RU2738572C1

RU2738572C1 - Electroporation device

Info

Publication number: RU2738572C1
Application number: RU2020112509A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Панченков; Дмитрий Анатольевич Астахов; Федор Георгиевич Забозлаев; Юрий Викторович Иванов; Сергей Сергеевич Дыдыкин; Игорь Борисович Белецкий; Альберт Петрович Притыко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Элсим" (ООО "Элсим")
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-12-14

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, namely to an electroporation device for treating oncological diseases in humans and animals. Proposed device comprises control unit, generator of bipolar electric pulses, commutator and needle electrodes. Needle electrodes are connected to outputs of commutator. Device uses two structurally different groups of electrodes. One of the groups is made in the form of needles with an electrically conductive segment at the distal end of the electrode. Other group of electrodes is made in the form of needles with distal and proximal segments separated by an insulator and carrying electric current. At that, the electrodes are arranged relative to each other so that imaginary axes between segments of the first group, a distal segment of one of the electrodes and a proximal segment of the second electrode of the second group, and the proximal segment of one of the electrodes and the distal segment of the second electrode of the second group are orthogonal and intersect at one point in the centre of the ablation region.

EFFECT: excluding the possibility of malignant cells carrying out beyond the operational field when removing the working needle electrode, and possibility of creating effective electric fields used in clinical practice.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а более конкретно, к хирургии для нетепловой абляции биологических тканей при лечении, преимущественно, онкологических заболеваний людей и животных.The invention relates to medicine, and more specifically to surgery for non-thermal ablation of biological tissues in the treatment, mainly, of oncological diseases in humans and animals.

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.Ablation is the targeted destruction of tissue (tumor, ectopic pacemaker) without physical removal. Today, thermal ablation (for example, laser) is used, in which a selected area is heated; cells in this area die with the formation of necrotic tissue. Necrotic tissue is foreign to the body, and, in particular, inflammatory processes are observed.

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.Electroporation is perhaps the only method that allows non-thermal ablation - cells die when an electric field of a certain strength is applied due to the penetration of ions through the outer membrane into them, disrupting exchange processes between the cell and the environment. In this case, the cells are destroyed, disintegrating into separate fragments, which are usually absorbed by other cells, without an inflammatory reaction.

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.The method of electroporation has been known since the 80s of the last century, while in medical practice two directions are used - electrochemotherapy and ablation. When an electric field with a strength of up to 400 V / cm is applied to a biological tissue / Workbook of the electroporation-based Technologies and Treatments. Edited by Peter Kramar and Damijan Miklavcic. P. 57. Nov. 2018, Ljubljana, Slovenia / in the form of short-term impulses, pores appear in the outer membrane through which various substances can pass, which are practically not absorbed by tissue cells under normal conditions. This phenomenon is used in electrochemotherapy.

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.With an increase in the strength of the electric field, cells are destroyed, disintegrating into separate fragments, absorbed by other cells without inflammatory reactions. This phenomenon is known in medical practice as non-thermal ablation.

При дальнейшем повышении напряженности электрического поля, более 900 В/см, ткань нагревается, возникает некроз ткани с сопутствующими последствиями, например, воспалительными реакциями.With a further increase in the electric field strength, more than 900 V / cm, the tissue heats up, tissue necrosis occurs with concomitant consequences, for example, inflammatory reactions.

При этом в электрохимиотерапии используются, в основном, однополярные импульсы электрического тока, а при абляции как одно, так и биполярные.At the same time, in electrochemotherapy, mainly unipolar pulses of electric current are used, and during ablation, both one and bipolar.

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.The cells of the body are heterogeneous, they are located chaotically, therefore, the effectiveness of the action on the cells of the electric field increases if the electric field acts not in one, but in several directions. In work / 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 / compares the effectiveness of electroporation when acting on biological tissue in different directions. An increase in the efficiency of electroporation when exposed to biological tissue in various directions has been experimentally shown, which is explained by an increase in the porous area of cells. During ablation, an important parameter is the number of surviving cells - the more cells survived, and, accordingly, the fewer died, the greater the likelihood of recurrence after the ablation procedure.

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.A universal arrangement of electrodes that could correspond to 100% cell death is currently unknown. In practice, various electrode arrangements and different number of electrodes are used. Determination of the electrode arrangement, in which the largest number of cells die with the minimum number of electrodes, remains one of the main tasks of planning treatment using ablation.

