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| 不可逆的電気穿孔法 | |
|---|---|
| その他の名前 | 非熱不可逆電気穿孔法 |
| 専門 | 腫瘍学 |
不可逆電気穿孔法（IRE）は、細胞膜に永久的で致死的なナノポアを短時間で生成し、細胞の恒常性を破壊する軟部組織アブレーション技術です。結果として生じる細胞死は、電解質とアデノシン三リン酸の膜透過による膜破壊または膜の二次的破壊によって誘発されるアポトーシスまたは壊死によって生じます。[1] [2] [3] [4] IREの主な用途は、細胞外マトリックス、血流、神経の精度と保全が重要な領域での腫瘍アブレーションです。臨床使用のためのIREの第一世代であるナノナイフシステムは、2009年に軟部組織腫瘍の外科的アブレーションのみを目的として研究目的で市販されました。[5] IREによる癌組織のアブレーションは、現在、単独で、または癌免疫療法と組み合わせて評価されている、癌に特異的な顕著な免疫応答を示すようです。[6] [7] [8] [9]
歴史
IRE効果の最初の観察は1754年に遡る。Nolletは、電気火花にさらされた動物と人間の皮膚に赤い斑点が現れるという最初の体系的な観察を報告した。[10]しかし、現代医学へのその使用は、1982年にNeumannと同僚の独創的な研究から始まった。[11]パルス電界は、細胞膜を一時的に透過性にして外来DNAを細胞に送達するために使用された。その後の10年間で、高電圧パルス電界と化学療法薬ブレオマイシンおよびDNAとの組み合わせにより、それぞれ電気化学療法と遺伝子電気導入という新しい臨床応用が生まれた。[12] [13] [14] [15] [16]不可逆的電気穿孔法の治療への応用は、Davalos、Mir、およびRubinskyによって初めて提案された。[17]
機構
超短パルスでありながら非常に強い電界を利用することで、細胞外膜を形成するリン脂質二重層にマイクロポアとナノポアが誘発されます。 [要出典] 2 種類の損傷が発生する可能性があります。
- 可逆的電気穿孔法 (RE): ナノポアを介した分子輸送のための一時的かつ限定的な経路が形成されるが、電気パルスの終了後は輸送が停止し、細胞は生存したままとなる。医療用途としては、例えばブレオマイシンなどの細胞内細胞毒性医薬品の局所導入(電気穿孔法および電気化学療法) がある。[要出典]
- 不可逆的電気穿孔法 (IRE): 電気穿孔法によって細胞膜がある程度損傷すると、細胞内容物の漏出がひどくなりすぎたり、細胞膜の再密閉が遅すぎたりして、健康な細胞や癌細胞が不可逆的に損傷します。これらの細胞は、アポトーシスまたは細胞内部で誘発される壊死経路によって死滅しますが、これはこのアブレーション技術に特有のものです。[引用が必要]
アブレーション法は一般にアポトーシスであると認められているが、いくつかの知見は純粋なアポトーシス細胞死と矛盾しているようであり、IREが細胞死を引き起こす正確なプロセスは不明瞭である。[18] [4]いずれにせよ、すべての研究は、細胞死は誘発されたものであり、細胞は数時間から数日のさまざまな期間にわたって死に、ほとんどのアブレーション技術（無線周波数アブレーション、マイクロ波アブレーション、高強度焦点式超音波を参照）のように高エネルギーの堆積による局所的な極端な加熱と組織の溶解に依存しないことに同意している。[要出典]
静止膜電位に0.5 V/nmを超える電界[19]が印加されると、この誘電破壊中に水が細胞内に侵入することが提案されている。親水性の細孔が形成される。 [20] [21] Tarekによる分子動力学シミュレーション[22]は、この提案された細孔形成を2つのステップで示している。[23]
- 電界を印加すると、水分子が一列に並び、二重脂質膜の疎水性中心に浸透します。
- これらの水チャネルは長さと直径が成長し続け、水で満たされた細孔に拡大し、その時点で膜と水の界面から二重層の中央に移動する脂質ヘッドグループによって安定化されます。
印加電界が増加すると、リン脂質ヘッドグループの摂動が大きくなり、その結果、水で満たされた細孔の数が増えると提案されています。[24]このプロセス全体は、数ナノ秒以内に発生する可能性があります。[22]ナノ細孔の平均サイズは、細胞の種類に特異的である可能性があります。豚の肝臓では、 SEMを使用したところ、平均約340〜360 nmであることがわかりました。[23]
細胞死の2番目のモードは、電解質とアデノシン三リン酸の膜透過による膜の破壊によるものであると説明されています。[3]熱[25]や電気分解[26] [27]などの他の効果も、現在臨床的に適用されているIREパルスプロトコルで役割を果たしていることが示されています。
