劉 虹 王智彪 張 彩

隨著外科治療理念的發(fā)展和科技的進步，近年來涌現(xiàn)出許多微無創(chuàng)治療方式，如聚焦超聲消融、微波消融、射頻消融、冰凍消融等。其中聚焦超聲消融已被廣泛應用于各種實體良惡性腫瘤及非腫瘤疾病的治療，其主要作用效應為熱效應、機械效應和空化效應。臨床實際應用中，傳統(tǒng)的聚焦超聲消融主要利用熱效應使靶區(qū)腫瘤細胞發(fā)生凝固性壞死，但腫瘤血供會影響熱能量沉積，可能造成腫瘤壞死不完全；同時熱量長時間累積存在周邊正常組織燒傷的風險。為保證在有效消融腫瘤的同時避免周圍正常組織熱損傷的風險，研究者開始探討利用聚焦超聲的非熱效應治療疾病的可能。組織摧毀術是一種基于超聲的非熱損傷、非電離輻射、非入侵式的聚焦超聲技術［1］，其使用低占空比（＜4%）、短持續(xù)時間（微秒至毫秒級）［2-3］的脈沖超聲，極大程度上避免了熱沉積，并利用脈沖超聲的高峰值負壓（＞10 MPa）在靶區(qū)產(chǎn)生空化泡，將靶區(qū)組織粉碎液化至亞細胞結構［3］，從而摧毀目標組織，達到治療目的。本文就組織摧毀術的作用原理、特點，以及離體實驗、動物實驗和臨床試驗的最新研究結果進行綜述。

一、組織摧毀術的原理及分類

組織摧毀術消融系統(tǒng)主要由聚焦超聲換能器、與之匹配的驅動系統(tǒng)、超聲或磁共振影像監(jiān)控系統(tǒng)、換能器運動控制系統(tǒng)和耦合介質組成。為滿足組織摧毀術所需的焦點處壓力，換能器通常為低f 系數(shù)（換能器口徑與焦距比值＜1）、高聚焦增益（≥30 dB）的大口徑換能器。驅動系統(tǒng)要求高壓脈沖發(fā)生器能產(chǎn)生數(shù)千伏和幾千瓦峰值功率的短脈沖以驅動換能器［1］。影像監(jiān)控系統(tǒng)在治療前定位及治療過程中具有圖像引導及實時監(jiān)控的作用，其中超聲影像監(jiān)控系統(tǒng)的超聲探頭常位于換能器中間，以便對病灶所在層面進行成像；磁共振影像監(jiān)控系統(tǒng)則要求兼容超聲換能器和定位器。運動控制系統(tǒng)可通過機械臂機械移動或電動定位器控制換能器的三維運動，使焦點能覆蓋靶區(qū)組織。耦合介質通常為脫氣水，確保超聲波的有效傳輸。通過調(diào)節(jié)脈沖強度（脈沖超聲的聲壓）、脈沖重復周期（兩相鄰脈沖間隔時間）、脈沖重復頻率（pulse repetition frequency，PRF，即每秒發(fā)射的脈沖次數(shù)）、占空比（脈沖時間在脈沖重復周期的百分比）等參數(shù)［4］，可誘導產(chǎn)生不同的空化泡。依據(jù)空化泡產(chǎn)生方式的不同，可將組織摧毀術分為空化云型組織摧毀術（cavitation cloud histotripsy，CH）和沸騰型組織摧毀術（boiling histotripsy，BH）。

1.CH：常使用微秒級（0.5～200.0 μs）［5-6］、峰值負壓＞15 MPa、占空比≤1%的脈沖超聲。由于組織的非均質性，高頻率、高強度的超聲波在組織中進行非線性傳播形成強烈的沖擊波［7］。這種沖擊波的強度與峰值負壓相關，峰值負壓越高，非線性效應越明顯，沖擊波越強，當峰值負壓達到一定閾值時，則會形成微米級的微氣泡，這一現(xiàn)象被稱為空化［4］。微氣泡在入射聲波的作用下膨脹并最終破裂、崩塌，產(chǎn)生千兆帕級的壓力沖擊波［4］，使組織粉碎至亞細胞水平。在每個脈沖期間焦點區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生大量的微氣泡云，這些微氣泡的反復膨脹和塌陷最終導致組織被粉碎而形成界限分明的液化損傷。不同組織產(chǎn)生空化云所需峰值負壓是固定的，稱為該組織空化的固有閾值。當使用的脈沖超聲峰值負壓高于組織空化的固有閾值時，使用1～2個脈沖即可在焦點處瞬間產(chǎn)生空化云［8］，此時CH 又被稱為固有閾值組織摧毀術；而當峰值負壓低于固有閾值時，將先產(chǎn)生單個微氣泡，由于非線性傳播效應產(chǎn)生的沖擊波在微氣泡上可發(fā)生反射及相位反轉，向換能器方向傳播，峰值負壓將超過組織空化的固有閾值從而產(chǎn)生空化云，故該方式又被稱為沖擊波散射組織摧毀術。

