Vergleich zwischen hochfrequenter irreversibler Elektroporation und irreversibler Elektroporationsablation an Schweinelebern: Verlaufsbeobachtung mittels DCE-MRI und pathologischer Untersuchungen
Einleitung
Die irreversible Elektroporation (IRE), auch als Nanoknife-Ablation bekannt, ist eine nicht-thermale Ablationstechnologie, die hochgespannte elektrische Pulse nutzt, um nanometergroße Poren in Zellmembranen zu erzeugen, was zu Zelltod und Gewebsnekrose führt. Ihr nicht-thermales Verfahren ermöglicht den Einsatz in sensiblen Bereichen wie der Leberpforte und dem Pankreas, wobei kritische Strukturen wie Blutgefäße, Gallengänge, Pankreasgänge und Nerven geschont werden. IRE weist jedoch Einschränkungen auf, darunter starke Muskelkontraktionen durch elektrische Impulse, die Muskelrelaxanzien und Vollnarkose erfordern. Diese Faktoren erschweren den Eingriff und begrenzen die klinische Anwendung.
Zur Lösung dieser Probleme wurde die hochfrequente irreversible Elektroporation (H-FIRE) entwickelt. H-FIRE nutzt bipolare Hochfrequenzpulse, um Muskelkontraktionen durch die alternierende Polarität zu minimieren. Diese Innovation eliminiert die Notwendigkeit von Relaxanzien und Narkose, vereinfacht das Verfahren und macht es für mehr Patienten zugänglich. Beide Techniken induzieren Zelltod, ihre unterschiedlichen Wellenformen und Frequenzen können jedoch zu divergierenden zellulären Reaktionen und Reparaturmechanismen führen. Die in-vivo-Effekte und Mechanismen von H-FIRE sind jedoch kaum verstanden, und ihre Wirksamkeit im Vergleich zu IRE wurde nicht umfassend evaluiert.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) eignet sich ideal zur Beurteilung von IRE-Behandlungsantworten im Lebergewebe. Die dynamische kontrastverstärkte MRT (DCE-MRI) liefert Informationen über Gewebeperfusion, Gefäßdurchblutung, Gefäßpermeabilität und Kontrastmittelaufnahme. Quantitative Parameter wie der Volumentransferkoeffizient (Ktrans), die Ratekonstante (Kep) und der extravaskuläre extrazelluläre Volumenanteil (Ve) können aus DCE-MRI abgeleitet werden, um Gewebeveränderungen nach der Behandlung zu analysieren. Obwohl DCE-MRI zur Unterscheidung von IRE- und reversibler Elektroporationszonen (RE) eingesetzt wurde, ist ihre Anwendung bei H-FIRE begrenzt.
Diese Studie verglich die Wirksamkeit von IRE und H-FIRE in vivo durch Analyse von Temperaturveränderungen, Ablationszonengröße, DCE-MRI-Parametern und histologischen Befunden an Schweinelebern. Die Ergebnisse geben Aufschluss über das Potenzial von H-FIRE als Alternative zu IRE und den Nutzen von DCE-MRI zur Überwachung des Behandlungserfolgs.
Methoden
Die ethische Genehmigung wurde durch die Tierethikkommission des Allgemeinen Krankenhauses der Volksbefreiungsarmee erteilt. Zehn Bama-Minischweine wurden in zwei Gruppen eingeteilt: eine 1-Tages- und eine 7-Tages-Gruppe. Jedes Tier erhielt sowohl IRE- als auch H-FIRE-Ablationen an zwei Leberstellen mit einem Mindestabstand von 6 cm zur Vermeidung von Interferenzen.
IRE- und H-FIRE-Ablation
Die Leber wurde laparotomisch freigelegt, und zwei parallele Nadelelektroden (1,5 cm Abstand) wurden 1,5 cm tief inseriert. IRE wurde mit einem Generator durchgeführt, der 2200-V-Rechteckimpulse abgab, während H-FIRE mit einem 3000-V-asymmetrischen Pulsgenerator appliziert wurde. Die Elektrodentemperatur wurde mittels Bragg-Gitter-Sensoren in Echtzeit überwacht.
