張旭輝 彭玉蘭 廖中凡 徐金順

熱消融是指運用嚴苛的溫度條件（相對于細胞），包括相對高溫和相對低溫，誘導組織細胞發(fā)生不可逆性損傷，并最終導致細胞死亡的治療方式。常用的熱消融技術主要有射頻消融、微波消融、冷凍消融、高強度聚焦超聲（high-intensity focused ultrasound，HIFU）和激光消融，可用于肝癌、腎癌、肺癌、骨癌、乳腺癌、轉移癌等多種病理類型腫瘤的治療［1-2］。其中，射頻消融、微波消融、高強度聚焦超聲和激光消融通過將局部組織加熱到60℃及以上達到損傷靶組織的目的，而冷凍消融通過將局部組織逐漸冷卻到-20℃～-40℃從而造成靶組織死亡［1，3］。本文就熱消融的基本細胞學機制、常用熱消融技術的原理及優(yōu)缺點等進行綜述，以期指導臨床熱消融技術的進一步推廣和應用。

一、熱消融的基本細胞學機制

在熱消融過程中，細胞損傷發(fā)生在從亞細胞水平到組織水平的多個層面。當溫度達到41℃時，靶組織內血管擴張，血流量增加，啟動細胞內基因快速表達等一系列過程，從而促進熱休克蛋白合成，增加細胞對高溫的耐受能力，并啟動熱休克反應；當溫度從42℃升高到46℃時，細胞開始產生不可逆性損傷；當溫度從46℃升高到52℃時，靶組織內微血管血栓形成，導致局部缺血缺氧，加快細胞死亡；當溫度達到60℃及以上時，細胞質膜融化，細胞內蛋白質迅速發(fā)生變性，產生大量細胞毒性蛋白質，導致凝固性壞死［3-4］。

相反，當溫度逐漸降至-20℃～-40℃時，細胞內新陳代謝停止；隨著溫度進一步降低，細胞外形成冰晶［5］。由于冰晶隔離了自由水，增加了細胞外液張力，滲透張力迫使細胞內液流向細胞外，導致細胞脫水，從而引起滲透性休克［3，6］。此時，由于細胞內脫水，電解質濃度增加，細胞內蛋白質的三維構象發(fā)生改變，導致細胞質酶損傷和質膜不穩(wěn)定性增加［6］。當消融結束后，溫度慢慢回升，上述滲透梯度發(fā)生逆轉，細胞外液滲透進細胞內，進一步引起細胞膨脹、破裂，導致細胞死亡［3］。此外，當溫度迅速降至-20℃～-40℃時，由于細胞內沒有足夠時間進行脫水，導致自由水被困在細胞內形成冰晶，對質膜和細胞器產生機械剪切力，從而造成細胞機械性損傷［6］。

由此可見，熱消融的基本細胞學機制分為兩個方面：①通過使細胞內關鍵酶功能失活，抑制DNA復制、RNA轉錄，細胞有絲分裂停止和溶酶體酶釋放，導致細胞死亡［1，7］；②通過使細胞內超微結構發(fā)生改變，包括線粒體嵴的囊泡化、線粒體腫脹和致密小體形成，從而促進跨線粒體內膜的質子泄露，導致細胞死亡［4］。

二、常用熱消融技術的概念、技術原理及優(yōu)缺點

（一）射頻消融

1.概念和技術原理。射頻是指電磁波譜中頻率為3 Hz～300 GHz的無線電波。在臨床中通常使用的頻率為460～500 kHz［8］。射頻消融的電極充當整個電路的陰極，患者背部或大腿貼上接地墊構成陽極，形成閉合回路［9-10］。利用射頻交流電在靶組織中產生電阻性加熱［7，11］，其中電子（e-）構成射頻交流電，離子（Na+、K+和Cl-）構成電阻。由于組織的導電性差，流經組織的電流會導致離子的振動和摩擦熱的產生。因此，靠近射頻電極的組織會經受最大的電流，溫度上升最快（即直接加熱）；遠離射頻電極的組織主要通過熱傳導來進行加熱（即間接加熱）。由于射頻電極本身不是熱源，其主要通過產生射頻交流電引起相鄰離子不停地振動、摩擦，從而產生熱量［12］。當局部組織升溫到100℃而發(fā)生沸騰、氣化或碳化時，“燒焦的組織”相當于絕緣體，其電阻驟然增加，限制交流電的流動，降低熱量傳遞效率，導致消融范圍縮?。?3］。因此，射頻消融往往是一個自限的過程，需要緩慢、勻速地升高溫度。