2.BH：使用毫秒級、峰值負壓10～20 MPa、占空比≤2%的脈沖超聲［9］。毫秒級脈沖超聲在組織中由于非線性傳播效應，可在焦點區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生激波陣面，組織吸收激波后溫度升高（＞100 ℃），在微米范圍內(nèi)產(chǎn)生沸騰氣泡，并膨脹成毫米大小的氣泡，與進入的沖擊波進一步相互作用后產(chǎn)生很高的負壓，形成微氣泡團。微氣泡與組織相互作用形成微射流，使組織被推入沸騰氣泡中，導致氣泡腔內(nèi)組織碎裂。沸騰氣泡出現(xiàn)的時間與脈沖超聲輸出功率及頻率均相關，較高的輸出功率和頻率可縮短沸騰氣泡出現(xiàn)的時間；控制脈沖超聲輸出時間，使其略長于沸騰氣泡出現(xiàn)所需的時間則可以較好地抑制熱沉積、減少熱損傷［4］。

BH 與CH 均可實現(xiàn)靶區(qū)組織的粉碎液化，但由于二者產(chǎn)生空化泡的方式不同，在臨床應用中各具優(yōu)勢。與BH 比較，CH對設備控制脈沖超聲輸出時間精度要求更高，但其空化更容易在低頻率換能器中實現(xiàn)，可達治療深度也更深［1］；而BH 較CH需要更高的峰值正壓（＞70 MPa），對設備功率電子器件要求更高，通過使用更高頻率換能器可以快速形成沸騰氣泡，從而更精確地聚焦［10］。

二、組織摧毀術的研究現(xiàn)狀

為探究組織摧毀術用于治療疾病的可行性，研究者進行了許多離體實驗和動物實驗等臨床前研究，同時也有文獻［1］報道了其在部分腫瘤中的應用，或前列腺增生、心血管病變等非腫瘤性疾病的臨床試驗。

（一）良惡性腫瘤治療

1.肝腫瘤：目前已有較多研究開始探索組織摧毀術用于治療肝腫瘤的可行性。早期實驗研究通過正常動物模型進行了驗證，如Khokhlova 等［11］應用豬模型證實了組織摧毀術可實現(xiàn)肝組織經(jīng)皮粉碎而無不良反應，有較好的安全性，促進了組織摧毀術用于治療肝臟惡性腫瘤的進一步探索；Worlikar 等［12］將肝癌細胞移植到小鼠皮下，在腫瘤生長至最大徑＞5 mm 時應用1～2 個脈沖、PRF 為100 Hz 的CH 粉碎腫瘤，證實了其在治療肝臟惡性腫瘤方面具有一定潛力。隨后，該研究小組在大鼠肝癌模型［13］中比較了組織摧毀術圍繞腫瘤外周的部分損毀組、完全損毀組與假手術組治療局部腫瘤進展的差異，結果顯示在部分損毀組及完全損毀組中93.3%的大鼠腫瘤體積明顯縮小且無腫瘤復發(fā)，生存時間總體優(yōu)于假手術組（P=0.039），表明組織摧毀術用于肝癌治療具有較大潛力，局部腫瘤進展風險低。為進一步評估CH 粉碎原發(fā)性腫瘤后對腫瘤遠處轉移的影響，該研究組在大鼠肝癌模型［14］中對腫瘤進行部分粉碎，治療范圍主要圍繞腫瘤外周，粉碎體積約為50%～75%的靶區(qū)腫瘤，結果顯示即使僅部分治療，81%的大鼠局部腫瘤完全吸收，且均無復發(fā)或轉移，證實了組織摧毀術在預防腫瘤局部進展及轉移方面有一定作用。此外，為探究組織摧毀術作用后的機體愈合進程，Heo 等［15］觀察了行BH 后大鼠肝臟愈合反應的演變，結果表明BH 能觸發(fā)正常的創(chuàng)面愈合級聯(lián)反應和組織再生（如細胞外基質重塑、血管生成、肝細胞再生等），而不會誘導肝纖維化或在治療部位形成永久性瘢痕組織，有利于機體的恢復。

