作者：复旦大学附属中山医院徐汇医院影像介入科 许永华
聚焦超声消融术已经被广泛应用于治疗各种良性和恶性实体肿瘤，其作用机制主要包括热效应、机械效应和空化效应。其中，热效应是其主要的作用方式，通过热消融使肿瘤细胞发生凝固性坏死，从而达到治疗目的。但肿瘤血供可能影响聚焦超声波在目标组织的热沉积，导致不完全坏死和周围正常组织烫伤风险。为了避免这些潜在的风险和副作用，研究人员开始探索利用聚焦超声的非热效应来治疗肿瘤。这种方法主要依赖于聚焦超声的机械效应和空化效应，而不是单纯的热效应。通过这些非热效应，可以在不依赖升高温度的情况下，有效杀死肿瘤细胞，同时减少对周围正常组织的损伤，提高治疗的安全性和有效性。因此，探索聚焦超声的非热效应治疗肿瘤，已经成为新的热点方向。
组织碎毁术（Histotripsy）是采用发射低占空比、短持续时间的脉冲聚焦超声在目标软组织中诱导出“气泡云”，避免热效应产生，而通过空气泡快速膨胀和坍塌释放的爆破力，使组织粉碎至亚细胞水平，从而完成组织毁损治疗。组织碎毁术以其微、无创的特点，治疗医生通过体外脉冲聚焦超声深入靶病灶内部，摧毁病变组织，从而重新定义了手术操作模式，目的是避免或减少手术引起的创伤，缩短身体恢复时间。
“Histotripsy”这一术语由密歇根大学于2004年首创。在希腊语中，“Histo”意指“软组织”，而“tripsy”则指“破碎、崩溃”。聚焦超声热消融术是利用高强度和高占空比（即超声开启时间与总治疗时间之比大于或等于10%）的连续或长时间超声脉冲对组织进行加热。而组织碎毁术则采用低占空比（1%）的短超声脉冲（脉冲长度为微秒级）以大限度地减少加热，同时产生高振幅峰值压力，从而在组织内的内源性气体中引发声空化现象。声空化是指由超声波激活的微气泡经历产生、振荡及终坍塌的过程。极高的超声波压力会导致空化泡惯性膨胀和坍塌，产生局部高强度的应变，进而使细胞破裂成脱细胞碎片。靶组织内的完全细胞破坏并非由单一脉冲造成，而是需要多个脉冲产生的循环应变累积而成。组织碎毁术已经在临床前研究中进行了广泛的应用研究。动物实验结果显示其能够有效地治疗肿瘤，并通过精确控制的能量输出摧毁动物的软组织。
临床前研究显示：（A)组织碎毁术产生的空泡在超声监控下呈高回声区（白箭）；(B)“M”形组织碎毁病变在复查超声图像上显示为低回声区；(C)在增强MR图像上，组织碎毁消融区被视为低信号（无灌注非增强）区域。(Zhen Xu,et al. (2021) International Journal of Hyperthermia, 38:1, 561-575.)
近Radiology杂志发表了由欧美14个医学中心进行一项名HOPE4LIVER的前瞻性、多中心、单臂临床试验，历时一年半余共44名原发性和转移性肝癌患者49个病灶入组并接受组织碎毁术治疗，技术成功率达到95%，治疗前肿瘤直径为1.5cm ± 0.6，术后治疗区直径为3.6cm±1.4（图2），并发症发生率为7%。
图2：受试者左肝III段的2.3cm肝细胞癌：(A) 术前的增强MRI扫描（晚期动脉期）显示了强化的肿瘤病灶（箭头）。(B) 术中超声显示了明确的治疗体积；橙色圆圈标出了回声增强的目标肿瘤，红色圆圈标出了计划的治疗边界。红色十字线处可见超声波聚焦点的回声气泡云，提示治疗效应所在。(C) 术后36小时内获得的增强MRI扫描（晚期动脉期）显示无强化的治疗区域（黑色箭头），请注意仍保持通畅的血管（虚线白色箭头）。(D) 术后30天的增强MRI扫描（晚期动脉期）显示治疗区部分缩小（箭头）(Mendiratta-Lala M，et al: Radiology. 2024 Sep;312(3):e233051.)