2.優(yōu)缺點。射頻消融的優(yōu)點：①為微創(chuàng)治療，創(chuàng)傷小、恢復快、可重復治療［8］；②對周圍正常組織的損傷較小；③通常無需全身麻醉［9］。射頻消融的缺點：①過于依賴良好的組織導電性和導熱性；②射頻交流電局限于射頻電極周圍，消融范圍有限（最大徑≤3 cm）；③易受熱沉效應的影響，難以根除腫瘤。熱沉效應是指當靶組織緊鄰大血管（內徑≥3 mm）時，流動的血流帶走部分熱量的現(xiàn)象［14］。由于熱沉效應限制了鄰近大血管的腫瘤組織急速升溫，容易導致消融不完全，從而影響預后［15-16］。

（二）微波消融

1.概念和技術原理。微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的一種電磁波，介于無線電波和紅外線之間［17］。臨床中通常使用的頻率為915 MHz和2.45 GHz［18］。微波由微波發(fā)生器內的磁控管產生，經電纜和天線傳遞至靶組織，通過在靶組織周圍產生交變電磁場，其以每秒20～50億次的速度改變極性，迫使靶組織中的偶極分子（主要為水分子）與振蕩電磁場的速度保持一致［19］。由于偶極分子無法跟上快速振蕩的電磁場，部分電磁能轉化為偶極分子簡諧振蕩的動能，從而將交變電磁場的能量轉化為熱能，提高靶組織的溫度［3，7］。其中，產熱率（Qh）與外加電場強度（E）的平方成正比，即Qh=σ│E│2，σ代表有效電導率（S/m），用于表示微波吸收的程度。由于人體內水分含量高，大多數組織具有較高的電導率，因此容易吸收微波能量，產生較大的消融范圍。

2.優(yōu)缺點。微波消融的優(yōu)點：①與射頻消融不同，微波消融的能量不是電流，而是傳播的電磁場，更少受到熱沉效應的影響，容易穿過燒焦或脫水的碳化組織［20］；②微波不依賴或絕少依賴相鄰組織的傳導，可在導電性差的組織（如骨、肺）中傳播，因此應用范圍更廣泛［21］；③微波頻率較高，能產生更多的熱量，多個微波天線同時應用能產生協(xié)同作用，加熱速度更快、熱場分布更均勻，消融范圍更廣［22］。微波消融的缺點：①設備（電纜、天線）笨重；②天線容易過熱，需要冷卻裝置保護天線的表面結構。

（三）冷凍消融

1.概念和技術原理。冷凍消融是指應用細胞毒性低溫破壞腫瘤組織的治療方法，主要應用于肺、腎腫瘤和骨轉移腫瘤［6，11］。冷凍消融前需要先將冷凍探針置于靶組織內，當冷凍探針的內部溫度降低至-160℃以下時，低溫通過對流和熱傳導迅速轉移到冷凍探針的金屬壁上，進而在冷凍探針的最遠端形成冰球。冰球與靶組織發(fā)生物理接觸并通過熱傳導將熱量轉移，從而將靶組織溫度逐漸降至-20℃～-40℃［6，23］。冷凍探針本質上是一個高壓、閉合的氣體膨脹系統(tǒng)，所用氣體多為液態(tài)高壓氣體（如氬氣、氦氣）。當高壓的針內氬氣進入冷凍探針最遠端的小腔室之前，會被強制通過一個狹窄的節(jié)流閥，之后快速膨脹到大氣壓［17］。由于存在焦耳-湯姆遜效應，快速膨脹的氬氣溫度大幅急劇下降，隨后從針轂中排出［11，24］。理想的冷凍消融過程要求快速冷凍靶組織，緩慢而完全地解凍靶組織，然后進入第二次凍融循環(huán)。在靶組織的解凍過程中，冷凍探針的升溫和組織的解凍是在同一系統(tǒng)內通過高壓氦氣完成［23，25］。

2.優(yōu)缺點。冷凍消融的優(yōu)點：①可實時監(jiān)測消融區(qū)，相較于高溫氣體對超聲圖像產生的干擾，冷凍的冰球能被超聲圖像清晰顯示，便于實時觀察，通過調節(jié)和控制氣體釋放速率，有利于精確控制消融范圍［6，11］；②數個冷凍探針能夠產生協(xié)同作用，擴大消融范圍［26］；③通常無需全身麻醉，由于組織的冷卻本身就具有局部麻醉作用，冷凍消融患者往往較射頻消融和微波消融患者痛苦更少［24］；④較少受到熱沉效應的影響［27］；⑤有利于治療靠近膠原組織和彈性組織的腫瘤，由于膠原組織和彈性組織（如支氣管和血管等）能夠耐受低溫，冷凍消融不會破壞其組織完整性，從而可以安全地對靠近這些結構的腫瘤進行消融［28］。冷凍消融的缺點：①容易引起低溫休克，包括低血壓、多器官功能衰竭和彌散性血管內凝血等，進而導致出血［3，11］；②成本較高［6］，需要購買和儲存足夠的液態(tài)氬氣和氦氣；③極低的溫度容易造成神經損傷［24］。

