CN115461116A - 利用带电环形结构施加高均匀性脉冲电场的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于生成高均匀性脉冲电场的装置、系统和方法。电场占用适合放置人或动物患者的大体积。提供了用于生成电场的装置，该装置包括由导电材料制成的多个环形结构，其中环形结构被充电到不同的电压电平。当用电流脉冲时，该装置在环形结构的内部区域生成高均匀性电场。这些电场脉冲当与药理剂结合使用时通过一个称为靶向渗透溶解的过程破坏癌细胞。

Description

利用带电环形结构施加高均匀性脉冲电场的方法和系统

相关申请

本申请要求在2020年2月7日提交的第62,971,562号美国临时申请和在2021年1月29日提交的第63/143,303号美国临时申请的优先权权益，这两个美国临时申请通过引用完全纳入本文以用于所有目的。

领域

本发明涉及医疗装置和疾病与身体不适的医学治疗领域。更具体地说，本发明涉及用于医疗应用的、经由带电环形结构生成具有高均匀性的脉冲电场的方法和系统。

背景技术

脉冲电场治疗目前广泛应用于各种生物和医疗应用：基因传递、电化学治疗和癌症治疗。脉冲电场治疗的一个优点是它能够以非热量方式破坏组织或肿瘤。因此，脉冲电场治疗可以保持敏感组织(如血管和轴突)完整。此外，这种非侵入性技术允许在治疗区域中用健康细胞和组织进行再生而不会留下疤痕的可能性。

用于生成脉冲电场的传统设备由三部分组成：脉冲发生器、电极和它们之间的连接链路。脉冲发生器以规则间隔产生方波脉冲。振幅、脉宽、周期和相位延迟是决定输出波形形状的主要参数。电场强度取决于脉冲的振幅和电极之间的距离，对于完成治疗效果往往至关重要。当电极不合适时，特定靶区的强度不足，导致治疗效果不佳。

用于生成电场的传统技术类似于雷达中使用的技术，在成本和可用性方面都有一些缺点。使用这种技术的一个典型设备是双极性发生器，其生成短方波并反转极性，部分原因是为了避免电极腐蚀。然而，双极性发生器的成本大约是单极性发生器的两倍。其他波形包括指数衰减和正弦波形。正弦形式稍微容易生成，因为它使用的是类似于普通无线电设备的设备，但它只在瞬间达到其峰值功率，且因此相比方波每周期传递的能量很少高于临界场强。

目前存在三种生成电场脉冲的可选技术。在一种技术中，在两个大的导电板之间创建电场，每个导电板都被充电成使得在板之间存在电压差。患者被放置在板之间。电场从一个板指向另一个板，并被定向成垂直于患者身体表面积的大部分，这导致患者内部的电场大幅减小。这使得控制患者体内的场变得非常困难，因为实际的场对在板之间患者填充的空间百分比非常敏感。所产生的场将随患者的体重显著变化。当患者的局部解剖结构填充板之间的或多或少的区域时，该场在患者的解剖结构内也可能不同。例如，对于一个腹部很大的患者，腹部的场与患者胸部或头部的场有很大的不同。导电板可以被放置成直接与患者接触，以避免场变化。然而，典型的导电板只可以接触患者皮肤的一小部分，除非它们是柔性的。

在实验室实验中应用的另一种技术是使用带有空孔(empty bore)的螺线管线圈，患者被放置在该空孔内。线圈中的电流随着时间的变化而呈斜坡变化(ramp)，导致磁场变化，根据法拉第感应定律，这在患者体内产生变化的电场。线圈是由磁性材料制成的。这种技术的一个缺点是由螺线管线圈产生的电场在空间上的变化，电场沿中心轴线为零且从轴线随着半径的增加而增加。此外，如果扩展到人或大型动物大小的装置，对功率的要求非常高，峰值功率在50-400千瓦范围内。如此高的功率要求对建筑设施提出了巨大的挑战。这项技术还需要针对装置本身和装置在其中运行的建筑物的非常强大的排热系统。静电环单元产生的热量可与诸如灯泡的其他小型电器相当。

第三种技术是通过在高磁化率(magnetic susceptibility)的材料内部使磁场呈斜坡变化来创建电场。以这种方式产生的电场具有所需的特性，但由于需要大量磁性材料，该装置的重量可能很大。这种技术的另一个缺点是对于给定脉冲持续时间，电场强度的上限受到磁性材料的材料特性的限制。

尽管最近在使用电脉冲诱导细胞死亡方面取得了进展，但本领域仍然需要改进的装置和方法来用于在不损害正常组织的情况下破坏病变或使身体不适的组织，例如肿瘤组织。特别是需要在大体积内生成高均匀性脉冲电场的装置和方法。

发明概述

鉴于上述内容，本发明的目的是解决用于医疗应用的在大体积内生成高均匀性脉冲电场(PEF)的需要。本发明的实施例涉及作为癌症治疗方案的一部分针对人或动物对象创建脉冲电场的装置和方法。本发明提供了一种用于生成大体积和高均匀性的电场的系统，所述电场适合于将人或动物患者放置在内部。

