестановки и/или многократных введений.

Помимо использования в CaEP, новый электрод может быть адаптирован для других методов, таких как IRE, генная терапия и ECT^16,23. Кроме того, это может быть альтернативой обширным хирургическим методам, таким как цистэктомия.

CaEP также может быть экономически эффективным. Одно лечение с помощью CaEP потенциально будет достаточным и избавит от повторных установок химиотерапии или иммунотерапии ^1,26. Наконец, электрод может служить средством для трансляционных исследований иммуногенной клеточной терапии, гибели клеток и системной иммунной памяти — возможно, в сочетании с иммунотерапий 11,12,20.

В заключение, протокол вводит новый, воспроизводимый и клинически адаптируемый метод эндоскопической электропорации мочевого пузыря. Новый электрод решает давние барьеры, предоставляя инструмент, технически согласованный со стандартным оборудованием и простой в использовании. Хотя определённые ограничения сохраняются, дизайн предлагает широкий потенциал клинического применения в малоинвазивных методах лечения рака, а результаты открывают путь для первого клинического исследования на людях, направленного на оценку безопасности и эффекта трансуретрального CaEP у пациентов с запущенным раком мочевого пузыря.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Кальций глюконат 100 мг/мл	Б. Браун (Германия)
Катетеризационный гель	Медак (Факсе, Дания)		Instillagel
Чистый изолированный кабель для внешнего генератора импульсов	IGEA (Карпи, Италия)
Игла для цистоскопии	Лабори (Нью-Гэмпшир, США)		InjeTAK
Одноразовая пластиковая стерильная крышка для камеры
Шторы для трансуретральных процедур с подсумком для сбора жидкости с дренажем
Внешний генератор импульсов	IGEA (Карпи, Италия)		Cliniporator EPS01; IGEA, включая педаль для ноги при необходимости
Внутривенный набор трубок
Рабочий элемент резекции петли	Olympus (Токио, Япония)
Резектоскоп главы 27	Olympus (Токио, Япония)		Включая телескоп, мостик с рабочим каналом, внутреннюю и внешнюю оболочку, обтуратор
Физиологический раствор в 3-литровой сумке
Стерильные шторы для стола
Стерильные перчатки
Стерильная хирургическая халат для ассистента
Шприц			Желательно с Luer-Lock
Электрод OpField	Soltech (Må lø v, Дания)		Эндоскопический электрод
Халат уролога-стерильного хирурга
Платформа визуализации	Olympus (Токио, Япония)		Включая кабель молнии, головку камеры