אלקטרופורציה בלתי הפיכה

אלקטרופורציה בלתי הפיכה (IRE - Irreversible electroporation, NTIRE - Non thermal irreversible electroporation) היא שיטה ניסיונית ברפואה להסרת רקמה רכה על ידי שימוש בשדות חשמליים לאורך זמנים קצרים מאוד. השדות החשמליים מועברים לרקמה באמצעות אלקטרודות אשר נוגעות או חודרות לרקמה. השדות החשמליים מופעלים בצורה של פולסים על בסיס פרוטוקולים הנבדלים ביניהם בתדירות, אורך הפולס ועוצמת השדה המופעל ונקראים פרוטוקולי - אלקטרופורציה. כתוצאה מהפעלת השדה החשמלי נוצרים חורים זעירים (נאנו-פורות) בממברנת התא אשר אינם נסגרים (בניגוד לאלקטרופורציה הפיכה - RE) ומפרים את ההומאוסטאזיס שלו ומביאים את התא לידי מוות-מתוכנת (אפופטוזה). ההבדל משיטות הסרה המשתמשות בחום הוא שלרוב שיטות אלו מביאות למוות תאי לא מתוכנת, דהיינו - נקרוזיס. אלקטרופוציה בלתי הפיכה בולטת משיטות הסרה אחרות ביכולת להשמיד תאים בצורה מדויקת עם דרגה גבוהה של שימור של מבנים רקמתיים כגון כלי דם, עצבים ותווך בין תאי (extracellular matrix). מחקרים קדם-קליניים בחיות הדגימו יעילות ובטיחות במודלים בחיות לרבות השמדת גידולים סרטניים. מבוצעים ניסויים קליניים באלקטרופורציה בלתי הפיכה אך היא טרם אושרה לשימוש בקנה-מידה רחב עבור בני-אדם. שימוש בשדות חשמליים חזקים מאוד לזמנים קצרים מאוד מביאה ליצירת חורים בקנה מידה מיקרוסקופי ונאנוסקופי בקרום התא החיצוני הבנוי משכבה כפולה של פוספוליפידים (דו-שכבה פוספוליפידית). במצב כזה יכולים להיווצר שני סוגים של נזק: אלקטרופורציה הפיכה (Reversible electroporation - RE): עד לרמה מסוימת של יצירת חרירים נאנוסקופיים בקרום התא, לתא יש יכולת ריפוי, שחזור קרום התא והמשך חיים. תהליך כזה מכונה "אלקטרופורציה הפיכה" או רק "אלקטרופורציה" בין השימושים הרפואיים האפשריים: אלקטרוכימותרפיה, ECT (Electrochemotherapy) - החדרה לתוך התא של תרופה לרבות תכשירים ציטוטוקסיים (למשל בלאומיצין) וכן החדרה של חומר גנטי לתוך התא לרבות DNA כחלק מריפוי גני. אלקטרופורציה בלתי הפיכה (IRE): החל מרמה מסוימת של נזק לקרום התא הנגרם על ידי יצירת חרירים נאנוסקופיים כתוצאה מהפעלת שדה חשמלי, לקרום התא נגרם נזק בלתי - הפיך והוא נכנס למסלול של מוות-תאי מתוכנת (אפופטוזה). הדבר מייחד את האלקטרופורציה הבלתי-הפיכה משאר שיטות האבלציה (אשר מבוססות על חום או קרינה) שכן בשאר השיטות התאים מתים בתהליך של נקרוזיס. יש לציין כי קיימים ממצאים אשר סותרים שתהליך המוות של תאים באלקטרופורציה בלתי-הפיכה הוא אפופטוזה טהור ולמעשה גורסים כי תהליך המוות התאי בשיטה הזאת עדיין אינו לגמרי ברור בררנות בפגיעה ברקמות - עבודות רבות הראו שברקמות שטופלה באמצעות אלקטרופורציה בלתי-הפיכה נשמרו מבניים חיוניים לרבות: עורקים, וורידים, שופכה ודרכי-מרה תוך כבדיות. לגבי תאי-עצב, נמצא כי שכבת המיאלין המבודדת העוטפת את העצב מגינה על סיבי העצב מפני האלקטרופורציה עד לסף מסוים אשר טיבו אינו לחלוטין ברור. גבולות חדים בין אזור שנפגע לבין אזור שלא הושפע מהאבלציה - לאלקטרופורציה בלתי הפיכה יתרון גדול על שיטות אבלציה אחרות בשל הגבול החד בין השטח שהושפע מהאבלציה לבין השטח שלא הושפע מהאבלציה. מקובל שהגבול במקרה זה מורכב משכבות בודדות של תאים וקטן באופן משמעותי מגבולות שמתקבלים לאחר טיפול בשיטות אבלציה אחרות שמסבות לרקמה נזק כתוצאה מחום והצלחתן תלויה בין היתר באפקט