潜在的な利点と欠点
IREの利点
- 組織選択性 - 治療領域内の重要な構造の保存。IRE アブレーション領域内の重要な構造を保存する能力。IRE アブレーションされたすべての肝臓組織において、肝動脈、肝静脈、門脈、肝内胆管などの重要な構造はすべて保存されました。IRE は細胞の二重脂質膜をターゲットとするため、血管弾性構造やコラーゲン構造などのタンパク質を主成分とする構造、および細胞周囲マトリックスタンパク質は電流の影響を受けません。重要な足場構造 (大血管、尿道、肝内胆管など) は保存されます。[28]神経線維を取り囲む電気絶縁性のミエリン層は、ある程度神経束を IRE の影響から保護します。神経がどの程度まで影響を受けないか、または再生できるかは完全にはわかっていません。[29]
- 鋭いアブレーションゾーンのマージン - 可逆的な電気穿孔領域と不可逆的な電気穿孔領域の間の遷移領域は、わずか数個の細胞層であると認められている。一方、放射線または熱ベースのアブレーション技術のような遷移領域は存在しない。さらに、多くの問題や治療の失敗の原因となるヒートシンク効果がないことは有利であり、治療フィールドの予測可能性を高める。幾何学的に、マルチ電極コンセプトによってかなり複雑な治療フィールドが可能になる。[30]
- 熱誘発壊死がない - パルス間の時間に比べてパルス長が短いため、組織のジュール熱が防止されます。したがって、設計上、壊死細胞の損傷は予想されません（針に非常に近い場合を除く）。したがって、IREには壊死に関連する典型的な短期および長期の副作用はありません。[31] [32]
- 治療時間が短い - 通常の治療には 5 分もかかりません。これには、多くの電極の使用や治療中の電極の再配置が必要となる可能性のある複雑な電極配置は含まれません。
- リアルタイムモニタリング - 治療中および治療後に治療量をある程度視覚化することができます。視覚化方法としては超音波、MRI、CTなどが挙げられます。[30]
- 免疫学的反応 - IREは他のアブレーション法よりも強い免疫学的反応を引き起こすようで[8]、現在癌免疫療法との併用が研究されている。[6]
IREの欠点
- 強い筋収縮 - IREによって神経筋接合部が直接刺激されることで発生する強力な電界は、特殊な麻酔と全身麻痺を必要とする強い筋収縮を引き起こします。[33]
- 標的腫瘍内の不完全なアブレーション - 細胞のIRE閾値は、当初、8パルス、パルス持続時間100μs、周波数10Hzで約600V/cmでした。[34] Qinらは後に、99パルス、パルス持続時間100μs、周波数10Hzで1,300V/cmであっても、アブレーション領域内に生存可能な腫瘍細胞の島がまだ存在することを発見しました。[35]これは、腫瘍組織がIREに対して健康な実質とは異なる反応を示す可能性があることを示唆しています。IRE後の細胞死のメカニズムは、細胞膜の孔形成に起因する細胞アポトーシスに依存しています。アポトーシス経路に抵抗性であることが知られている腫瘍細胞は、適切に治療するためにより高いエネルギー閾値を必要とする場合があります。ただし、臨床研究で判明した再発率は、他のアブレーション様式と比較して再発率がかなり低く、全生存率が優れていることが多いことを示唆しています。[36] [37]
- 局所環境 - IREの電界は局所環境の導電性に大きく影響されます。胆管ステントなどの金属の存在は、エネルギーの蓄積にばらつきを生じさせる可能性があります。腎臓などのさまざまな臓器も、尿の導電性が増加するため、不規則なアブレーション領域に悩まされます。[38]
医療現場での使用
長い針の形をした多数の電極が、標的体積の周囲に配置されます。電極の貫通点は、解剖学的条件に応じて選択されます。配置には画像化が不可欠であり、超音波、磁気共鳴画像法、または断層撮影法によって実現できます。次に、針が IRE ジェネレータに接続され、2 つの電極間の電位差が順次増加します。IRE 治療フィールドの形状はリアルタイムで計算され、ユーザーが変更できます。治療フィールドと使用する電極の数に応じて、アブレーションには 1 分から 10 分かかります。全身麻酔下でも、モーター終板の励起によって強い筋収縮が誘発されるため、一般的に筋弛緩剤が投与されます。[引用が必要]
一般的なパラメータ（第1世代IREシステム）: [引用が必要]
- 1回の治療あたりのパルス数: 90
- パルス長: 100 μs
- パルス間の間隔: 100～1000 ms
- 電界強度: 1500ボルト/cm
- 電流: 約50 A (組織および形状によって異なります)
- 2つの電極を使用した最大アブレーション容積: 4 × 3 × 2 cm³