動物模型的研究結果在一定程度上證實了組織摧毀術用于無創(chuàng)治療肝腫瘤的可行性和安全性，為組織摧毀術轉向臨床應用提供了有力證據(jù)。近期Vidal-Jove 等［16］報道了CH 首次應用于人肝腫瘤治療的多中心Ⅰ期臨床試驗結果，研究共納入8 例患者（7 例轉移性肝癌和1 例原發(fā)性肝癌），共粉碎了11 個腫瘤，治療過程中患者耐受良好，均無不良事件發(fā)生，提示組織摧毀術作為一種新的肝腫瘤局部治療方法安全且有效，但仍需通過長期隨訪探索該治療方式的遠期療效。

2.腎腫瘤：組織摧毀術在腎組織相關實驗研究［17］的結果與在肝臟觀察到的結果相似，靶區(qū)形成勻漿化損傷，而腎集合系統(tǒng)較腎皮質的損傷閾值更高，表現(xiàn)出組織選擇性的特性［11，18］。動物實驗研究［11］發(fā)現(xiàn)輻照深度為3～4 cm 時，豬腎臟經(jīng)肋骨的BH所需功率是離體腎臟的3～5倍，同時還發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生損傷的大小取決于脈沖數(shù)量而非總脈沖超聲輸出時間，使用高PRF、短持續(xù)時間的脈沖更有利于提高療效，同時增加脈沖超聲輸出功率也有利于縮短BH 達到沸騰氣泡出現(xiàn)的時間，加快空化的產(chǎn)生從而縮短治療時間。Styn 等［19-20］通過兔VX-2 腫瘤腎移植模型分別就組織摧毀術治療腎腫瘤的可行性、安全性及對腫瘤轉移的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)使用BH 對腎腫瘤進行粉碎后，并不會增加腫瘤轉移風險，且安全、可行。另一探討B(tài)H摧毀Eker大鼠腎細胞癌的實驗研究［21］也得到相似結果，該研究還證實BH 可促進大鼠全身炎癥反應，啟動系統(tǒng)適應性免疫應答。

3.骨肉瘤：既往應用組織摧毀術粉碎離體犬骨肉瘤的研究［5］表明，組織摧毀術可完全粉碎腫瘤的軟組織成分及被浸潤的類骨質基質區(qū)域。隨后的體內(nèi)實驗研究［22］探討了組織摧毀術治療犬自發(fā)性軟組織肉瘤和骨肉瘤的可行性，該研究對5 只犬的腫瘤（最大徑1.25～3.00 cm）進行治療（PRF 為500 Hz，劑量為500 個脈沖/點），結果顯示組織摧毀術可以完全粉碎這兩種類型的腫瘤。這些研究為組織摧毀術在臨床上轉化為犬和人骨肉瘤的治療標準奠定了基礎。

4.胰腺癌：其是存活率最低的惡性腫瘤之一。對于不具備手術指征的胰腺癌患者，組織摧毀術可能是治療不可切除胰腺癌的一種潛在的有效方式。Mouratidis 團隊的一項臨床研究［23］對9 例胰腺癌患者進行了超聲強度為1～2 kJ/cm2的組織摧毀術治療，患者中位總生存期為10 個月，不良反應主要為皮膚灼痛和輕度腹痛，但均無需處理，后自行緩解。此外，該研究還進一步納入3 例患者采用化療聯(lián)合組織摧毀術的治療方案，患者共進行了32 次化療，其中6 次聯(lián)合使用組織摧毀術，結果顯示患者的總生存期為10.6～26.0個月（截至研究報道時仍有2例患者存活），表明化療聯(lián)合組織摧毀術可能更有利于晚期胰腺癌的治療，但相關假設還需進一步驗證。

