張旭輝 彭玉蘭 廖中凡 徐金順

熱消融是指運(yùn)用嚴(yán)苛的溫度條件（相對(duì)于細(xì)胞），包括相對(duì)高溫和相對(duì)低溫，誘導(dǎo)組織細(xì)胞發(fā)生不可逆性損傷，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡的治療方式。常用的熱消融技術(shù)主要有射頻消融、微波消融、冷凍消融、高強(qiáng)度聚焦超聲（high-intensity focused ultrasound，HIFU）和激光消融，可用于肝癌、腎癌、肺癌、骨癌、乳腺癌、轉(zhuǎn)移癌等多種病理類型腫瘤的治療［1-2］。其中，射頻消融、微波消融、高強(qiáng)度聚焦超聲和激光消融通過(guò)將局部組織加熱到60℃及以上達(dá)到損傷靶組織的目的，而冷凍消融通過(guò)將局部組織逐漸冷卻到-20℃～-40℃從而造成靶組織死亡［1，3］。本文就熱消融的基本細(xì)胞學(xué)機(jī)制、常用熱消融技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行綜述，以期指導(dǎo)臨床熱消融技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

一、熱消融的基本細(xì)胞學(xué)機(jī)制

在熱消融過(guò)程中，細(xì)胞損傷發(fā)生在從亞細(xì)胞水平到組織水平的多個(gè)層面。當(dāng)溫度達(dá)到41℃時(shí)，靶組織內(nèi)血管擴(kuò)張，血流量增加，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)基因快速表達(dá)等一系列過(guò)程，從而促進(jìn)熱休克蛋白合成，增加細(xì)胞對(duì)高溫的耐受能力，并啟動(dòng)熱休克反應(yīng)；當(dāng)溫度從42℃升高到46℃時(shí)，細(xì)胞開始產(chǎn)生不可逆性損傷；當(dāng)溫度從46℃升高到52℃時(shí)，靶組織內(nèi)微血管血栓形成，導(dǎo)致局部缺血缺氧，加快細(xì)胞死亡；當(dāng)溫度達(dá)到60℃及以上時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜融化，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)迅速發(fā)生變性，產(chǎn)生大量細(xì)胞毒性蛋白質(zhì)，導(dǎo)致凝固性壞死［3-4］。

相反，當(dāng)溫度逐漸降至-20℃～-40℃時(shí)，細(xì)胞內(nèi)新陳代謝停止；隨著溫度進(jìn)一步降低，細(xì)胞外形成冰晶［5］。由于冰晶隔離了自由水，增加了細(xì)胞外液張力，滲透張力迫使細(xì)胞內(nèi)液流向細(xì)胞外，導(dǎo)致細(xì)胞脫水，從而引起滲透性休克［3，6］。此時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)脫水，電解質(zhì)濃度增加，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)酶損傷和質(zhì)膜不穩(wěn)定性增加［6］。當(dāng)消融結(jié)束后，溫度慢慢回升，上述滲透梯度發(fā)生逆轉(zhuǎn)，細(xì)胞外液滲透進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)一步引起細(xì)胞膨脹、破裂，導(dǎo)致細(xì)胞死亡［3］。此外，當(dāng)溫度迅速降至-20℃～-40℃時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)沒有足夠時(shí)間進(jìn)行脫水，導(dǎo)致自由水被困在細(xì)胞內(nèi)形成冰晶，對(duì)質(zhì)膜和細(xì)胞器產(chǎn)生機(jī)械剪切力，從而造成細(xì)胞機(jī)械性損傷［6］。

由此可見，熱消融的基本細(xì)胞學(xué)機(jī)制分為兩個(gè)方面：①通過(guò)使細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵酶功能失活，抑制DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞有絲分裂停止和溶酶體酶釋放，導(dǎo)致細(xì)胞死亡［1，7］；②通過(guò)使細(xì)胞內(nèi)超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，包括線粒體嵴的囊泡化、線粒體腫脹和致密小體形成，從而促進(jìn)跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子泄露，導(dǎo)致細(xì)胞死亡［4］。

