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.

מנגנון
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  - 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

יתרונות
 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).

חסרונות
 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.

שימוש ברפואה
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.

מחקרים 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.

יישומים קליניים

הסרת גידולים

ערמונית 
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.

כבד 
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.

לבלב
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.

גידולים במערכות נוספות
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.

יישומים במערכת קרדיו-ווסקולרית

כלי הדם הכליליים
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.

פרפור-עליות
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.

לקריאה נוספת
Rubinsky B (2009). Irreversible Electroporation (Series in Biomedical Engineering). Berlin: Springer.

הערות שוליים

ביולוגיה מולקולרית
היסטולוגיה