描述了一种用于生成脉冲电场的装置的实施例，该装置包括多个同轴导电环形结构。环形结构足够大到将人或动物对象放置到其内部区域，并被分离的距离在几英寸到几英尺的范围内。每个环形结构被充电到电压电平；环形结构之间的电压差在内部区域产生电场。施加到每个环形结构的电压电平被设计为优化所产生的电场的均匀性。根据一个实施例，电场以一系列重复脉冲被施加。

描述了一种系统的另一实施例，该系统包括连接到一组驱动电子器件的导电环形结构，该驱动电子器件允许用户控制电场脉冲的振幅、持续时间和间隔。驱动电子器件包括生成脉冲电压或电流波形的部件、对波形的输出放大和滤波的部件、以及呈现用于控制输出的用户界面的微处理器。

根据本发明的用于生成电场的装置和系统具有各种期望的特征。第一，生成的电场具有高空间均匀性。第二，电场切向地指向躺在装置中的患者的表面。第三，相对于其他一些方法，功率要求和发热量都很低。第四，驱动电子器件相对简单。第五，本装置本质上是轻量级的。

通过本发明生成的电场脉冲，当与药理剂(pharmacological agent)结合使用时，可通过如第8,921,320号美国专利中所述的称为靶向渗透溶解(targeted osmotic lysis，TOL)的过程破坏癌细胞，该美国专利的整个公开内容通过引用明确并入本文。

另一个实施例提供了一种通过靶向渗透溶解的治疗性处理(therapeutictreatment)的方法，该方法包括向有需要的人或动物对象施用通过根据本发明的装置和系统生成的脉冲电场刺激的治疗上有效的剂量。该方法当与用于阻断Na+,K+ATP酶的药理剂组合时可用于靶向渗透溶解以治疗癌症的应用。在一些实施例中，一种通过靶向渗透溶解的治疗性处理方法包括终身或直到在临床上检测不到肿瘤为止，按月向患有肿瘤的人或动物对象施用脉冲电场的治疗上有效的剂量。

附图简述

下面将基于示出示例性实施例的一个或更多个附图更详细地描述本发明。

图1示出了多个环形结构，这些环形结构同轴布置以提供电场暴露的扩展区域。

图2示出了一种用于应用涉及电场的治疗的系统，该系统包括位于外壳中并连接到控制系统的电子环单元。

图3示出了与TOL应用相关联的典型脉冲串(pulse train)。

图4示出了在治疗一天内脉冲电场的刺激持续时间-反应曲线。

图5A-5C示出了用TOL治疗前后4T1同种异体移植物(homograft)中电压门控钠通道(VGSC)的钠通道标记。

图6示出了接受TOL的三阴性乳腺癌小鼠模型的治疗后存活率。

图7示出了接受TOL或紫杉醇的三阴性乳腺癌小鼠模型的治疗后存活率。

图8A-8D示出了用紫杉醇治疗前后4T1同种异体移植物中VGSC的钠通道标记。

图9示出了螺绕环装置(toroid device)和环形装置之间在缩小异位4T1同种异体移植物小鼠的肿瘤大小方面的差异。

图10示出了地高辛给药频率(dosing frequency)对TOL减小同种异体移植物大小效果的影响。

图11示出了TOL对在用TOL治疗前以地高辛给药至稳态的雌性BALBc小鼠体内4T1同种异体移植物生长的影响。

图12示出了在用地高辛进行预治疗和未预治疗的情况下TOL对雌性BALBc小鼠体内4T1同种异体移植物生长的影响的比较。

图13示出了在地高辛和PEF刺激之间的不同的治疗间隔下TOL治疗的疗效(efficacy)。

图14示出了在接受不同刺激持续时间的TOL的雌性BALBc小鼠体内4T1同种异体移植物的生长。

具体实施方式

应当理解，本发明不限于本文描述的特定方法、方案和系统等，并因此可以变化。本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不打算限制本发明的范围，本发明的范围仅由权利要求书限定。

如在说明书和所附权利要求中使用的，除非有相反的规定，否则下列术语具有如下所示的含义。

本文所用的“肿瘤”是指所有赘生性细胞的生长和增殖，无论是恶性的还是良性的，以及所有癌前病变和癌性的细胞和组织。

“癌症”和“癌性”涉及或描述哺乳动物的生理状况，其典型特征是不受调节的细胞生长。良性和恶性以及潜伏期肿瘤或微创转移(microwound metastases)都被包括在这个定义中。

“对象(subject)”是指哺乳动物，例如但不限于人类或非人类哺乳动物，例如牛、马、狗、羊或猫。

本文使用的术语仅为了描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指代所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。

下面的描述和附图充分地示出了特定实施例，以使本领域技术人员能够实践它们。其他实施例可以结合结构、逻辑、电学、过程和其他变化。一些实施例的部分及特征可以被包括在其它实施例中或代替其他实施例的部分及特征。

