Устройство для электропорации
ELECTROPORATION DEVICE

Изобретение относится к медицине, а более конкретно, к хирургии для нетепловой абляции биологических тканей при лечении, преимущественно, онкологических заболеваний людей и животных.
Абляция - направленное разрушение ткани (опухоли, эктопического водителя ритма сердца) без физического удаления. На сегодняшний день используется тепловая абляция (например, лазерная), при которой нагревается выбранная область; клетки этой области гибнут с образованием некротической ткани. Некротическая ткань является чужеродной для организма, при этом наблюдаются, в частности, воспалительные процессы.
Электропорация, пожалуй, является единственным способом, позволяющим производить нетепловую абляцию - клетки гибнут при наложении электрического поля определенной напряженности из-за проникновения в них через внешнюю мембрану ионов, нарушающих обменные процессы между клеткой и окружающей средой. При этом клетки разрушаются, распадаются на отдельные фрагменты, которые обычно поглощаются другими клетками, без воспалительной реакции.
Способ электропорации известен с 80-х годов прошлого столетия, при этом в медицинской практике используются два направления - электрохимиотерапия и абляция. При наложении на биологическую ткань электрического поля напряженностью до 400 В/см / Workbook of the electroporation-based Technologies and Treatments. Edited by Peter Kramar and Damijan Miklavcic. P. 57. Nov. 2018, Ljubljana, Slovenia / в виде кратковременных импульсов во внешней мембране возникают поры, через которые могут проходить различные вещества, которые в обычных условиях клетками ткани практически не поглощаются. Это явление используется в электрохимиотерапии.
При увеличении напряженности электрического поля клетки разрушаются, распадаясь на отдельные фрагменты, поглощаемые другими клетками без воспалительных реакций. Это явление известно в медицинской практике как нетепловая абляция.
При дальнейшем повышении напряженности электрического поля, более 900 В/см, ткань нагревается, возникает некроз ткани с сопутствующими последствиями, например, воспалительными реакциями.
При этом в электрохимиотерапии используются, в основном, однополярные импульсы электрического тока, а при абляции как одно, так и биполярные.
Клетки организма неоднородны, расположены хаотично, поэтому эффективность воздействия на клетки электрического поля возрастает, если электрическое поле действует не в одном, а в нескольких направлениях. В работе / Mojca Pavlin et al. Changing the Direction and Orientation of Electric Field During Electric Pulses Application Improves Plasmid Gene Transfer in vitro, Journal of Visualized Experiments ⋅ January 2011/ приведено сопоставление эффективности электропорации при воздействии на биологическую ткань в разных направлениях. Экспериментально показано увеличение эффективности электропорации при воздействии на биологическую ткань в различных направлениях, что объясняется увеличением порируемой площади клеток. При абляции важным параметром является количество выживших клеток - чем больше выживших клеток, и, соответственно, меньше погибших, тем больше вероятность рецидива после процедуры абляции.
Универсальная схема расположения электродов, которая могла бы ответствовать 100-процентной гибели клеток, на сегодняшний день неизвестна. На практике используюся различные схемы расположения электродов и различного количества электродов. Определение схемы расположения электродов, при которой гибнет наибольшее количество клеток при минимальном количестве электродов, остается одной из основных задач планирования лечения с использованием абляции.
Задача определения схемы расположения электродов связана с граничениями, вызванными анатомией человека или животного. Практически электроды игольчатого типа могут вводиться в тело перпендикулярно фронтальной плоскости со стороны брюшной полости. Количество электродов минимизируется, чтобы не повредить артериальные и венозные сосуды или протоки.
Известно устройство для электропорации (Systems fortreating tissuesites using electroporation. Pub. No.: US 20080132884 A1), в котором импульсы электрического тока используются для воздействия на биологическую ткань с целью ее разрушения.
Устройство включает в себя блок управления, генератор импульсов электрического тока и 6 электродов в виде игл, каждый из которых состоит из одного проводящего электрический ток сегмента длиной 40 мм максимум, и одного непроводящего сегмента. Генератор выдает однополярные импульсы электрического тока, напряженность электрического поля при этом может достигать 900 В/см и более (в зависимости от выбранного органа) при длительности импульса 70-100 мкс и периоде повторения импульсов, равном 1 секунде.
Недостатком данного устройства является увеличение температуры при процедуре электропорации, вызываемое большим током, до 50 Ампер, из-за значительной длины сегмента, проводящего электрический ток.
Наиболее близким к заявленному устройству для электропорации и принятой за прототип является устройство в соответствии с патентом (Device and method for destruction of cancer cells. US 7722606 B2), включающее в себя блок управления, генератор электрических импульсов, рабочий игольчатый электрод, соединенный с выходом генератора и расположенный в операционном поле, и нескольких игольчатых электродов, соединенных с выходами генератора, расположенных вокруг рабочего игольчатого электрода.
В состав электрода входит центральная игла, вводящаяся в область порации, и несколько игл, расположенных вокруг, позволяющих порировать клетки в разных направлениях.
Указанное устройство имеет следующие недостатки. Рабочий электрод находится в операционном поле. При его удалении после окончания процедуры электропорации возможен вынос злокачественных клеток за пределы операционного поля, что приводит к рецидивам. Различные пары электродов расположены не ортогонально, что в общем случае не позволяет создать эффективное электрическое поле, равномерно воздействующее на поверхность клеток порируемой области.