短パルスの強力な電界は、薄くて滅菌された使い捨ての電極を通して誘導されます。電位差は、事前に計画された治療場に従って、コンピュータシステムによって計算され、これらの電極間に適用されます。[39]
IRE処置のための特定の機器の1つは、AngioDynamics社が製造するNanoKnifeシステムであり、2011年10月24日にFDA 510k認可を受けた。 [40] NanoKnifeシステムは、FDAから研究用機器免除（IDE）も受けており、AngioDynamicsはこの機器を使用して臨床試験を実施することができる。[40] Nanoknifeシステムは、軟部組織の外科的切除のために、対象組織に配置された電極プローブにジェネレータからの低エネルギー直流を送信する。2011年、AngioDynamicsは、承認を受けていない適応症でこの機器を宣伝したとして、FDAから警告書を受け取った。[41]
2013年、英国国立医療技術評価機構は、さまざまな種類の癌の治療における不可逆的電気穿孔法の安全性と有効性はまだ確立されていないというガイドラインを発行しました。[42]
第一世代のIREの欠点を補うために、新しい世代の電気穿孔法アブレーションシステムが開発されているが、2020年6月現在、これらの技術はいずれも医療機器として利用できない。[27] [43] [44]
臨床データ
IRE がその特性により重大な影響を及ぼす可能性がある潜在的な臓器系には、膵臓、肝臓、前立腺、腎臓が含まれ、これらは表 1-3 に記載されている研究の主な焦点でした (状態: 2020 年 6 月)。
さまざまな病状や腫瘍の治療対象となる可能性のある臓器系はいずれも、ランダム化多施設試験や長期追跡調査の対象になっていません（2020 年 6 月現在）。
肝臓
肝臓IREは、血管や胆管の近くで実施する場合でも安全であると考えられており[59] [ 60]、全体的な合併症率は16%で、ほとんどの合併症は針関連（気胸および出血）です。50人の患者を対象としたCOLDFIRE-2試験では、1年後の局所腫瘍の無増悪生存率が76%でした。[61] IREと他のアブレーション療法を比較した研究はまだありませんが、熱アブレーションは、無増悪生存率が約96%と、その点でより高い有効性を示しています。そのため、Bartら[36]は、IREは現在、真に切除不能または非アブレーション性腫瘍に対してのみ実施すべきであると結論付けました。
膵臓
動物実験では、膵臓組織に対するIREの安全性と有効性が示されています。[78]膵臓がんに対するIREの使用に関する研究における全生存率は、有望な変動のないエンドポイントを提供し、FOLFIRINOX（5-フルオロウラシル、ロイコボリン、イリノテカン、オキサリプラチンの組み合わせ）による標準治療化学療法と比較してIREの付加的な有益な効果を示しています（OS中央値、12〜14か月）。[79] [80]しかし、IREは全身療法と併用するとより効果的であるように思われ、第一選択治療としては推奨されていません。[68] IREはLAPCの補助腫瘍質量減少療法を可能にしますが、IREは現状では、広く使用される前に追加の安全性データを必要とする高リスク手順のままです。[81]
前立腺
IREによる前立腺癌の治療の概念は、2007年にゲイリー・オニックとボリス・ルビンスキーによって初めて提案されました。 [89]前立腺癌は、熱処理や放射線療法によって永久に損傷を受ける可能性のある敏感な構造の近くにあることがよくあります。外科的治療法の適用性は、アクセス性と精度によって制限されることがよくあります。また、手術は治癒に長い時間がかかり、副作用の発生率が高いです。[90] IREを使用すると、尿道、膀胱、直腸、神経血管束、下部尿道括約筋を（永久的な）損傷を引き起こすことなく治療範囲に含めることができます。[要出典]
IRE は 2011 年から前立腺がんの治療に使用されており、臨床試験、人道的ケア、個別化治療アプローチの形で使用されています。他のすべてのアブレーション技術や従来の方法のほとんどと同様に、ランダム化多施設アプローチを採用した研究や、がん特異的死亡率をエンドポイントとしてターゲットとした研究はありませんでした。前立腺がんのがん特異的死亡率や全生存率は評価が難しいことで有名です。試験には 10 年以上かかり、通常、数年間に複数の治療タイプが実行されるため、治療特異的生存率の利点を定量化することが困難です。そのため、アブレーションベースの治療や局所治療の結果では、一般的に、局所再発と機能的転帰 (生活の質) がエンドポイントとして使用されます。その点、これまでに収集され、表 3 にリストされている臨床結果は有望な結果を示しており、IRE は安全で効果的な治療 (少なくとも局所アブレーションの場合) であると一様に述べていますが、すべてさらなる研究が必要です。Guenther らによって発表された最大のコホート[85]最大6年間の追跡調査は、異質な後ろ向き分析であり、前向き臨床試験ではないため制限があります。そのため、ヨーロッパのいくつかの病院が長年にわたってこの方法を採用しており、ある個人クリニックでは2020年6月時点で1000を超える治療法がリストされているにもかかわらず、[91]前立腺がんに対するIREは現在、治療ガイドラインでは推奨されていません。