本发明解决了在大(人体大小的)体积中创建脉冲电场的需要。这种需求出现在靶向渗透溶解(TOL)的应用中，该TOL利用这种电场脉冲刺激癌细胞的细胞膜上的钠通道打开。参见第8,921,320号美国专利。希望电场高度均匀，以便相关的治疗效果将是均匀的。

电场是由如图1所示的环形结构之间的电压差产生的。每个环形结构都有给它充电的电压。环形结构之间的电压差在环之间产生电场，该电场在装置的轴线附近主要沿轴线定向。施加到每个环形结构的电压值以及环形结构的空间位置和直径被优化，以产生所需强度和均匀性的电场。

环形结构的圆形形状是优选实施例，因为它们产生具有良好均匀性的场。还应该理解，可以用非圆形形状产生场，该非圆形形状包括但不限于椭圆、多边形和矩形形状。环形结构不一定具有相同的直径。

环形结构可以由导电材料制成，该导电材料包括但不限于金属、电解质、超导体、半导体、等离子体和一些非金属材料，如石墨和导电聚合物。

通过使用多个这样的具有不同电压电平和精心设计的关于直径的几何关系的环形结构，可以生成大的高电场均匀性区域。在如图1所描绘的这种布置中，多个环形结构(1)被对准，以便它们共享一个公共轴线，并在空间上分离一段距离。在这种布置中，患者沿着装置的中心轴线放置。当如此布置时，所生成的电场沿着环形结构的轴线延伸，在优选的应用中，该电场将沿着人类患者或许多类型的兽医患者的长轴线延伸。通过增加环形结构的数量可以创建更大的均匀区域。这种设计可以扩展到任意大数量的环形结构以增加均质体积(homogeneous volume)，而代价是系统成本、重量和复杂性。

为了获得给定振幅的电场脉冲，将每个环形结构充电到电压电平；环形结构之间的电压差在内部区域产生电场。

创建电场的装置还可以被结合到一个系统中，该系统可以应用于治疗能力，该系统当与药理剂结合时可以治疗某些类型的癌症。具体地说，该系统包括在外壳中的一个或更多个环(称为静电环单元(ERU))，这些环连接到控制系统，用于应用涉及电场的治疗。图2示出了系统的框图。静电环单元(ERU)(2)在放置患者的内部区域中产生电场脉冲。电缆(3)将静电环单元连接到驱动和感测电路(4)，该电路向ERU(2)中的环提供电压或电流脉冲。ERU内部的感测线圈测量内部产生的电场，并可用于控制输出。微处理器(5)向装置的操作者呈现用户界面，并与驱动和感测电路连接，以控制脉冲的振幅、持续时间和间隔、以及启动和停止脉冲。

驱动电子器件连接到计算机，计算机托管用户界面，使用户能够控制脉冲振幅、持续时间和间隔、以及启动和停止脉冲治疗。计算机可以通过串行总线与驱动电子器件通信，但是也可以有其他选择。

电场振幅可以通过“开环(open-loop)”布置或者使用反馈回路的“闭环”布置中的电场传感器(4.1)进行控制，在“开环”布置中预期的电场输出根据输入电压、所创建的电流是已知的。反馈可以有多种形式，例如测量施加到每个环上的实际电压，或者来自装置内部的电场传感器测量所施加的电场。

驱动电子器件中的电压脉冲可以用许多不同类型的放大器配置(4.2)来创建。由于通常希望驱动环的电压在15-100伏特范围内，因此希望D类放大器配置以避免放大器输出晶体管中的大散热。这种配置使用脉宽调制(PWM)来控制放大器的输出，且以其高效率和低成本而闻名。

本发明产生的电场的一个重要特性是高均匀性。高均匀性是理想的，以便治疗以一致的方式应用于整个身体或治疗区域。该应用的可用治疗区域是场强变化在空白空间中小于约10％的区域。

本发明的另一个重要方面是电场切向地指向躺在装置中的患者身体表面。切向地指向患者身体表面的电场的可取性源于将由体内极化水分子产生的电场减少最小化的需要。水有很强的极化率(电磁化率)，这导致体内的场大量减少。这种效应在垂直于表面指向的场中被最大化，电场的减少程度高达减至1/75-1/80倍。对于沿患者身体表面指向的电场，减少程度可能要小得多，从几乎没有减少到减至约1/20倍不等。

本发明的又一个重要方面是，该装置以生成的非常低的功率产生电场，导致低成本的驱动电子器件、对设施的低电气要求以及对临床设施的HVAC系统没有影响。此外，该装置本身是轻量级的。

脉冲电场系统可以应用于一种称为靶向渗透溶解(TOL)的治疗技术。参见第8,921,320号美国专利。这项技术背后的原理是电场脉冲刺激细胞膜中的钠通道打开，使更多的钠进入细胞。众所周知，癌细胞比非癌细胞有更多的钠通道。电场脉冲的治疗刺激钠通道，并导致癌细胞内钠浓度增加，导致随后水的流入，引起癌细胞破裂。在这种治疗中正常组织保持完整。