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.The task of determining the layout of the electrodes is related to the boundaries caused by human or animal anatomy. In practice, needle-type electrodes can be inserted into the body perpendicular to the frontal plane from the abdominal side. The number of electrodes is minimized so as not to damage arterial and venous vessels or ducts.

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.A device for electroporation (Systems fortreating tissuesites using electroporation. Pub. No .: US 20080132884 A1) is known, in which electric current pulses are used to influence biological tissue in order to destroy it.

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.The device includes a control unit, an electric current pulse generator and 6 electrodes in the form of needles, each of which consists of one conductive segment with a maximum length of 40 mm, and one non-conductive segment. The generator produces unipolar pulses of electric current, the electric field strength can reach 900 V / cm or more (depending on the selected organ) with a pulse duration of 70-100 μs and a pulse repetition period of 1 second.

Недостатком данного устройства является увеличение температуры при процедуре электропорации, вызываемое большим током, до 50 Ампер, из-за значительной длины сегмента, проводящего электрический ток.The disadvantage of this device is the increase in temperature during the electroporation procedure, caused by a large current, up to 50 Amperes, due to the considerable length of the segment conducting the electric current.

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.The closest to the claimed device for electroporation and adopted as a prototype is a device in accordance with the patent (Device and method for destruction of cancer cells. US 7722606 B2), which includes a control unit, an electric pulse generator, a working needle electrode connected to the generator output and located in the operating field, and several needle electrodes connected to the generator outputs, located around the working needle electrode.

В состав электрода входит центральная игла, вводящаяся в область порации, и несколько игл, расположенных вокруг, позволяющих порировать клетки в разных направлениях.The electrode consists of a central needle, which is inserted into the area of pore, and several needles located around, allowing to pore cells in different directions.

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.This device has the following disadvantages. The working electrode is in the operating field. If it is removed after the end of the electroporation procedure, the removal of malignant cells outside the operating field is possible, which leads to relapses. Different pairs of electrodes are not orthogonal, which in the general case does not allow creating an effective electric field uniformly affecting the cell surface of the porous area.

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.The aim of the present invention is to exclude the possibility of removal of malignant cells outside the operating field when the working needle electrode is pulled out, and to provide the possibility of creating effective electric fields used in clinical practice.

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.The task is achieved by the fact that a device for electroporation in the treatment of mainly oncological diseases in humans and animals, containing a control unit, a generator of bipolar electrical impulses, a switch, needle electrodes connected to the outputs of the switch, differs in that two structurally different groups of electrodes are used together, one of which it is made in the form of needles with an electric current-conducting segment at the distal end of the electrode, and the other group of electrodes is made in the form of needles with distal and proximal segments separated by an insulator that conduct electric current, while the electrodes are placed relative to each other in such a way that imaginary the axes between the segments of the first group, the distal segment of one of the electrodes and the proximal segment of the second electrode of the second group, and the proximal segment of one of the electrodes and the distal segment of the second electrode of the second group were orthogonal and intersect I am at one point in the center of the ablation area, and all electrodes are outside the ablation area.

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.Such a scheme of the device makes it possible to exclude the possibility of removal of malignant cells outside the surgical field when the electrode is removed, and to provide the possibility of creating orthogonal electric fields for more efficient ablation of biological tissues. The orthogonality of the fields allows you to create vectors of the electric field strength evenly, thereby porosing the cells in all directions.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1-3.The essence of the proposed invention is illustrated in FIG. 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.FIG. 1 shows a functional diagram of the device. The electroporator contains a control unit 1, a generator 2 of bipolar electrical pulses, a switch 3, electrodes 4-7 in the form of needles, while electrodes 4 and 5 are made identically, electrode 4 consists of one segment 8 of non-conductive electric current and one segment 9 of conductive electric current, electrode 5 consists of one non-conductive segment 10 and one segment 11 conductive, electrodes 6 and 7 are made identically, electrode 6 consists of segment 12 and segment 13, non-conductive, and segment 14 and segment 15, conductive, electrode 7 consists of segment 16 and segment 17, non-conductive, and segment 18 and segment 19, conductive, with the imaginary axes between segments 9-11, 14-19, 15-18, conductive, orthogonal and intersect at one point - the center of the ablation region 20, switch 3 connects the output of the generator 1 of bipolar electrical pulses to segments 9-1 1, 14-19, 15-18 at different times.