二、常用熱消融技術(shù)的概念、技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

（一）射頻消融

1.概念和技術(shù)原理。射頻是指電磁波譜中頻率為3 Hz～300 GHz的無(wú)線電波。在臨床中通常使用的頻率為460～500 kHz［8］。射頻消融的電極充當(dāng)整個(gè)電路的陰極，患者背部或大腿貼上接地墊構(gòu)成陽(yáng)極，形成閉合回路［9-10］。利用射頻交流電在靶組織中產(chǎn)生電阻性加熱［7，11］，其中電子（e-）構(gòu)成射頻交流電，離子（Na+、K+和Cl-）構(gòu)成電阻。由于組織的導(dǎo)電性差，流經(jīng)組織的電流會(huì)導(dǎo)致離子的振動(dòng)和摩擦熱的產(chǎn)生。因此，靠近射頻電極的組織會(huì)經(jīng)受最大的電流，溫度上升最快（即直接加熱）；遠(yuǎn)離射頻電極的組織主要通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行加熱（即間接加熱）。由于射頻電極本身不是熱源，其主要通過(guò)產(chǎn)生射頻交流電引起相鄰離子不停地振動(dòng)、摩擦，從而產(chǎn)生熱量［12］。當(dāng)局部組織升溫到100℃而發(fā)生沸騰、氣化或碳化時(shí)，“燒焦的組織”相當(dāng)于絕緣體，其電阻驟然增加，限制交流電的流動(dòng)，降低熱量傳遞效率，導(dǎo)致消融范圍縮小［13］。因此，射頻消融往往是一個(gè)自限的過(guò)程，需要緩慢、勻速地升高溫度。

2.優(yōu)缺點(diǎn)。射頻消融的優(yōu)點(diǎn)：①為微創(chuàng)治療，創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、可重復(fù)治療［8］；②對(duì)周圍正常組織的損傷較??；③通常無(wú)需全身麻醉［9］。射頻消融的缺點(diǎn)：①過(guò)于依賴良好的組織導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；②射頻交流電局限于射頻電極周圍，消融范圍有限（最大徑≤3 cm）；③易受熱沉效應(yīng)的影響，難以根除腫瘤。熱沉效應(yīng)是指當(dāng)靶組織緊鄰大血管（內(nèi)徑≥3 mm）時(shí)，流動(dòng)的血流帶走部分熱量的現(xiàn)象［14］。由于熱沉效應(yīng)限制了鄰近大血管的腫瘤組織急速升溫，容易導(dǎo)致消融不完全，從而影響預(yù)后［15-16］。

（二）微波消融

1.概念和技術(shù)原理。微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的一種電磁波，介于無(wú)線電波和紅外線之間［17］。臨床中通常使用的頻率為915 MHz和2.45 GHz［18］。微波由微波發(fā)生器內(nèi)的磁控管產(chǎn)生，經(jīng)電纜和天線傳遞至靶組織，通過(guò)在靶組織周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，其以每秒20～50億次的速度改變極性，迫使靶組織中的偶極分子（主要為水分子）與振蕩電磁場(chǎng)的速度保持一致［19］。由于偶極分子無(wú)法跟上快速振蕩的電磁場(chǎng)，部分電磁能轉(zhuǎn)化為偶極分子簡(jiǎn)諧振蕩的動(dòng)能，從而將交變電磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能，提高靶組織的溫度［3，7］。其中，產(chǎn)熱率（Qh）與外加電場(chǎng)強(qiáng)度（E）的平方成正比，即Qh=σ│E│2，σ代表有效電導(dǎo)率（S/m），用于表示微波吸收的程度。由于人體內(nèi)水分含量高，大多數(shù)組織具有較高的電導(dǎo)率，因此容易吸收微波能量，產(chǎn)生較大的消融范圍。

2.優(yōu)缺點(diǎn)。微波消融的優(yōu)點(diǎn)：①與射頻消融不同，微波消融的能量不是電流，而是傳播的電磁場(chǎng)，更少受到熱沉效應(yīng)的影響，容易穿過(guò)燒焦或脫水的碳化組織［20］；②微波不依賴或絕少依賴相鄰組織的傳導(dǎo)，可在導(dǎo)電性差的組織（如骨、肺）中傳播，因此應(yīng)用范圍更廣泛［21］；③微波頻率較高，能產(chǎn)生更多的熱量，多個(gè)微波天線同時(shí)應(yīng)用能產(chǎn)生協(xié)同作用，加熱速度更快、熱場(chǎng)分布更均勻，消融范圍更廣［22］。微波消融的缺點(diǎn)：①設(shè)備（電纜、天線）笨重；②天線容易過(guò)熱，需要冷卻裝置保護(hù)天線的表面結(jié)構(gòu)。