用于阻断钠从细胞流出的药理剂，如Na⁺,K⁺-ATP酶阻断剂，可以与脉冲电场一起使用，以提高治疗疗效。可用于阻断Na+,K+ATP酶的药物化合物的非限制性示例包括：哇巴因(g Strophantin)；二氢哇巴因(dihydroouabain)；哇巴因八水合物(ouabainoctahydrate)；乌巴配基(ouabagenin)；地高辛；洋地黄毒素；洋地黄；乙酰洋地黄毒素；乙酰地高辛；毛花甙C(lanatoside C；)；去乙酰毛花甙(deslanoside)；甲地高辛；吉妥福酯(gitoformate)；齐墩果苷(oleanderin)；夹竹桃苷元；蟾酥毒素；蟾毒灵；海蟾蜍毒素(3,5二羟基14,15环氧蟾蜍内酯)；海葵毒素(palytoxin)；寡霉素A、B、C、E、F和G；鲁他霉素(寡霉素D)；鲁他霉素B；毒毛旋花甙(g毒毛旋花甙(g strophanthin)，Acocantherine)；kβ毒毛旋花甙(kβstrophanthin)；毒毛旋花苷配基(strophanthidin)；k毒毛旋花子甙(kstrophanthoside)；罗布麻苷；丹参甙(卡丹内酯)；雪草苷；秘鲁苷；下丘脑Na+,K+ATP酶抑制因子(HIF)；HIF苷元；蟾蜍苷；华蟾素；海洋蟾蜍苷；原花青素；西柳苷；黄芪甲苷；3,4,5,6,四羟基杂蒽酮；和所有其他Na+,K+ATP酶抑制剂，每种的组合和衍生物。

Na+,K+ATP酶阻断剂可以通过直接或静脉施用被输送到单个肿瘤，可以通过静脉或腔内施用被输送到单个器官或区域，或者可以通过静脉、皮下、肌肉或口服施用被输送到全身。钠通道的脉冲电场刺激可以输送到单个肿瘤、单个器官、身体的一个部分、或者整个身体。VGSC家族的所有类型和亚型都应该同等地容易受到这项技术的影响。例如，过度表达Nav1.1、Nav 1.2、Nav 1.3、Nav 1.4、Nav 1.5、Nav 1.5n、Nav 1.6、Nav 1.7、Nav 1.8和Nav1.9的细胞系易受介导的靶向溶解的影响。

图3示出了与TOL应用相关联的典型脉冲串。电场振幅在自由空间中在0.1V/m至100V/m的范围内。脉冲包含大约1-50毫秒的正向极化，随后是具有相似持续时间和振幅的反向极化。脉冲从结束到开始间隔5-50毫秒。在应用中，定时、持续时间和振幅的精确细节可能会有很大的变化。

图4示出了每一次以TOL治疗前后所见的4T1同种异体移植物的平均大小，其中4次中的每一次暴露于18V/m的PEF的持续时间在5-60分钟之间变化(n＝15)。如图4所示，当设置暴露30分钟时，观察到平均肿瘤大小相对于基线的减小。刺激持续时间的进一步增加对肿瘤较小的影响较小。当小鼠暴露于PEF持续30分钟或在超过15分钟且小于60分钟的范围时，观察到最佳的肿瘤减少。

图5A-5C描绘了4T1同种异体移植物中在以TOL单独治疗2天之前(图5A)和之后(图5B)电压门控钠通道(VGSC)的免疫组织化学标记。用DRAQ-5^TM荧光探针复染细胞核。TOL治疗后，高度表达VGSC的细胞数量显著减少，这可能导致治疗超过2天后不能持续减少肿瘤。图5B中的低功率校准条(calibration bar)是50μm，以及插图中的高功率校准条是25μm。图5C中的直方图描述了表示在以TOL治疗前后同种异体移植物中显现的钠通道表达的像素计数。如图5C所示，TOL几乎消除了实体瘤中所有最高度表达VGSC的赘生性细胞。这一观察可以部分解释为在头2天治疗后观察到的TOL疗效的丧失。

图6描绘了在乳腺癌小鼠模型中脉冲电场(PEF)诱导渗透溶解的治疗疗效的体内验证。在免疫活性的雌性BALBc小鼠(n＝12)上建立了4T1小鼠乳腺癌细胞的异位同种异体移植物。“TOL”组注射地高辛(7mg/kg)以及然后暴露于环形装置生成的PEF。该治疗在第0天(治疗的第一天)和第1天进行施用。“单纯药物”组仅被给予地高辛(7mg/kg)，“单纯刺激”组仅给予PMF刺激，以及“媒介物(Vehicle)”组仅给予10％DMSO/生理盐水。连续2天(箭头)施用TOL治疗和对照(controls)治疗。从第0天(治疗的第一天)开始，以及第3天后每隔一天，每天测量肿瘤大小，直到符合NIH人道终点标准进行安乐死。如图4所示，与对照治疗的小鼠组中见到的相比，使用TOL治疗显著延长了符合人道终点标准所需的接种后周期。与阴性治疗对照相比，TOL显著提高了小鼠宿主的存活率，而不会对行为产生不利影响或产生组织损伤。