5.前列腺癌：Schade等［24］通過構建犬ACE-1前列腺腫瘤模型探討了組織摧毀術治療前列腺癌的可行性，研究共納入10只犬，3 只為假手術組，7 只犬進行組織摧毀術治療（治療組，PRF 500 Hz，占空比＜1%），結果顯示組織摧毀術可以將腫瘤組織粉碎，且通過超聲可以觀測到空化云活動范圍，提示組織摧毀術用于局部治療前列腺癌有一定的可行性。同時該研究還發(fā)現(xiàn)，在假手術組發(fā)生肺或淋巴結轉移的時間節(jié)點，治療組未觀察到明顯的轉移灶，提示組織摧毀術可能存在免疫效應，但相關假設還需進一步驗證。

6.子宮肌瘤：Simon 等［25］關于人離體子宮肌瘤組織的實驗探討了組織摧毀術治療子宮肌瘤可行性，結果表明盡管子宮肌瘤膠原纖維束相較于肝、腎等組織而言更多，但組織摧毀術仍可實現(xiàn)對靶區(qū)組織的完全粉碎，表明組織摧毀術用于治療子宮肌瘤有一定可行性，未來需通過動物實驗和臨床試驗進一步探討其安全性和有效性。

（二）非腫瘤性疾病治療

1.前列腺增生：組織摧毀術用于前列腺組織摧毀的可行性已通過正常犬［26］及犬前列腺增生模型［27］驗證，表明組織摧毀術可實現(xiàn)犬前列腺組織的經(jīng)腹粉碎。因前列腺組織和非間質腫瘤較尿道組織更易被粉碎［28］，因此組織摧毀術可在摧毀增生前列腺組織的同時，保留尿道的完整性。在動物研究的基礎上，Khokhlova 等［29］研究證實BH 可粉碎人離體前列腺組織，且組織學分析結果顯示靶區(qū)為完全勻漿化的細胞碎片，符合組織摧毀術誘導的機械損傷結果。隨后，組織摧毀術被應用于經(jīng)會陰治療前列腺增生的臨床研究［30］，該研究共納入25 例患者，治療時間為60 min，在治療過程中超聲均觀察到空化云；治療后6個月隨訪顯示，患者下尿路梗阻癥狀得到明顯改善，但治療后未觀察到前列腺損毀后脫落組織，這與關于犬的實驗研究［31］結果相反，分析可能為骨性骨盆的遮擋及人前列腺深度較深，導致超聲能量衰減更多，從而使其有效性降低。因此，如何減少能量衰減，提高治療的有效性是后續(xù)研究亟待解決的問題。

2.血栓、血腫：組織摧毀術應用于超聲溶栓的主要特點是可在不使用溶栓劑的情況下局部粉碎血栓，避免了溶栓治療的全身出血風險。通過調(diào)節(jié)峰值負壓、占空比和PRF 等，可在減少靶區(qū)血管損傷的同時，將血凝塊粉碎至直徑100 μm 左右的碎塊，最大限度地減少血凝塊碎片的產(chǎn)生［32］。動物實驗研究［33-34］結果也表明組織摧毀術可作為一種治療深靜脈血栓的新手段。Zhang 等［32］應用組織摧毀術（PRF 為100 Hz，劑量為1000 個脈沖/點）對14頭豬靜脈血栓模型進行溶栓治療，治療過程中經(jīng)超聲均可見空化云，其中13 頭豬治療后血流量恢復或明顯增加，重新開放的血流通道直徑可達原血管直徑的64%。此外，組織摧毀術還被用于快速液化大型血腫，以期通過細針抽吸液化后成分，減少因血腫形成導致的一系列并發(fā)癥。Ponomarchuk等［35］應用人體血腫模型評估組織摧毀術液化血腫的效率和速度，在使用占空比為1%，單次持續(xù)時間分別為10.0、2.0、0.4 ms 的脈沖對體積為85 cm3的血腫模型進行液化后，發(fā)現(xiàn)其液化血腫的速度分別為0.32、0.68、2.62 ml/min，并在液化成分中觀察到勻漿化的血細胞及長度＜150 μm 的纖維蛋白片段，提示該方法可為臨床治療大型血腫提供新思路。

