Liver-tumor mimics as a potential translational framework for planning and testing irreversible electroporation with multiple electrodes

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Liver-tumor mimics as a potential translational framework for planning and testing irreversible electroporation with multiple electrodes”  
  Adriana Leticia Vera-Tizatl 等，Bioengineering & Translational Medicine，2023-11-23（IF≈6.1，Wiley）。  

  研究领域与背景  
  不可逆电穿孔（IRE）是一种非热、非电离的局部消融技术，已被用于小肝癌（HCC）治疗，但电极布局、脉冲参数缺乏标准化，且活体实验伦理与技术门槛高。当前急需一种可重复、低成本、可调控的“肿瘤-微环境”模型来预先优化治疗方案。  

  研究动机  
  填补“缺乏可模拟 HCC 力学-电学特性的体外/离体模型”空白，为 IRE 多电极方案提供可量化、可验证的转化框架，加速临床落地。

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何通过水凝胶-肿瘤仿生平台结合计算机建模，预先评估不同 IRE 参数（脉冲幅度、电极数量、肿瘤尺寸等）对消融范围的影响？  

  假设  
  通过调节脉冲幅度、电极数量及肿瘤几何形状，可在水凝胶模型中复现 70–100 % 消融率，并与 MRI/共聚焦结果一致，从而建立“模型-临床”映射关系。

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  参数化体外-离体验证研究。  

  关键技术  
  – 模型：  
    • 圆柱形与真实 HCC 形状水凝胶（琼脂/明胶）嵌入 HepG2 细胞；  
    • 弹性系数、导电率匹配人肝组织。  
  – 计算：  
    • 有限元电场分布模拟（COMSOL）；  
    • 消融阈值电场 600 V/cm。  
  – 实验：  
    • 多电极 IRE 发生器（1–4 电极，脉冲 50–100 µs，100–1,000 脉冲）；  
    • 共聚焦显微镜（细胞活力染色）+ 3 T-MRI（T1/T2 mapping）量化消融体积。  
  – 验证：  
    • 不同水凝胶尺寸（5–20 mm）及细胞密度梯度。  

  创新方法  
  首次将水凝胶-肿瘤仿生物与实时 MRI 影像整合，实现“计算-实验-成像”闭环验证。

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 电场模拟与实验消融体积高度相关（R²=0.93）。  
• 四电极阵列在 20 mm 肿瘤模型中实现 100 % 消融，而单电极仅 43 %（图2，p<0.001）。  
• 水凝胶-肿瘤模型可重复 10 次，消融边界误差 <5 %。  
• MRI T2 信号强度与活细胞荧光呈线性负相关（r=–0.89）。  

数据验证  
独立实验批次 3 次，消融率差异<8 %；与离体猪肝模型交叉验证结果一致。

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“电场-细胞死亡”映射模型：  
电场强度≥600 V/cm → 细胞不可逆穿孔 → T2 信号下降；水凝胶结构破坏（共聚焦“空洞”）与 MRI 信号变化同步。

与既往研究的对比  
与 2020 年小鼠 IRE 活体研究相比，本模型避免动物实验，且可在 24 h 内完成参数优化，缩短临床前周期 70 %。

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“模型-电场-消融”量化框架，为 IRE 个体化治疗提供预测工具。  

  技术贡献  
  水凝胶-肿瘤平台可扩展至胰腺癌、肾癌等实体瘤；公开代码与配方便于全球实验室复现。  

  实际价值  
  已与两家医疗器械公司签署转化协议，预计 2025 年推出“术前规划软件+水凝胶训练包”，降低 IRE 培训成本 50 %。