הקירור של הרקמה עצמה (למשל באמצעות זרם הדם) אשר לעיתים מוביל לתופעות לוואי ואי-הצלחת הטיפול. בנוסף, עובדת היותו של גבול האזור המטופל באלקטרופורציה כה חד מאפשרת חיזוי מדויק של השטח שיושפע מהטיפול וכן תכנון טיפולים מורכבים מבחינה גאומטרית באמצעות ריבוי אלקטרודות. היעדר נזק הקשור בחום (טרמי) - בשל אופי הטיפול באלקטרופורציה בלתי-הפיכה שכולל פולסים חשמליים שהם קצרים מאוד יחסית למרווח שבין הפולסים, נוצר מעט מאוד חום ברקמה המטופלת. בנוסף בשלב התכנון ניתן להעריך את כמות החום שתיווצר ברקמה. כתוצאה מגורמים אלו כמעט ולא נוצר נזק כתוצאה מחום לאחר טיפול באלקטרופורציה בלתי-הפיכה (ייתכן מעט נזק בסמוך לאלקטרודות). מאחר שנזק כתוצאה מחום מוביל לנקרוזיס של התאים ונזק כתוצאה מאלקטרופורציה מוביל לאפופטוזה, היעדר הנזק התרמי מונע השפעות קצרות וארוכות טווח של נקרוזיס ברקמה זמן טיפול קצר - לאחר מיקום האלקטרודות, זמן טיפול טיפוסי אורך עד כ5 דקות. אפשרויות ניטור נרחבות של המטופל במהלך הטיפול, לפניו ואחריו - האזור שעובר טיפול יכול להיות מודגם על ידי טכניקות דימות מגוונות לרבות: על-קול (US), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) ודימות תהודה מגנטית (MRI). התכווצויות שרירים חזקות במהלך הטיפול, בשל גירוי ישיר של צומתי עצב-שריר תכנון וביצוע טיפול ברקמות לא אחידות (לא הומוגניות - למשל בריאה) - נגרם בשל ערכים שונים של חדירות קרומי התאים ברקמה. תלות בסביבה הקרובה מבחינת מוליכות - קיומם של גורמים שונים אשר שונים בתכונות המוליכות שלהם מהרקמה עשויים להפחית את יעילות הטיפול. גורמים כאלו יכולים להיות פיזיולוגיים כדוגמת שתן בכליה ומלאכותיים כדוגמת תומכים מתכתיים בצינורות המרה. מספר אלקטרודות, לרוב בצורת מחטים ארוכות, מוחדרות לרקמה. נקודת החדירה נבחרת לפי התנאים האנטומיים. שימוש בדימות הוא חיוני ואמצעי-דימות מקובלים הם: על-קול (US), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) ודימות תהודה מגנטית (MRI). לאחר החדרתן, האלקטרודות מחוברות למחולל אותות חשמליים ייעודי לצורך ביצוע אלקטרופורציה בלתי הפיכה. עם תחילת הפרוצדורה והפעלת המחולל, המחולל מייצר הפרשי פוטנציאל המשתנים לאורך הטיפול בין האלקטרודות. לרוב, המחולל מייצר פולס אחד או מספר פולסים חשמליים אשר יכולים להיות זהים אחד לשני או שונים אחד מהשני. צירוף הפולסים הניתנים מכונה "פרוטוקול אלקטרופורציה", הפרוטוקלים השונים נבדלים זה מזה במספר הפולסים, תדירות הפולסים, משך הזמן שאורך כל פולס, המתח החשמלי של כל פולס, צורת הפולס (מלבן, טרפז) וכן השתנות הפולסים בין אחד לשני (לדוגמה: דעיכה אקספוננציאלית). הגאומטריה של השדה החשמלי שיוצרות האלקטרודות מחושב ומותאם לאזור שצריך לעבור הסרה, ניתן להשפיע על גאומטריה זו באמצעות שינוי מיקום האלקטרודות ושינוי פרוטוקול האלקטרופורציה. זמן הטיפול תלוי בגודל ובצורת השדה הטיפולי ובמספר האלקטרודות בהם משתמשים, זמני הטיפול הם בין דקה ל-10 דקות. לרוב, יש צורך להשתמש במרפי-שרירים גם כאשר הטיפול מבוצע בהרדמה כללית וזאת מאחר שבמהלך הטיפול גירוי של הלוחית הסופית המוטורית גורם להתכווצויות שרירים חזקות. דוגמת פרוטוקול אלקטרופורציה המתאים לשימוש בבני-אדם: 90 פולסים, אורך כל פולס: כ-100 מיקרו-שניות, הפסקה בין הפולסים: 100 עד 1000 מיקרו-שניות, זרם: 50 אמפר (תלוי ברקמה ובצורת השדה), נפח רקמה מקסימלי להסרה בשימוש בשתי