3.心血管病變：組織摧毀術在心血管病變方面的應用主要為治療主動脈瓣狹窄。與通過粉碎腫瘤細胞治療實體腫瘤不同，組織摧毀術治療主動脈瓣狹窄的主要原理是將鈣化瓣膜以機械振動方式進行軟化，增加其活動度，從而改善瓣膜狹窄。Messas 等［36］在豬模型上驗證了組織摧毀術經(jīng)胸軟化主動脈瓣的安全性和有效性；隨后該團隊開展了首項小樣本人體研究［37］，納入的10 例主動脈瓣狹窄患者平均治療時間為52 min，平均超聲強度為（221±87）J/mm2；術后1 個月隨訪均未見死亡、心肌梗死、中風或短暫性腦缺血發(fā)作。雖然該研究初步探索了組織摧毀術治療鈣化性主動脈瓣狹窄的可行性，但其長期安全性和有效性還有待進一步驗證。

三、組織摧毀術的免疫效應

除可以直接粉碎靶區(qū)組織尤其是腫瘤細胞外，組織摧毀術還能刺激機體免疫系統(tǒng)，誘導遠隔效應。已有研究［38-39］對組織摧毀術的局部免疫反應和全身免疫反應分別進行了探索，其免疫機制主要包括抑制促腫瘤細胞、產(chǎn)生損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP）、直接增加局部細胞免疫反應、調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境、增強全身抗腫瘤免疫反應及與檢查點抑制劑治療的協(xié)同作用等。一項探討組織摧毀術對胰腺癌影響的實驗研究［40］通過對小鼠胰腺癌Pan02 細胞施加1～2 個周期、PRF 為250 Hz 的脈沖后觀察發(fā)現(xiàn)實驗組釋放的DAMP較未處理組顯著增加（P＜0.05），提示小鼠免疫系統(tǒng)激活，抗腫瘤免疫增強。隨后，研究者將Pan02 細胞注射到小鼠皮下，待腫瘤最大徑＞6 mm 后，對小鼠施加PRF 為250 Hz、劑量為250 個脈沖/點的組織摧毀術，結果顯示小鼠總存活率顯著增加，治療后24 h 小鼠產(chǎn)生的DAMP 增加，提示組織碎催術可以促進免疫系統(tǒng)激活。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)治療14 d內(nèi)維持腫瘤微環(huán)境的促腫瘤細胞（如髓源性抑制細胞、腫瘤相關中性粒細胞等）數(shù)量減少，腫瘤微環(huán)境被破壞，從而使腫瘤更容易被抗腫瘤細胞識別和攻擊。總之，組織摧毀術引發(fā)的免疫效應在一定程度上可復制，甚至可調(diào)節(jié)，但目前研究主要集中在小鼠或大鼠等動物模型中，對于使用的脈沖持續(xù)時間、PRF、輸出功率等相關參數(shù)還需進一步研究。

四、組織摧毀術的局限性

實際應用中，組織摧毀術因其作用機制的特點，對治療聲通道及靶組織有一定要求。對于治療聲通道，為確保焦點處的聲壓足夠產(chǎn)生聲空化，聲通道內(nèi)應無骨性或含氣組織（如肋骨、腸道等），同時由于組織聲衰減效應的存在，靶組織深度（焦點-皮膚距離）不能過大，因此對于胰腺、前列腺等人體深部器官的病變或過度肥胖患者而言，可能存在治療強度不足的風險。對于靶組織，肺和腸道等含氣器官由于空化閾值很低，組織摧毀術可能對周圍正常組織造成間接損傷［1］。此外，與聚焦超聲消融相比，組織摧毀術有一定誘發(fā)治療區(qū)域內(nèi)血管血栓形成的概率，這可能是由于空化引起的血小板活化和聚集所致。另外，理論上組織摧毀術產(chǎn)生的機械力有將癌細胞從靶腫瘤中釋放出來并增加轉移的風險，但目前研究顯示組織摧毀術治療后腫瘤轉移風險并未增加［19］，這可能與其抗腫瘤免疫效應有關，但相關的機制尚無更深一步的闡述。

五、總結

組織摧毀術具有無創(chuàng)、損傷邊界清晰、機械粉碎組織和組織選擇特性等特點，與聚焦超聲消融相比無熱損傷風險。目前組織摧毀術的臨床試驗結果初步驗證了其治療肝癌、胰腺癌等腫瘤和前列腺增生等多種非腫瘤性疾病的安全性和有效性，表明該技術具有較高的臨床應用價值。但在組織摧毀術成為廣泛的臨床治療手段前，仍需大量的技術開發(fā)、臨床前研究和臨床試驗對其長期有效性和免疫效應進行深入探索。