DCE-MRI-Untersuchung
DCE-MRI-Aufnahmen (3,0 T) wurden in der 7-Tages-Gruppe an den Tagen 1, 4 und 7 post-Ablation durchgeführt. Ein Zwei-Kompartiment-Pharmakokinetikmodell berechnete Ktrans, Kep und Ve. Die Ablationszonengröße wurde radiologisch und histologisch analysiert.
Histologische und elektronenmikroskopische Analyse
Lebergewebe wurde in Formalin fixiert und mittels H&E-Färbung, HSP70-Immunhistochemie und TUNEL-Assay untersucht. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) diente der Darstellung ultrastruktureller Veränderungen.
Statistische Analyse
Daten wurden mit GraphPad Prism analysiert. Kontinuierliche Variablen wurden als Mittelwert ± Standardabweichung oder Median (Q1, Q3) angegeben. T-Test, Mann-Whitney-U-Test, ANOVA und Pearson-Korrelation kamen zum Einsatz.
Ergebnisse
Temperaturmonitoring
Die Temperaturänderungen während IRE und H-FIRE unterschieden sich nicht signifikant (18,00 ± 3,77 °C vs. 16,20 ± 7,45 °C; t = 0,682, P = 0,504).
DCE-MRI-Befunde
Ktrans und Kep zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen IRE- und H-FIRE-Zonen. Der Ve-Wert war in IRE-Zonen am Tag 4 höher (0,14 ± 0,02 vs. 0,08 ± 0,05; t = 2,408, P = 0,043). In IRE-Zonen stieg Ktrans bis Tag 7 signifikant an (P = 0,033), was auf erhöhte Gefäßpermeabilität hindeutet.
Ablationszonengröße
H-FIRE erzeugte am Tag 1 (4,74 ± 0,88 cm² vs. 3,20 ± 0,77 cm²; t = 3,241, P = 0,009) und Tag 4 (2,22 ± 0,83 cm² vs. 1,30 ± 0,50 cm²; t = 2,343, P = 0,041) größere Nekroseareale. Beide Gruppen zeigten eine Größenabnahme über die Zeit, was auf Geweberegeneration hindeutet.
Histologie und TEM
TEM zeigte Plasmamembranlyse, zytoplasmatische Schwellung und Vakuolen in beiden Gruppen. Histologisch fanden sich ausgedehnte Nekrosen, Hämorrhagien und HSP70-Überexpression. Der apoptotische Index war in Ablationszonen signifikant erhöht (P < 0,001), jedoch ohne Unterschied zwischen IRE und H-FIRE.
Korrelation von DCE-MRI-Parametern mit Hepatozytenzahl
In H-FIRE-Zonen korrelierten Ktrans und Kep am Tag 7 positiv mit der Hepatozytenzahl (r = 0,940, P = 0,017 bzw. r = 0,895, P = 0,040). Für IRE-Zonen wurde keine signifikante Korrelation festgestellt.
Diskussion
H-FIRE zeigte eine vergleichbare Ablationswirkung wie IRE, jedoch mit größeren initialen Nekrosearealen. Die ähnlichen Ktrans- und Kep-Werte deuten auf vergleichbare Gewebeschädigung und Permeabilität hin. Der höhere Ve-Wert in IRE-Zonen könnte auf Unterschiede in der extrazellulären Flüssigkeitsdynamik zurückzuführen sein. Die größere Ablationszone bei H-FIRE könnte auf verbessertes Gewebepenetrationsvermögen zurückgehen, aber die Regenerationsrate war ähnlich.
Histologische Befunde bestätigten, dass beide Techniken Apoptose und Nekrose induzieren, bei erhaltener Gefäß- und Gangarchitektur. DCE-MRI erwies sich als wertvolles Tool zur Erfassung pathophysiologischer Veränderungen, insbesondere der vaskulären Permeabilität und Regeneration.
Einschränkungen
Die kleine Stichprobengröße und die Verwendung von Normalgewebe limitieren die Übertragbarkeit auf Tumormodelle. Zukünftige Studien sollten H-FIRE an Tumoren evaluieren.
Fazit
H-FIRE ist eine vielversprechende Alternative zu IRE mit vergleichbarer Sicherheit und Effizienz, jedoch vereinfachtem Verfahren. DCE-MRI bietet potenzielle Vorteile zur Therapieüberwachung.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001663