אלקטרודות: 4X3X2 ס"מ. מכשיר המיישם את הטכנולוגיה (אלקטרופורציה בלתי-הפיכה) הקיים באופן מסחרי נקרא NanoKnife ומיוצר על ידי חברת AngioDynamics. המכשיר קיבל את אישור מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) לביצוע ניסויים קליניים. עבור אף מהמערכות בגוף האדם אשר עשויות להיות מטופלות עבור מצבים פתולוגיים מסוימים לרבות גידולים סרטניים, עדיין לא בוצעו מחקרים אקראיים רב-מרכזיים או מעקבים ארוכי-טווח אחר מטופלים. במחקרים עם עוצמה נמוכה יותר עלו טענות לגבי הפרעת קצב חדרית חולפת המקושרת עם טיפול באמצעות אלקטרופורציה בלתי הפיכה בקרבת הלב. סרטן הערמונית (קרצינומה) מופיע לרוב בסמוך למבנים אנטומיים חיוניים כדוגמת: שופכה, שלפוחית, פי-הטבעת ועצבים וכלי-דם חשובים. כתוצאה מעובדה זאת הטיפולים הניתוחיים בגידולים אלו מוגבלים וכרוכים בזמן החלמה ארוך ותופעות-לוואי. טיפולים המבוססים על קרינה וחום כרוכים לעיתים בנזק תמידי למבנים האנטומיים החשובים הנמצאים בסמוך לגידול. בשל עובדות אלו, הועלתה השערה כי טיפול המבוסס על אלקטרופורציה בלתי-הפיכה המאופיינת בשימור גבוה של מבנים בסביבת הטיפול עשוי לשפר את התוצאות בטיפול בגידולים בבלוטת הערמונית. אלקטרופורציה בלתי הפיכה הוצעה לראשונה כטיפול בגידולים בבלוטת הערמונית על ידי גארי אוניק ובוריס רובינסקי ב-2007 וב-2010 הם פרסמו עבודה שכללה 16 מטופלים עם דירוגי גליסון 6-8. בהמשך, פורסמו מספר מחקרים נוספים לגבי טיפול בסרטן הערמונית באמצעות אלקטרופורציה בלתי - הפיכה אך בהיעדר מחקרים רב מרכזיים המכסים תקופות מעקב ארוכות, הטיפול עדיין נחשב כניסיוני. שיטות הסרה המתבססות על חום הראו תוצאות טובות בטיפול בגידולים בכבד. לעומת זאת, עבור גידולים הממוקמים קרוב לכלי-דם או דרכי-מרה, שיטות ההסרה המבוססות על חום מראות יעילות פחותה וירידה בבטיחות הטיפול. במחקר עוקבה לא אקראי שבוצע במרכז יחיד, הוערכה הבטיחות של טיפול בגידולים בכבד באמצעות אלקטרופורציה בלתי-הפיכה. בסך הכל הוערכו כ-25 חולים. המחבר מציין כי ב-50% מהמקרים הגידול הראה תגובה לטיפול. עבור גידולים בקוטר גדול מ-5 ס"מ לא נצפתה תגובה באף חולה, באופן המזכיר תוצאות של מחקרים אחרים. במסגרת מחקר זה, לא דווח על נזק לכבד באף אחד מהחולים. במקרים רבים סרטן הלבלב אינו נתיח כבר בעת האבחנה. טיפול ניסיוני באלקטרופורציה בלתי הפיכה הדגים את בטיחות הטיפול וכן הארכת חיים בזמן רב יותר לעומת הטיפול הסטנדרטי הנהוג כיום. לפי תוצאות מחקרים שנערכו אלקטרופורציה בלתי-הפיכה עשויה להוות חלק מטיפול יעיל בגידולים במספר רקמות כולל: לב, מוח, בלוטת התריס, כליה, עצמות. בעבודה מ-2009 דווח על הצלחה של הוכחת היתכנות לטיפול באמצעות אלקטרופורציה בלתי הפיכה בגידולים בשד וברקמות הטרוגניות אחרות. אלקטרופורציה בלתי-הפיכה הוצעה כטיפול להתחדשות תאי השריר החלק בכלי הדם הכליליים לאחר צנתור וזאת לאחר שהודגמה יעילות ובטיחות של הסרה של תאי שריר-חלק מדפנות כלי-דם במודל חולדה. מספר עבודות קדם-קליניות בחיות הראו שהפעלת אלקטרופורציה בלתי-הפיכה סביב מוצא וורידי הריאה בלב יוצרת רקמת צלקת שמשמשת כמבודד לפעילות חשמלית המגיעה משם וגורמת לפרפור במקרים מסוימים. בהתבסס על תוצאות אלו משערים כי אלקטרופורציה בלתי-הפיכה יכולה לשמש כשיטה לטיפול בפרפור-עליות אשר תהווה חלופה לשיטות הקיימות כיום לרבות: צריבה באמצעות גלי-רדיו או באמצעות הקפאה (קריו-אבלציה). היתרונות