（三）冷凍消融

1.概念和技術(shù)原理。冷凍消融是指應(yīng)用細(xì)胞毒性低溫破壞腫瘤組織的治療方法，主要應(yīng)用于肺、腎腫瘤和骨轉(zhuǎn)移腫瘤［6，11］。冷凍消融前需要先將冷凍探針置于靶組織內(nèi)，當(dāng)冷凍探針的內(nèi)部溫度降低至-160℃以下時(shí)，低溫通過(guò)對(duì)流和熱傳導(dǎo)迅速轉(zhuǎn)移到冷凍探針的金屬壁上，進(jìn)而在冷凍探針的最遠(yuǎn)端形成冰球。冰球與靶組織發(fā)生物理接觸并通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移，從而將靶組織溫度逐漸降至-20℃～-40℃［6，23］。冷凍探針本質(zhì)上是一個(gè)高壓、閉合的氣體膨脹系統(tǒng)，所用氣體多為液態(tài)高壓氣體（如氬氣、氦氣）。當(dāng)高壓的針內(nèi)氬氣進(jìn)入冷凍探針最遠(yuǎn)端的小腔室之前，會(huì)被強(qiáng)制通過(guò)一個(gè)狹窄的節(jié)流閥，之后快速膨脹到大氣壓［17］。由于存在焦耳-湯姆遜效應(yīng)，快速膨脹的氬氣溫度大幅急劇下降，隨后從針轂中排出［11，24］。理想的冷凍消融過(guò)程要求快速冷凍靶組織，緩慢而完全地解凍靶組織，然后進(jìn)入第二次凍融循環(huán)。在靶組織的解凍過(guò)程中，冷凍探針的升溫和組織的解凍是在同一系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)高壓氦氣完成［23，25］。

2.優(yōu)缺點(diǎn)。冷凍消融的優(yōu)點(diǎn)：①可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消融區(qū)，相較于高溫氣體對(duì)超聲圖像產(chǎn)生的干擾，冷凍的冰球能被超聲圖像清晰顯示，便于實(shí)時(shí)觀察，通過(guò)調(diào)節(jié)和控制氣體釋放速率，有利于精確控制消融范圍［6，11］；②數(shù)個(gè)冷凍探針能夠產(chǎn)生協(xié)同作用，擴(kuò)大消融范圍［26］；③通常無(wú)需全身麻醉，由于組織的冷卻本身就具有局部麻醉作用，冷凍消融患者往往較射頻消融和微波消融患者痛苦更少［24］；④較少受到熱沉效應(yīng)的影響［27］；⑤有利于治療靠近膠原組織和彈性組織的腫瘤，由于膠原組織和彈性組織（如支氣管和血管等）能夠耐受低溫，冷凍消融不會(huì)破壞其組織完整性，從而可以安全地對(duì)靠近這些結(jié)構(gòu)的腫瘤進(jìn)行消融［28］。冷凍消融的缺點(diǎn)：①容易引起低溫休克，包括低血壓、多器官功能衰竭和彌散性血管內(nèi)凝血等，進(jìn)而導(dǎo)致出血［3，11］；②成本較高［6］，需要購(gòu)買和儲(chǔ)存足夠的液態(tài)氬氣和氦氣；③極低的溫度容易造成神經(jīng)損傷［24］。

（四）HIFU

1.概念和技術(shù)原理。HIFU是唯一的非侵入性熱消融治療方式，通過(guò)將多個(gè)超聲波聚焦于一點(diǎn)，使局部組織溫度瞬間升高到60℃及以上，從而產(chǎn)生熱損傷，同時(shí)其還能在組織中產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。與傳統(tǒng)超聲能量密度（約720 mW/cm2）相比，HIFU的能量密度可達(dá)到100～10 000 W/cm2，通常僅需0.5～1.0 s，即可產(chǎn)生60℃及以上的高溫以快速消融靶組織［29］。HIFU主要通過(guò)熱效應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凝固性壞死。此外，還能產(chǎn)生一系列物理化學(xué)效應(yīng)，包括空化作用、微射流和聲輻射力［30］。高強(qiáng)度聲壓引起細(xì)胞內(nèi)微氣核和組織內(nèi)氣泡（微米量級(jí)）不斷發(fā)生膨脹和收縮，這一空化氣泡急劇崩潰閉合的過(guò)程即為空化作用。微氣核和氣泡收縮、塌陷的同時(shí)，會(huì)向周圍組織釋放沖擊波，產(chǎn)生微射流和聲輻射力，造成細(xì)胞機(jī)械性損傷（核膜、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的崩潰、塌陷），從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡［3，31］。高強(qiáng)度超聲波的聚焦類似于放大鏡聚焦光線，使用由自聚焦壓電陶瓷構(gòu)成的超聲聚焦換能器（工作頻率為200 kHz～4 MHz），利用其平面換能器、聲聚焦透鏡和電子相控陣裝置聚焦超聲波、生成焦點(diǎn)，將能量傳遞至靶組織［32］。這類超聲聚焦換能器不僅體積小、聲強(qiáng)大、能量集中、損耗小，還具有焦點(diǎn)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)［33］。