Все электроды имеют риски для определения длины погружения электрода в тело. Параллельность и расположение электродов обеспечивается приспособлением, позволяющим жестко фиксировать электроды.All electrodes have marks to determine the immersion length of the electrode in the body. The parallelism and arrangement of the electrodes is provided by a device that allows the electrodes to be rigidly fixed.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The device operates as follows.

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.From the control unit 1, the signals are fed to the bipolar electric pulse generator 2. From the generator 2 of bipolar electrical pulses a signal is sent to the switch 3. Switch 3 sequentially connects the signal from the generator 2 of bipolar electrical pulses to segments 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.An example of a sequence of electrical pulses from the device is shown in FIG. 2. In this case, bipolar impulses are used, which makes it possible to influence the cells with a field of the opposite direction with each pair of involved segments.

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.All manipulations with animals were carried out in accordance with the sanitary rules for the design, equipment and maintenance of experimental biological clinics (vivariums) No. 1045-73 dated 04/06/1973, the Convention for the Protection of Animals Used in Experiments and Other Scientific Purposes (Strasbourg, France , 1986), and Council Directive 86/609 / EEC of 24.11.86 on the harmonization of laws, rules and administrative orders of the participating countries in relation to the protection of animals used for experimental and other scientific purposes.

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.A total of 48 experiments were carried out. The studies were carried out on 48 white outbred rats, approximately the same age (2-3 months), weighing 240-330 grams, male. All animals were kept in the same conditions of a standard vivarium at a constant ambient temperature of 23-26 ° C, received the same food, and were operated on in the same time frame. 20 minutes before the electroporation procedure, anesthesia was performed according to the standard technique using xylazine 2% and zoletil (tiletomin). The animal was monitored for anesthesia by observing the disappearance of a number of reflexes.

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.During anesthesia, the breathing pattern (rhythm, frequency, depth) and the tone of the animal were monitored. In the state of anesthesia, the animal was fixed to the operating table and placed in the supine position on a sterile surgical support. The anterior abdominal wall was dissected with a linear midline incision. The liver was mobilized into the wound with a sterile napkin placed between the posterior diaphragmatic surface of the liver and the abdominal wall.

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.4 electrodes made in the form of needles were inserted into the open segment of the liver, arranged so that the imaginary axes of each pair of electrodes intersect at one point, the center of the ablation area, with all the electrodes outside the ablation area. All needles were 0.7 mm in diameter.

Параметры сигнала контролировались постоянно в течение эксперимента стандартным осциллографом PSCU1000. Для понижения напряжения использовался резистивный делитель 100:1.The signal parameters were monitored continuously during the experiment with a standard PSCU1000 oscilloscope. A 100: 1 resistive divider was used to lower the voltage.

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.During the tests of the claimed electroporator, carried out in the vivarium in the period from 20.06.2019 to 30.08.2019 on laboratory animals - rats (registration number of the study protocol No. 1711 of the Moscow State Medical and Dental University), the following was revealed: histological analysis fully confirmed that the declared device for electroporation made it possible to reduce the survival rate of malignant cells and their removal outside the surgical field. Also, histological analysis showed uniform cell death in the ablation area, which indicates the implementation of ablation in all directions. Thus, the device helps to reduce the number of complications, relapses and hospitalization time of patients in comparison with the known electroporation systems.

Claims

A device for electroporation in the treatment of oncological diseases in humans and animals, containing a control unit, a generator of bipolar electrical impulses, a switch, needle electrodes connected to the outputs of the switch, characterized in that two structurally different groups of electrodes are used, one of which is made in the form of needles with a conductive electric current by a segment at the distal end of the electrode, another group of electrodes is made in the form of needles with distal and proximal segments separated by an insulator that conduct electric current, and the electrodes are placed relative to each other so that the imaginary axes between the segments of the first group, the distal segment of one of the electrodes and the proximal segment of the second electrode of the second group, and the proximal segment of one of the electrodes and the distal segment of the second electrode of the second group were orthogonal and intersected at one point in the center of the ablation region.