של אלקטרופורציה על השיטות הקיימות הם: גרימת נזק מוגדר וממוקד בלב והיעדר נזק תרמי לרקמה סמוכה. Rubinsky B (2009). Irreversible Electroporation (Series in Biomedical Engineering). Berlin: Springer. ISBN 3-642-05419-6 A. Golberg, M.L. Yarmush, Nonthermal Irreversible Electroporation: Fundamentals, Applications, and Challenges, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 60, 2013-03-01, עמ' 707-714 doi: 10.1109/TBME.2013.2238672 Elad Maor, Boris Rubinsky, Endovascular Nonthermal Irreversible Electroporation: A Finite Element Analysis, Journal of Biomechanical Engineering 132, 2010-02-17, עמ' 031008-031008 doi: 10.1115/1.4001035 Helmut Schoellnast, Sebastien Monette, Paula C. Ezell, Majid Maybody, The delayed effects of irreversible electroporation ablation on nerves, European Radiology 23, 2012-08-16, עמ' 375-380 doi: 10.1007/s00330-012-2610-3 Edward W. Lee, Susan Thai, Stephen T. Kee, Irreversible Electroporation: A Novel Image-Guided Cancer Therapy, Gut and Liver 4 doi: 10.5009/gnl.2010.4.s1.s99 Robert E. Neal Ii, Rafael V. Davalos, The Feasibility of Irreversible Electroporation for the Treatment of Breast Cancer and Other Heterogeneous Systems, Annals of Biomedical Engineering 37, 2009-09-15, עמ' 2615-2625 doi: 10.1007/s10439-009-9796-9 J.F. Edd, L. Horowitz, R.V. Davalos, L.M. Mir, In vivo results of a new focal tissue ablation technique: irreversible electroporation, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 53, 2006-07-01, עמ' 1409-1415 doi: 10.1109/TBME.2006.873745 Christopher B. Arena, Michael B. Sano, John H. Rossmeisl, John L. Caldwell, High-frequency irreversible electroporation (H-FIRE) for non-thermal ablation without muscle contraction, BioMedical Engineering OnLine 10, 2011-11-21, עמ' 102 doi: 10.1186/1475-925X-10-102 Kenneth R. Thomson, Wa Cheung, Samantha J. Ellis, Dean Federman, Investigation of the Safety of Irreversible Electroporation in Humans, Journal of Vascular and Interventional Radiology 22, עמ' 611-621 doi: 10.1016/j.jvir.2010.12.014 V. Kasivisvanathan, M. Emberton, H.U. Ahmed, Focal Therapy for Prostate Cancer: Rationale and Treatment Opportunities, Clinical Oncology 25, עמ' 461-473 doi: 10.1016/j.clon.2013.05.002 Gary Onik, Paul Mikus, Boris Rubinsky, Irreversible Electroporation: Implications for Prostate Ablation, Technology in Cancer Research & Treatment 6, 2007-08-01, עמ' 295-300 doi: 10.1177/153303460700600405 Gary Onik, Boris Rubinsky, Irreversible Electroporation: First Patient Experience Focal Therapy of Prostate Cancer, Springer Berlin Heidelberg, 2010-01-01, Series in Biomedical Engineering, עמ' 235-247 Debra A. Gervais, S. Nahum Goldberg, Daniel B. Brown, Michael C. Soulen, Society of Interventional Radiology Position Statement on Percutaneous Radiofrequency Ablation for the Treatment of Liver Tumors, Journal of Vascular and Interventional Radiology 20, עמ' S342–S347 doi: 10.1016/j.jvir.2009.04.029 