2.優(yōu)缺點(diǎn)。HIFU的優(yōu)點(diǎn)：①超聲波通過(guò)皮膚和淺表組織到達(dá)深處的腫瘤靶區(qū)，無(wú)需侵入性操作［31］；②HIFU產(chǎn)生的焦點(diǎn)僅有數(shù)個(gè)立方毫米（＜20 mm3），能夠精確消融靶組織［33］，適合治療體積較小的腫瘤，精確度極高；③由于聚焦區(qū)聲能高度集中，穿過(guò)中間組織的超聲波具有較低的聲能，對(duì)周圍正常組織的損傷較?。?0］；④加熱速度快。HIFU的缺點(diǎn)：①當(dāng)超聲聚焦換能器與皮膚之間的聲學(xué)耦合劑不充分時(shí)，由于空氣滯留，導(dǎo)致聲束散焦，聲能沉積在皮膚表面，造成皮膚燒傷［3］；②治療時(shí)間較長(zhǎng)，即在連續(xù)兩次HIFU治療之間，必須間隔一段冷卻時(shí)間，以防止鄰近正常組織受到熱量積累的影響；③肺、骨骼等器官和腫瘤組織內(nèi)的鈣化灶限制了超聲波的傳導(dǎo)［30］，故HIFU不能治療具有或靠近這些結(jié)構(gòu)的腫瘤。

（五）激光消融

1.概念和技術(shù)原理。激光消融利用紅外光譜中不同波長(zhǎng)的激光，將波長(zhǎng)從810～1064 nm的激光照射到靶組織上，其能夠被靶組織血流中的血紅蛋白吸收，進(jìn)而導(dǎo)致不同程度的微血管反應(yīng)［34］。如靶組織吸收過(guò)多光能時(shí)，組織內(nèi)出現(xiàn)微血管凝結(jié)和缺血性損傷，進(jìn)而發(fā)生凝固性壞死。用于腫瘤激光消融的設(shè)備和系統(tǒng)與用于臨床激光治療的設(shè)備和系統(tǒng)相似，均由摻釹釔鋁石榴石激光器產(chǎn)生的光（波長(zhǎng)為1064 nm）通過(guò)光學(xué)纖維放大器照射到靶組織上［3］。光學(xué)纖維植入靶組織后，激光光源發(fā)射光子的熱能聚焦于光學(xué)纖維尖端，導(dǎo)致局部組織升溫超過(guò)100℃；隨后，熱能在靶組織中擴(kuò)散、傳遞，最終引起細(xì)胞發(fā)生凝固性壞死。

2.優(yōu)缺點(diǎn)。激光消融的優(yōu)點(diǎn)：①激光消融擁有纖細(xì)靈活的激光纖維，對(duì)靶組織進(jìn)行消融操作簡(jiǎn)便；②能夠消融1～2 cm2的極小區(qū)域，適合治療體積較小的腫瘤組織，精確度高；③相較于射頻消融，激光消融功率較小、能量集中，更加安全和準(zhǔn)確［35］。激光消融的缺點(diǎn)：①由于燒焦組織增加了光的散射，降低了熱量傳遞效率，因此激光消融與射頻消融類似，是一個(gè)自限的過(guò)程；②消融范圍小，由于大多數(shù)激光消融系統(tǒng)通過(guò)增加激光纖維來(lái)增加消融區(qū)的大小，但代價(jià)是侵入性增加、消融程序更復(fù)雜、成本更高；③激光穿透深度淺，僅適合消融淺表腫瘤組織［1］。

三、總結(jié)

熱消融技術(shù)主要利用熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)損傷靶組織，引起細(xì)胞的酶學(xué)改變、基因突變、蛋白質(zhì)變性和凝固性壞死。射頻消融、微波消融、冷凍消融、HIFU、激光消融損傷靶組織在生物學(xué)機(jī)制方面雖是殊途同歸，但在技術(shù)層面卻大相徑庭，在臨床應(yīng)用方面更各有千秋。因此，正確選擇合適的熱消融技術(shù)是治療時(shí)需要考慮的問(wèn)題。不同的熱消融技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該綜合考慮腫瘤類型及大小、毗鄰位置、并發(fā)癥和治療費(fèi)用等因素，趨利避害，盡可能為患者提供最佳的治療。