Целью предлагаемого изобретения является исключение возможности выноса злокачественных клеток за пределы операционного поля при далении рабочего игольчатого электрода, и обеспечение возможности создания эффективных электрических полей, использующихся в клинической практике.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для электропорации при лечении преимущественно онкологических заболеваний людей и животных, содержащее блок управления, генератор биполярных электрических импульсов, коммутатор, игольчатые электроды, соединенные с выходами коммутатора, отличается тем, что совместно использованы две конструктивно различные группы электродов, одна из которых выполнена в виде игл с проводящим электрический ток сегментом на дистальном конце электрода, а другая группа электродов выполнена в виде игл с разделенными между собой изолятором дистальным и проксимальным сегментами, проводящими электрический ток, при этом электроды размещены друг относительно друга таким образом, чтобы воображаемые оси между сегментами первой группы, дистальным сегментом одного из электродов и проксимальным сегментом второго электрода второй группы, и проксимальным сегментом одного из электродов и дистальным сегментом второго электрода второй группы были ортогональны и пересекаются в одной точке в центре области абляции, а все электроды находятся вне зоны абляции.
Такая схема устройства позволяет исключить возможность выноса злокачественных клеток за пределы операционного поля при удалении электрода, и обеспечить возможность создания ортогональных электрических полей для более эффективной абляции биологических тканей. Ортогональность полей позволяет создавать векторы напряженности электрического поля равномерно, тем самым порировать клетки во всех направлениях.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Электропоратор содержит блок 1 управления, генератор 2 биполярных электрических импульсов, коммутатор 3, электроды 4-7 в виде игл, при этом электроды 4 и 5 выполнены идентично, электрод 4 состоит из одного сегмента 8 непроводящего электрический ток и одного сегмента 9 проводящего электрический ток, электрод 5 состоит из одного сегмента 10 непроводящего электрический ток и одного сегмента 11 проводящего электрический ток, электроды 6 и 7 выполнены идентично, электрод 6 состоит из сегмента 12 и сегмента 13, непроводящих электрический ток, и сегмента 14 и сегмента 15, проводящих электрический ток, электрод 7 состоит из сегмента 16 и сегмента 17, непроводящих электрический ток, и сегмент 18 и сегмента 19, проводящего электрический ток, при этом воображаемые оси между сегментами 9-11, 14-19, 15-18, проводящими электрический ток, ортогональны и пересекаются в одной точке - центре области 20 абляции, коммутатор 3 подключает выход генератора 1 биполярных электрических импульсов к сегментам 9-11, 14-19, 15-18 в разные промежутки времени.
Все электроды имеют риски для определения длины погружения электрода в тело. Параллельность и расположение электродов обеспечивается приспособлением, позволяющим жестко фиксировать электроды.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
С блока 1 управления сигналы поступают на генератор 2 биполярных электрических импульсов. С генератора 2 биполярных электрических импульсов поступает сигнал на коммутатор 3. Коммутатор 3 последовательно подключает сигнал с генератора 2 биполярных электрических импульсов к сегментам 9-11, 14-19, 15-18.
Пример последовательности электрических импульсов устройства приведен на фиг. 2. При этом используются биполярные импульсы, что позволяет воздействовать на клетки полем противоположного направления с каждой парой задействованных сегментов.
Все манипуляции с животными проводили в соответствии с санитарными правилами по устройству, оборудованию и содержанию экспериментально-биологических клиник (вивариев) №1045-73 от 06.04.1973, Конвенцией по защите животных, используемых в эксперименте и других научных целях (г. Страсбург, Франция, 1986), и Директивой Совета 86/609/ЕЕС от 24.11.86 по согласованию законов, правил и административных распоряжений стран-участниц в отношении защиты животных, используемых в экспериментальных и других научных целях.
Всего проведено 48 экспериментов. Исследования выполняли на 48 белых беспородных крысах, приблизительно одного возраста (2-3 месяца), массой 240-330 грамм, мужского пола. Все животные находились в одинаковых условиях стандартного вивария при постоянной температуре окружающей среды 23-26°С, получали одинаковое питание, были прооперированы в одинаковых временных рамках. За 20 минут до процедуры электропорации производилась анестезия по стандартной методике с использованием ксилазина 2% и золетила (тилетомин). Мониторинг за вхождением животного в наркоз осуществлялся путем наблюдения за исчезновением ряда рефлексов.
Во время наркоза следили за рисунком дыхания (ритм, частота, глубина), тонусом животного. В состоянии наркоза животное фиксировали к операционному столу и помещали в положение на спине на стерильной хирургической подложке. Передняя брюшная стенка рассекалась линейным разрезом по средней линии. Печень мобилизовывалась в рану стерильной салфеткой подведенной между задней диафрагмальной поверхностью печени и брюшной стенкой.
В открытый сегмент печени вводились 4 электрода, выполненные в виде игл, расположенные таким образом, чтобы воображаемые оси каждой пары электродов пересекались в одной точке, центре области абляции, при этом все электроды находились вне области абляции. Диаметр всех игл составлял 0,7 мм.
Параметры сигнала контролировались постоянно в течение эксперимента стандартным осциллографом PSCU1000. Для понижения напряжения использовался резистивный делитель 100:1.
При испытаниях заявленного электропоратора, проведенных в виварии в период с 20.06.2019 г. по 30.08.2019 на лабораторных животных - крысах (номер регистрации протокола исследования №1711 Московского государственного медико-стоматологического университета) выявлено следующее: гистологический анализ полностью подтвердил, что заявленное устройство для электропорации позволило обеспечить снижение выживаемости злокачественных клеток и их вынос за пределы операционного поля. Также гистологический анализ показал равномерную гибель клеток в области абляции, что свидетельствует о реализации абляции во всех направлениях. Тем самым, устройство способствует снижению количества осложнений, рецидивов и времени госпитализации пациентов по сравнению с известными системами электропорации.