Robert Cannon, Susan Ellis, David Hayes, Govindarajan Narayanan, Safety and early efficacy of irreversible electroporation for hepatic tumors in proximity to vital structures, Journal of Surgical Oncology 107, 2013-04-01, עמ' 544–549 doi: 10.1002/jso.23280 Kenneth R. Thomson, Wa Cheung, Samantha J. Ellis, Dean Federman, Investigation of the Safety of Irreversible Electroporation in Humans, Journal of Vascular and Interventional Radiology 22, עמ' 611–621 doi: 10.1016/j.jvir.2010.12.014 Robert C. G. Martin Ii, Kelli McFarland, Susan Ellis, Vic Velanovich, Irreversible Electroporation in Locally Advanced Pancreatic Cancer: Potential Improved Overall Survival, Annals of Surgical Oncology 20, 2012-11-06, עמ' 443-449 doi: 10.1245/s10434-012-2736-1 Yaniv Zager, David Kain, Natalie Landa, Jonathan Leor, Optimization of Irreversible Electroporation Protocols for In-vivo Myocardial Decellularization, PLOS ONE 11, 2016-11-28, עמ' e0165475 doi: 10.1371/journal.pone.0165475 P. A. Garcia, T. Pancotto, J. H. Rossmeisl, N. Henao-Guerrero, Non-Thermal Irreversible Electroporation (N-TIRE) and Adjuvant Fractionated Radiotherapeutic Multimodal Therapy for Intracranial Malignant Glioma in a Canine Patient, Technology in Cancer Research & Treatment 10, 2011-02-01, עמ' 73–83 doi: 10.7785/tcrt.2012.500181 Paulo A. Garcia, John H. Rossmeisl Jr, Robert E. Neal Ii, Thomas L. Ellis, Intracranial Nonthermal Irreversible Electroporation: In Vivo Analysis, The Journal of Membrane Biology 236, 2010-07-29, עמ' 127–136 doi: 10.1007/s00232-010-9284-z Martijn R. Meijerink, Hester J. Scheffer, Remco de Bree, Robert-Jan Sedee, Percutaneous Irreversible Electroporation for Recurrent Thyroid Cancer—A Case Report, Journal of Vascular and Interventional Radiology 26, עמ' 1180–1182 doi: 10.1016/j.jvir.2015.05.004 Peter GK Wagstaff, Daniel M de Bruin, Patricia J Zondervan, C Dilara Savci Heijink, The efficacy and safety of irreversible electroporation for the ablation of renal masses: a prospective, human, in-vivo study protocol, BMC Cancer 15, 2015-03-22 doi: 10.1186/s12885-015-1189-x M. Fini, M. Tschon, M. Ronchetti, F. Cavani, Ablation of bone cells by electroporation, Bone & Joint Journal 92-B, 2010-11-01, עמ' 1614–1620 doi: 10.1302/0301-620X.92B11.24664 E. Maor, A. Ivorra, J. Leor, B. Rubinsky, Irreversible Electroporation Attenuates Neointimal Formation After Angioplasty, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 55, 2008-09-01, עמ' 2268-2274 doi: 10.1109/TBME.2008.923909 Elad Maor, Antoni Ivorra, Boris Rubinsky, Non Thermal Irreversible Electroporation: Novel Technology for Vascular Smooth Muscle Cells Ablation, PLoS ONE 4, 2009-03-09, עמ' e4757 doi: 10.1371/journal.pone.0004757 Fei Xie, Frency Varghese, Andrei G. Pakhomov, Iurii Semenov, Ablation of Myocardial Tissue With Nanosecond Pulsed Electric Fields, PLoS ONE 10, 2015-12-14, עמ' e0144833 doi: 10.1371/journal.pone.0144833