西班牙学者Vidal-Jove团队完成由美国Histosonics公司资助的THERESA临床试验,报道临床应用组织碎毁术治疗8名病人共11个肿瘤（大小介于0.5至2.1厘米之间）。在这8名患者中，有两名患者（25%，2/8）的肿瘤标志物在术后持续下降，其中一名是肝细胞癌，另一名患有结直肠癌（CRC），后者在术后8周复查时未治疗的肿瘤体积缩小，提示碎毁的肿瘤组织可能激发全身抗肿瘤免疫反应（图3）。
图3：结直肠癌肝转移瘤组织碎毁术患者CEA降低，未经治疗的病灶消退，图中未显示已经治疗的病灶。增强MR图像横断位2个层面治疗前（A、D）、治疗后1天（B、E）和治疗后8周（C、F）。红色箭头（B、E）表示与治疗前图像肿瘤相比，病灶外周增强（脱非靶肿瘤周围的反应，可能表明全身抗肿瘤反应）（G） 该患者试验过程中的CEA走势。(Vidal-Jove，et al: International Journal of Hyperthermia, 2022, 39(1), 1115–1123)
组织碎毁术其本质基于高强度聚焦超声的技术，但它不是通过一定时间连续超声辐照使能量积累、沉积加热靶焦域，而是应用一系列短暂且高强度的脉冲聚焦超声，以机械方式将目标组织碎裂成亚细胞结构。后者的作用机制是超声波脉冲辐照的焦域位置产生气泡，从而激活一种被称为空化效应的现象。空化效应是指在含液体的软组织中形成微小气泡，并在超声波的作用下迅速生长和崩溃的过程。这种气泡的形成和破裂会产生强大的机械力，能够有效地破碎和液化目标组织。通过精确控制超声波脉冲的频率、强度和持续时间，医生可以精确地定位和处理病变组织，而不影响周围的健康组织，从而实现对特定区域的治疗。
实现组织碎毁术治疗的前提是在超声实时成像可以监测到目标组织内空气泡。由于气泡是强散射体，在超声图像上呈高回声，聚焦超声可从体外通过皮肤进行辐照。组织碎毁术又分：空化云型组织碎毁术(Cavitation cloud histotripsy，CH)和沸腾型组织碎毁术（Boiling histotripsy，BH）和混合组织碎毁术；而在组织内产生空气泡的方法可分为内源性和外源性。
内源性组织内产生空气泡的方法是通过调节超声脉冲的强度、重复周期、频率和占空比，可诱导产生不同类型的空化泡，而利用低重复率的超声波脉冲序列来控制空气泡的活动。空化组织碎毁术是利用微秒级脉冲产生密集气泡云，通过气泡的反复膨胀和塌陷实现组织匀浆化。沸腾组织碎毁术则通过毫秒级脉冲快速加热组织至沸腾温度，从而在焦域处产生蒸汽泡，脉冲超声使汽泡崩离导致组织机械分离。混合组织碎毁术是使用亚毫秒脉冲（空化和沸腾型之间）产生上述两者机制皆有的组织碎毁效果。实际上在聚焦热消融肿瘤过程中，随着局部温度增加到100℃引发局部沸腾气泡，这些气泡爆炸性生长、冷却并形成毫米级蒸汽泡。脉冲超声波与组织-蒸汽界面相互作用形成由微米级组织碎片组成的声雾化，且蒸汽泡界面的超声波反射在组织中引发焦域前空化效应，因此聚焦超声热消融过程中有时也混杂着沸腾组织碎毁（图4）。
图4：聚焦超声消融治疗时监测的超声影像可见治疗时子宫肌瘤内可见高回声出现. （Yonghua Xu et al: Surgical Techniques of Focused Ultrasound Ablation in Benign Uterine Diseases. Springer Nature Publisher, Germany，2023)
外源性组织内产生空气泡的方法是指不源自于聚焦超声辐照所致，而是通过外来注入于目标组织内。实际上许多研究报道声诺维增强聚焦超声消融疗效的临床研究，就是采用声诺维超声微泡造影剂静脉注射，使微泡到达肿瘤血管内后进行聚焦超声辐照产生局部空化效应。但这些微泡容易被血流冲洗而只能一过性暂存于目标组织内，实现空化效应后组织碎毁的作用有限。还有一种临床创新的方法是在影像引导下用细针直接穿刺至肿瘤（间质）内，在实时超声监察下注入已微泡乳化的聚桂醇注射液，使其弥漫至肿瘤边缘覆盖整个肿瘤体积。聚桂醇微泡在肿瘤间质内的滞留特性使其在超声成像过程中能够轻松追踪到目标肿瘤的位置，这对于那些在超声成像中难以定位的较小病灶尤其有帮助。此外，聚桂醇不仅具有硬化剂的功能，还具备局部麻醉剂的特性。作为硬化剂，它能够有效阻止穿刺后微小血管可能的出血；而作为局部麻醉剂，它能够减轻患者的疼痛感，因此不需要进行全身麻醉，在镇静镇痛下完成整个治疗。这种通过外源性组织内空气泡进行的聚焦超声组织碎毁术是属于空化云型 (见图5)