腎臓
腎温存手術は、小さな悪性腎腫瘤に対する標準的な治療法ですが、手術の適応が不十分な患者には、アブレーション療法が実行可能な選択肢と考えられています。高周波アブレーション（RFA）と凍結アブレーションは1990年代から使用されていますが、3cmを超える病変ではその有効性は限られています。IRE、マイクロ波アブレーション（MWA）、高強度焦点式超音波などの新しいアブレーション法は、腫瘍サイズの課題を克服するのに役立つ可能性があります。[92]
最初のヒト研究では、IRE による腎腫瘤のアブレーションの安全性が証明されていますが、ヒトにおける腎腫瘍のアブレーション後の組織病理学的検査による IRE の有効性はまだわかっていません。Wagstaff らは、IRE による腎腫瘤のアブレーションの安全性と有効性を調査し、MRI と造影超音波画像診断法を使用してアブレーションの有効性を評価することを目指しています。著者らが設計した前向きプロトコルに従って、治療を受けた患者はその後、IRE アブレーションの成功を評価するために根治的腎摘出術を受けることになります。[93]
その後の第2相前向き試験では、小さな腎腫瘤に対する安全性と実現可能性の点で良好な結果が示されました が[94] [95]、コホート数が限られていたため（それぞれ7人と10人）、有効性はまだ十分に決定されていません。IREは4cmまでの小さな腎腫瘤に対して安全であると思われます。しかし、現在のエビデンスは質と量の両面でまだ不十分であるというコンセンサスがあります。[36]
肺
前向き、単群、多施設、第 II 相臨床試験で、肺癌に対する IRE の安全性と有効性が評価されました。この試験には、肺機能が温存された原発性および二次性肺悪性腫瘍の患者が含まれていました。中間解析では期待された有効性が達成されず、試験は途中で中止されました。合併症には、気胸 (23 人中 11 人)、有意な喀血を伴わない肺胞出血、および 3 例 (13%) で認められた針路播種が含まれました。23 人中 14 人 (61%) で疾患の進行が認められました。1 例 (4%) で病状の安定、1 例 (4%) で部分寛解、7 例 (30%) で完全寛解が認められました。著者らは、IRE は肺悪性腫瘍の治療には有効ではないと結論付けました。[96]同様に治療結果が不良であることが他の研究でも観察されています。[97] [98]
肺におけるIREの主な障害は電極の配置が難しいことです。肋骨が介在するため、プローブを平行に配置することが困難になります。さらに、腫瘍、肺実質、空気の伝導性の違いにより、肺の計画されたアブレーション領域と実際のアブレーション領域は大幅に異なります。[99]
冠動脈
Maorらは、ラットモデルにおける大血管壁の平滑筋細胞のアブレーション法としてIREの安全性と有効性を実証した。[100]そのため、IREは経皮的冠動脈形成術後の冠動脈再狭窄の予防的治療として提案されている。[要出典]
心臓アブレーション療法
動物を対象とした多数の研究により、心房細動の治療における肺静脈の非熱的アブレーション法としてのIREの安全性と効率性が実証されている。[101] 2023年には、不可逆的電気穿孔法が、心筋の非常に小さな領域を殺す心臓アブレーション療法として、人間に広く使用され、評価されている。これは、心拍リズムの不規則性を治療するために行われる。心臓カテーテルは、細胞膜に不可逆的な孔を形成し、細胞死をもたらす高電圧の超高速電気パルスの列を送り込む。これは、熱や冷気を使用して大量の筋肉を殺す従来の技術よりも選択性が向上すると考えられている。[102]
その他の臓器
IREは、ぶどう膜黒色腫[103]や甲状腺癌[104]の治療のための体外ヒト眼モデルでも研究されている。
動物腫瘍モデルにおけるアブレーションの成功例は、肺癌[105] [106]脳癌[107] [108]心臓癌[109]皮膚癌[110] [111]骨癌[112] [113]頭頸部癌[114]血管癌[115]などである。
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さらに読む
- Rubinsky B (2009).不可逆的エレクトロポレーション（バイオメディカルエンジニアリングシリーズ） . ベルリン: Springer. ISBN 978-3-642-05419-8。