图7描绘了在乳腺癌小鼠模型中脉冲电场(PEF)诱导渗透溶解的治疗疗效与紫杉醇的比较的体内验证。紫杉醇是目前治疗三阴性乳腺癌的最佳化疗方案。在免疫活性的雌性BALBc小鼠(n＝12)上建立4T1小鼠乳腺癌细胞的异位同种异体移植物，并使其进行不同治疗。图7示出了从带4T1小鼠乳腺癌细胞的BALBc小鼠的接种到同种异体移植物符合人道终点安乐死标准之间发生的天数。接种后五天，小鼠接受单次20mg/kg的腹腔注射剂量的紫杉醇(黑色菱形)或等体积的媒介物用于悬浮紫杉醇(黑色倒三角形)。Csi(ξ)表示施用紫杉醇和紫杉醇媒介物的日期。另外的对照组在接种后第5天接受20mg/kg紫杉醇，且然后连续2天(箭头)接受8次3mg/kg剂量的地高辛(Dig)或4次30分钟周期的PEF刺激(Stim)(场振幅18V/m，10ms正/负斜坡，以及刺激间间隔15ms)作为紫杉醇和TOL治疗的对照。在接种后第6天(治疗第0天)测量同种异体移植物，以及在治疗后第1天和第2天再次测量同种异体移植物，以及然后每隔一天测量一次，直到符合人道终点安乐死的标准。如图7所示，与对照组相比，以紫杉醇治疗对存活率没有显著影响。单独使用TOL治疗的小鼠到符合人道终点安乐死所需的时间相比于单独使用PCTX和对照组明显增加，但紫杉醇与TOL组合使用降低了单独使用TOL所提供的效果。因此，与以紫杉醇治疗的小鼠相比，TOL显著提高了小鼠宿主的存活率，紫杉醇是治疗三阴性乳腺癌的阳性对照。同时以TOL和紫杉醇治疗降低了TOL的有效性。TOL在与紫杉醇同时治疗中的有效性的降低可能是由于紫杉醇治疗导致肿瘤细胞VGSC表达降低，如下面图8A-8D所述。

图8A-8D描绘了以紫杉醇治疗前(图8A)、治疗后1天(图8B)和治疗后2天(图8C)的4T1同种异体移植物的VGSC的免疫组织化学标记。细胞核用DRAQ5复染。在紫杉醇治疗的开始后，VGSC的表达明显并逐步地减少。图8B中的低功率校准条是50μm，以及图8C中插图中的高功率校准条是25μm。图8D中的直方图显示了表示在以紫杉醇治疗前和治疗后1天(图8B)和治疗后2天(图8C)的同种异体移植物中显现的钠通道表达的像素计数。值得注意的是，VGSC标记逐渐减少，但表达最高水平VGSC的细胞数量没有减少。这些数据表明紫杉醇减少了4T1小鼠乳腺癌同种异体移植物中VGSC的表达。VGSC表达的减少可能是归因于在与紫杉醇同时使用时TOL的疗效降低。

图9描绘了接受使用两种类型的脉冲电场生成装置的TOL、具有4T1小鼠乳腺癌细胞的异位同种异体移植物的免疫活性的雌性BALBc小鼠的平均肿瘤面积的减少。使小鼠经历不同电压电平的脉冲电场，该脉冲电场是使用三个刺激装置、两个螺绕环设计(黑色条)和一个同轴环形设计(灰色条)生成的，这是因为每个装置都可得到最大的场强；对于螺绕环装置分别为3.0V/m和6.0V/m，以及对于同轴环形装置为36.0V/m。本实验中使用的螺绕环装置在W02020/117662中进行了描述。在本申请中本文描述了所使用的同轴环形装置。条形图概述了与归一化基线平均值(白色条形图)相比，在不同PEF强度下获得的TOL单次治疗后观察到的平均肿瘤减小。值得注意的是，当场振幅为6V/m的PEF用螺绕环装置和同轴环形装置中任一个(条形6.0和6.0x)输送(针对每个刺激组，n＝8)时，使用螺绕环装置和同轴环形装置的肿瘤减小相当。如图9所示，同轴环形装置的TOL治疗在场振幅为18V/m时最有效，而在场强更大或更小强度时效果更差。

图10示出了地高辛给药频率对TOL在减小同种异体移植物的大小方面的效果的影响。该图显示了当既没有达到也没有维持地高辛的稳态水平时，用TOL治疗后在4T1同种异体移植物大小的平均减小的差异。在本研究中，雌性鼠BALBc小鼠接受1次、3次、5次(稳态)或8次(维持稳态)皮下(s.c.)注射地高辛(3mg/kg)和4X 30分钟暴露于脉冲电场(PEF)刺激(18V/m，10ms正/负斜坡，15个刺激间间隔)，连续两天(空箭头)按小时计总共2小时的刺激。如图10所示，当地高辛给药频率产生了低于3mg/kg稳态药物水平(填充三角形和菱形)时，额外暴露于PEF对肿瘤生长几乎没有影响。相比之下，当地高辛达到稳态水平(填充正方形和圆形)时，暴露于PEF导致同种异体移植物大小减小。当药物维持在稳态水平(填充圆形)时，抗肿瘤作用被提高。因此，响应于TOL治疗的肿瘤减小要求在PEF刺激之前达到地高辛的稳态水平。如果在整个刺激时段期间保持地高辛的稳态水平，则可以提高疗效。