图5：肿瘤病灶内用22G细针注入聚桂醇乳化微泡，靶病灶内呈空化气泡云表现（a），然后进行脉冲聚焦超声辐照（b），治疗后超声造影复查显示整个肿瘤呈无强化非灌注表现。
在肿瘤组织内气泡的迅速膨胀与收缩会对周围细胞施加极大的应力和应变，导致细胞破裂并形成脱细胞碎片；而其周围机械强度较高的胶原基组织（如较大血管、胆管、输尿管、尿道以及有膜性的结构等）展现出更高的抗拉强度极限。在这些较为坚硬的胶原基组织中，微泡的膨胀似乎被限制在较小的大直径范围内，从而产生较低的应变。在肝脏肿瘤治疗时，肿瘤细胞可以被完全破坏，而消融区内的较大血管、胆管等结缔组织保持完整（图6D B、D、H）；同样破坏尿道所需的组织碎毁脉冲超声压力远高于前列腺实质或非间质前列腺肿瘤。因此，一些组织对超声碎毁术引起的损伤有着其本身的特定抵抗阈值。
图6：男 47岁，一年前因直肠中分化腺癌伴肝左叶转移瘤行直肠癌根治术和肝左叶切除术，术后化疗6个疗程后磁共振复查发现肝右叶VIII段二个转移瘤（T2WI：A，E和CE-T1WI：C，G）; 聚焦超声组织碎毁术治疗后二个转移瘤病灶完全无灌注液化，较大病灶内血管存在完好（T2WI：B，F和CE-T1WI：D，H）
与众多现有的微创技术相比，组织碎毁术能够微无创地“切除肿瘤组织”。该技术产生的可控空化效应，通过瞬间微爆破力瓦解肿瘤，将靶组织粉碎液化成亚细胞结构的匀浆，随后被身体逐渐吸收。组织碎毁术通过影像监测精确控制声空化，以机械方式将目标组织破坏成无细胞碎片，因此与临床标准热消融方法之间存在显著差异，这些差异导致了其独特的优势和局限性。此外，它通过破坏肿瘤细胞的外壁，暴露肿瘤抗原，激发免疫系统对癌症细胞的免疫反应，从而有针对性地攻击其他癌细胞。临床前研究揭示，该技术在肿瘤清除过程中，能够使动物的免疫系统学会辨识癌细胞为威胁，从而有助于肿瘤的协同治疗，激发免疫系统产生更广泛的免疫反应以对抗癌症，诱导远隔效应。其免疫机制主要涵盖抑制肿瘤促进细胞、产生与损伤相关的分子模式（Damage-associated molecular patterns，DAMP）、直接提升局部细胞免疫反应、调节肿瘤微环境、增强全身抗肿瘤免疫反应以及与检查点抑制剂治疗的协同效应等组织碎毁术的局限性：在实际应用中，由于其作用机制的特性使得该技术对治疗声通道及靶组织有一定的要求。在治疗声通道方面，为了确保焦点处的声压足以产生声空化效应，声通道内不能存在骨性或含气组织（例如肋骨、肠道等）。同时，考虑到组织声衰减的影响，组织深度（焦点至皮肤的距离）不宜过大。因此，对于胰腺、前列腺等深部器官的病变或过度肥胖的患者，存在治疗强度不足的风险。至于靶组织，肺和肠道等含气器官的空化阈值较低，可能导致对周围正常组织的间接损伤。此外，与聚焦超声热消融相比，组织碎毁术可能增加治疗区域内血管血栓形成的风险，这可能与空化效应引起的血小板活化和聚集有关。尽管理论上组织碎毁术可能因产生的机械力导致癌细胞从靶肿瘤中释放并增加转移风险，但现有研究表明，经过组织碎毁术治疗后转移风险并未增加。这可能与该技术的抗肿瘤免疫效应有关，但其具体机制尚需进一步研究。
除了已经初步验证的肝脏和肾脏肿瘤治疗之外，组织碎毁术亦有望在其他类型的肿瘤治疗中发挥关键作用。例如，在乳腺癌、前列腺癌等实体瘤的治疗中，组织碎毁术可作为一种有效的局部治疗方式，与手术、放疗、化疗等传统治疗方法相结合，形成综合治疗方案。此外，随着对肿瘤微环境和免疫机制研究的深入，组织碎毁术亦可与免疫治疗相结合，通过激活机体的免疫系统来进一步提升治疗效果。作为一种新兴的肿瘤治疗方法，组织碎毁术具有广阔的应用前景和发展潜力。
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