（四）HIFU

1.概念和技術原理。HIFU是唯一的非侵入性熱消融治療方式，通過將多個超聲波聚焦于一點，使局部組織溫度瞬間升高到60℃及以上，從而產生熱損傷，同時其還能在組織中產生機械效應，導致細胞死亡。與傳統(tǒng)超聲能量密度（約720 mW/cm2）相比，HIFU的能量密度可達到100～10 000 W/cm2，通常僅需0.5～1.0 s，即可產生60℃及以上的高溫以快速消融靶組織［29］。HIFU主要通過熱效應誘導細胞發(fā)生凝固性壞死。此外，還能產生一系列物理化學效應，包括空化作用、微射流和聲輻射力［30］。高強度聲壓引起細胞內微氣核和組織內氣泡（微米量級）不斷發(fā)生膨脹和收縮，這一空化氣泡急劇崩潰閉合的過程即為空化作用。微氣核和氣泡收縮、塌陷的同時，會向周圍組織釋放沖擊波，產生微射流和聲輻射力，造成細胞機械性損傷（核膜、線粒體和內質網的崩潰、塌陷），從而導致細胞死亡［3，31］。高強度超聲波的聚焦類似于放大鏡聚焦光線，使用由自聚焦壓電陶瓷構成的超聲聚焦換能器（工作頻率為200 kHz～4 MHz），利用其平面換能器、聲聚焦透鏡和電子相控陣裝置聚焦超聲波、生成焦點，將能量傳遞至靶組織［32］。這類超聲聚焦換能器不僅體積小、聲強大、能量集中、損耗小，還具有焦點可調的優(yōu)點［33］。

2.優(yōu)缺點。HIFU的優(yōu)點：①超聲波通過皮膚和淺表組織到達深處的腫瘤靶區(qū)，無需侵入性操作［31］；②HIFU產生的焦點僅有數個立方毫米（＜20 mm3），能夠精確消融靶組織［33］，適合治療體積較小的腫瘤，精確度極高；③由于聚焦區(qū)聲能高度集中，穿過中間組織的超聲波具有較低的聲能，對周圍正常組織的損傷較?。?0］；④加熱速度快。HIFU的缺點：①當超聲聚焦換能器與皮膚之間的聲學耦合劑不充分時，由于空氣滯留，導致聲束散焦，聲能沉積在皮膚表面，造成皮膚燒傷［3］；②治療時間較長，即在連續(xù)兩次HIFU治療之間，必須間隔一段冷卻時間，以防止鄰近正常組織受到熱量積累的影響；③肺、骨骼等器官和腫瘤組織內的鈣化灶限制了超聲波的傳導［30］，故HIFU不能治療具有或靠近這些結構的腫瘤。

（五）激光消融

1.概念和技術原理。激光消融利用紅外光譜中不同波長的激光，將波長從810～1064 nm的激光照射到靶組織上，其能夠被靶組織血流中的血紅蛋白吸收，進而導致不同程度的微血管反應［34］。如靶組織吸收過多光能時，組織內出現(xiàn)微血管凝結和缺血性損傷，進而發(fā)生凝固性壞死。用于腫瘤激光消融的設備和系統(tǒng)與用于臨床激光治療的設備和系統(tǒng)相似，均由摻釹釔鋁石榴石激光器產生的光（波長為1064 nm）通過光學纖維放大器照射到靶組織上［3］。光學纖維植入靶組織后，激光光源發(fā)射光子的熱能聚焦于光學纖維尖端，導致局部組織升溫超過100℃；隨后，熱能在靶組織中擴散、傳遞，最終引起細胞發(fā)生凝固性壞死。

2.優(yōu)缺點。激光消融的優(yōu)點：①激光消融擁有纖細靈活的激光纖維，對靶組織進行消融操作簡便；②能夠消融1～2 cm2的極小區(qū)域，適合治療體積較小的腫瘤組織，精確度高；③相較于射頻消融，激光消融功率較小、能量集中，更加安全和準確［35］。激光消融的缺點：①由于燒焦組織增加了光的散射，降低了熱量傳遞效率，因此激光消融與射頻消融類似，是一個自限的過程；②消融范圍小，由于大多數激光消融系統(tǒng)通過增加激光纖維來增加消融區(qū)的大小，但代價是侵入性增加、消融程序更復雜、成本更高；③激光穿透深度淺，僅適合消融淺表腫瘤組織［1］。

三、總結

熱消融技術主要利用熱效應和機械效應損傷靶組織，引起細胞的酶學改變、基因突變、蛋白質變性和凝固性壞死。射頻消融、微波消融、冷凍消融、HIFU、激光消融損傷靶組織在生物學機制方面雖是殊途同歸，但在技術層面卻大相徑庭，在臨床應用方面更各有千秋。因此，正確選擇合適的熱消融技術是治療時需要考慮的問題。不同的熱消融技術具有不同的優(yōu)缺點，應該綜合考慮腫瘤類型及大小、毗鄰位置、并發(fā)癥和治療費用等因素，趨利避害，盡可能為患者提供最佳的治療。