图11示出了在以TOL治疗(空箭头)前被给药地高辛(3mg/kg)至稳态(5次皮下注射)持续1天、3天或5天(黑色箭头)的雌性BALBc小鼠的TOL对4T1同种异体移植物的生长的影响。尽管在所有组(n＝6)中都继续生长，但在接受TOL治疗前仅预治疗1天(填充三角形)的小鼠中，TOL对同种异体移植物生长的影响看起来影响最小。因此，每天用地高辛预治疗小鼠，足以达到药物的稳态水平最短持续1天，可能会消除TOL以剂量相关的方式在减小肿瘤大小方面的有效性。

图12示出了在TOL治疗前(空箭头)TOL对每天以地高辛(3mg/kg)给药至稳态(5次皮下注射)进行预治疗持续5天的雌性BALBc小鼠的4T1同种异体移植物生长的影响(黑色箭头)与TOL对未以地高辛预治疗的小鼠的同种异体移植物的生长的影响的比较。值得注意的是，在没有进行地高辛预治疗的情况下以TOL治疗使同种异体移植物的大小减小了大约40％(填充正方形)，但对以地高辛预治疗的小鼠的同种异体移植物的生长没有影响(填充圆形)。因此，每天用地高辛预治疗小鼠足以达到药物的稳态水平可能会降低TOL治疗在减小肿瘤大小方面的有效性。

图13示出了在地高辛和PEF刺激之间的不同治疗间隔下TOL治疗的疗效。在免疫活性的雌性BALBc小鼠体内建立了4T1小鼠乳腺癌细胞异位同种异体移植物。这些小鼠接受了连续2天5次注射地高辛(3mg/kg)以达到稳态水平。然后，小鼠组(n＝12)在预治疗2天后的0、1、3、5和7天间隔用TOL治疗(按小时施用8次皮下注射地高辛(3mg/kg)以实现和维持稳态，通过4X 30分钟暴露于脉冲电场(PEF)刺激(18V/m，10ms正/负斜坡，15次刺激间间隔，连续2天共刺激2小时)。地高辛预治疗5天内对同种异体移植物生长无影响。地高辛预治疗后5天和7天施用TOL治疗时观察到肿瘤减小方面有逐步改善。加号(+)表示一组所有小鼠达到人道终点安乐死标准的天。在以依赖于间隔的方式以地高辛预治疗后5天和7天以TOL治疗的小鼠组的存活延长。数据表明，对地高辛的耐受是可逆的。在如小鼠等小动物中，要求每2天治疗周期之间有一个至少5天且优选7天的无地高辛(digoxin free)时期。在人类患者或如猫或狗等大型动物中，每2天脉冲电场施用周期之间的无地高辛时期约为2至4周。

图14示出了在使用不同刺激持续时间以TOL治疗的雌性BALBc小鼠中4T1同种异体移植物的生长。第1、2和3组(n＝8)在第0天接受按小时注射地高辛(3mg/kg)以实现和维持药物的稳态水平，暴露于PEF(18V/m，10ms正/负斜坡，15个刺激间间隔)，共持续刺激1、2或3小时。第4天重复这个程序。第4组在第0、4和8天接受注射8次地高辛以实现和维持稳态水平，在单个治疗日暴露于PEF刺激4X 30分钟。第5组类似地治疗，但按例程，也从第0、4和8天开始接受连续2天的治疗。所有的治疗方案都观察到在治疗的第一天后相对于基线减小了同种异体移植物的大小。如果在随后的一天提供第二次治疗，这种反应更大。在一天内暴露于PEF刺激1、2或3小时的小鼠组之间没有显著差异。加号(+)表示一组中所有小鼠达到人道终点安乐死标准的天。在小鼠存活率方面没有观察到显著的差异模式。TOL的最佳安全有效的治疗方案是连续2天通过2小时的PEF刺激而达到并维持地高辛的稳态水平。

由本发明产生的电场也可以具有其他治疗或工业应用。

应当理解，上述实施例仅仅是可构成本发明原理的应用的众多实施例和变化的其他实施例的说明。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域的技术人员可以容易地设计出这样的其它实施例，并且我们的本意是，它们被认为在本发明的范围内。

示例

以下示例，包括所进行的实验和获得的结果，仅被提供用于说明目的，而不应被解释为对本发明的限制。

示例1.以靶向渗透溶解治疗大型动物试验

基于关于试验动物的体内试验的一致结果揭示了以下内容，在对正常猫和狗进行广泛的安全性测试后，使用本发明的同轴环形装置在两只狗身上开始了试验治疗：与对照治疗的小鼠相比，靶向渗透溶解(TOL)没有不良行为影响或对正常组织的损害，能够持续地减少异位异种移植瘤(xenografts)的大小30-50％，并使宿主小鼠的存活延长平均10-14天。

狗1是一只12岁的雌性拉布拉多猎犬，其右肺有2个肿瘤。她化疗无效。获取胸部X线片，以及取肿瘤组织标本，并进行免疫细胞化学处理来测定电压门控钠通道(VGSC)表达水平。发现VGSC的表达水平足够高，可以推荐治疗，并表明对治疗的积极反应是可以预期的。开始以地高辛进行预治疗，以达到药物的稳态水平。在治疗的日子里，狗接受了一个额外剂量的地高辛，且然后暴露在同轴环形装置中的脉冲电场(PEF)刺激，场振幅为18V/m。然后她被送回家，并且第二天又回来接受第二刺激周期。狗在治疗期间没有表现出不适的迹象，并且主人也没有观察到不良的认知或行为影响的迹象。治疗后的胸部X线片显示每个肿瘤的大小大约减少了17-20％。根据对治疗的初步反应，施用了第二轮治疗。治疗期间无不良反应。注意到，这只狗的食欲增加了，并且活动量也显著增加。一个月后，这只狗接受了第三轮治疗，但被发现肠胃不适，精神“迟钝”和嗜睡。对她进行了检查，并取了样本进行实验室测试，结果显示BUN/肌酐中度升高。她被注射了类固醇。这只狗的状况继续恶化，所以决定对它实施安乐死。根据实验室测试和临床表现，突然下降的原因不太可能与治疗相关的肿瘤溶解综合征有关，而是与癌症转移扩散到大脑有关。

狗2是一只15岁的雄性拉布拉多猎犬，其右肺有2个肿瘤。他对化疗无效。获取胸部X线片，以及取肿瘤组织标本并进行免疫细胞化学处理来测定电压门控钠通道(VGSC)表达水平。发现VGSC的表达水平足够高，可以推荐治疗，并表明对治疗的积极反应是可以预期的。开始以地高辛进行预治疗，以达到药物的稳态水平。在治疗的日子里，狗接受了一个额外剂量的地高辛，并且然后暴露于同轴环形装置中的脉冲电场(PEF)刺激，场振幅为18V/m，持续2小时。然后他被送回家，并且第二天回来接受第二刺激周期。这只狗对进入运狗箱表现出一些焦虑，但在治疗期间没有不适的迹象，且也没有不良认知或行为影响的迹象。治疗后的胸部X线片显示每个肿瘤的大小减小了大约25％。根据对治疗的初步反应，施用了第二轮治疗。在治疗过程中或治疗后均未发现不良反应。肿瘤继续缩小，但每次治疗肿瘤减小的量似乎略小。没有发现明显的行为改变。第三轮治疗是使用一个较小的、台架尺寸的同轴环形装置施用的。治疗参数与之前相同，但由于这只狗的焦虑程度，在将其放入装置的孔中之前，先施用一剂乙酰丙嗪。这个过程是耐受性良好。治疗前未获取治疗前X线片，但第三轮治疗后胸部的治疗后X线片与第二轮治疗后取得的治疗后X线片的比较显示了一个变量，但总体上肿瘤大小减小了约5％。这一发现被认为是重要的，因为预期肿瘤将在第二次治疗和第三次治疗之间的时段内生长。

第4次使用台架尺寸的同轴环形装置连续两天以18V/m的相同场强持续2小时对狗进行治疗。狗接受治疗后的X线检查，且发现肿瘤稳定，并且比其第三轮治疗后略小。这只狗现在已经在三个月内完成了四个疗程的治疗，以及肿瘤比其第一次成像时要小。他的主人报告说，他的行为和食欲保持不变，以及除了镇静剂之外，没有严重的副作用。

总之，这些发现表明靶向渗透溶解术可以为大型动物晚期癌症提供一种安全有效的治疗方法，而不损害患者的生活质量。

示例2.脉冲电场发生器对人类患者的紧急使用治疗

患者在生命的第五个十年里患有难治性宫颈癌。患者的临床问题包括顽固性疼痛，即使在PCA泵上使用大剂量麻醉剂，以及营养不良。患者服用氢吗啡酮、吗啡、美沙酮和抗焦虑药。止痛药的多次操作没有产生任何缓解。患者的ECOG表现状态为4。患者的肿瘤被认为对所有标准的护理治疗都是难治的，以及患者不适合进行任何局部临床试验。鉴于患者因肿瘤进展而极度痛苦，患者被考虑进行靶向渗透溶解(TOL)治疗作为紧急使用，因为患者先前进行的活检显示钠通道表达增加。

患者开始服用地高辛，剂量如下：第1天0.25mg；第2天0.5mg，第3天0.25mg；第4天0.25mg；第5天0.25mg。在刺激之前，患者经历了CBC、CMP、尿酸、地高辛水平和EKG节律条(EKG rhythm strip)的安全性测试。患者还接受了静脉注射和别嘌呤醇。

然后患者被放置在同轴环形装置中，该装置提供脉冲电场(18V/m的场振幅，10ms的正/负斜坡和15ms刺激间间隔)。为了避免脉冲电场之间任何可能的不利相互作用，开始以2(最低场强)、4、6、8、10、12、14、16和18V/m(治疗场强)施用15-30秒的测试刺激周期。患者报告说没有感觉到不适。然后，以18V/m提供治疗，共两小时，每隔15分钟休息一次，检查血压和心率。

获取治疗后实验室测试样本和治疗后EKG条。治疗后观察期内未发现任何问题。患者又被给予1升生理盐水，以期待肿瘤溶解。患者似乎对这一过程耐受得很好。

患者配偶在家监测患者血压、排尿量和体温。据报告说，患者在晚上经历了轻度的体温升高到101度，对乙酰氨基酚治疗有反应。患者在夜间经历了高度疼痛，这需要额外剂量的患者突破性镇痛方案。疼痛的特征和分布与TOL治疗前报告的相同。

第二天，患者返回参加为期两天方案的第二阶段。获取治疗前实验室样本和EKG节律条。患者再次在18V/m的同轴环形装置中治疗两小时，休息时间检查血压和心率。

除了血红蛋白降至6.4克之外，患者的实验室都很稳定。这被认为是血液稀释。患者没有输血。

患者的配偶报告说，患者经历了101.9度的发烧，第二天晚上口服对乙酰氨基酚后降低到100.7度。患者继续产生尿液，两次测量其排出量为50cc，然后是30cc。第二轮刺激后，患者的疼痛没有加剧，且注意到，患者比平时更多地站起来在房子里“短暂地(in shortspurts)”行走。

在治疗后的第二天，患者进行了实验室实验，显示患者的血红蛋白已经回到患者的基线7.1克。所有其他实验室实验继续在基线。

在治疗后的第三天，患者已回到家中进行居家临终关怀。据报告说，患者更容易走动且不发热。疼痛持续，以及患者的麻醉剂的剂量增加了。患者的互动性更强，且可以进行合理长度的谈话。最显著的变化是患者的食欲明显改善。肿瘤密度的客观测量显示，治疗后3天肿瘤密度由70HU下降到56HU，且治疗后20天进一步下降到47HU。

患者经历了2次轻度出血性肛门分泌物发作，但患者报告没有头晕。患者的血压稳定89-102/60-63，以及患者的护士报告患者的肤色较好。

附图标记列表

1 环形结构

2 静电环单元

3 电缆

4 驱动和感测电路

5 微处理器。

Claims (24)

1.一种用于生成脉冲电场的装置，包括：

多个环形结构，所述环形结构由导电材料制成，其中，所述环形结构被充电到不同的电压电平。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形结构同轴地布置并在空间上分离。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导电材料选自包括以下项的组：金属、电解质、超导体、半导体、等离子体、石墨和导电聚合物。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形结构是圆形形状的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形结构是非圆形形状的。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述环形结构具有相同的直径。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述环形结构具有不同的直径。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述环形结构的直径足够大，以将人或动物对象放置在所述环形结构内。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，人或动物对象沿着所述装置的中心轴线放置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述环形结构以在几英寸到几英尺的范围内的距离分离。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲电场是通过施加到所述环形结构的不同电压电平创建的。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，施加到每个环形结构的电压电平被配置成优化所述脉冲电场的均匀性。

13.一种用于生成脉冲电场的系统，所述系统包括根据权利要求1-12所述的装置，所述系统还包括：

驱动和感测电路，

多个电缆，其将所述装置连接到所述驱动和感测电路，以及

微处理器，所述微处理器提供用于操作所述装置和所述驱动和感测电路的用户界面。

14.一种用于通过靶向渗透溶解的治疗性处理的方法，所述方法包括向有需要的人或动物对象施用通过根据权利要求1-12所述的装置生成的脉冲电场的治疗上有效的剂量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述脉冲电场的治疗上有效的剂量为连续两天以18V/m场振幅进行2小时。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括按月向患有肿瘤的人或动物对象施用所述脉冲电场的治疗上有效的剂量，直到在临床上检测不到肿瘤为止。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括终生按月向患有肿瘤的人或动物对象施用所述脉冲电场的治疗上有效的剂量。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括向所述人或动物对象施用用于阻断Na⁺,K⁺-ATP酶的药理剂的治疗上有效的剂量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，用于阻断Na⁺,K⁺-ATP酶的药理剂是地高辛。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在施用所述脉冲电场之前，在所述人或动物对象体内获得稳态水平的地高辛。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，地高辛在小鼠体内的稳态水平是以每小时3mg/kg的剂量来实现的。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，在每2天施用脉冲电场之间存在无地高辛时期。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，在每2天施用脉冲电场之间的所述无地高辛时期为至少5天。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，在每2天施用脉冲电场之间的所述无地高辛时期约为2至4周。

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