MHz级脉冲包压缩技术实现电穿孔远程精准聚焦的突破性研究

本研究针对脉冲电场(PEF)效应在电极附近过强而远程靶点过弱的关键难题，创新性提出MHz压缩纳米秒脉冲包(NG-CANCAN)技术。通过优化脉冲包重复频率(0.2-0.833 MHz)、脉宽(300-900 ns)等参数，在15.3 mm电极阵列中实现中心区域电穿孔强度达电极附近的40倍，聚焦精度达1.1 mm(FWHM)，为深部肿瘤消融和神经调控提供了革命性解决方案。

　　

在生物医学领域，脉冲电场(Pulsed Electric Field, PEF)技术因其非热效应和精准可控的特性，已成为肿瘤消融、神经调控和基因递送的重要工具。然而传统PEF存在一个根本性矛盾：由于电场强度随距离衰减的物理规律，电极附近的非目标组织往往承受过强刺激，而深部靶区却难以达到有效阈值。这种"近强远弱"效应严重限制了PEF在深部肿瘤消融（如胰腺癌、胶质瘤）和精细神经调控（如帕金森病的丘脑底核刺激）中的应用。

针对这一挑战，Old Dominion University的研究团队在《Bioelectrochemistry》发表创新性研究，提出MHz压缩脉冲包技术。该团队此前开发的"抵消再抵消"(CANCAN)范式已证明通过双极脉冲(bipolar pulses)可在电极附近产生抵消效应，同时在靶区保持单极脉冲(unipolar pulse)的高效率。最新研究通过将600-ns脉冲以0.2-0.833 MHz高频打包，在15.3 mm电极阵列中实现了中心区域电穿孔强度达电极附近的40倍，聚焦精度提升至1.1 mm（仅占阵列面积的2.3%），标志着远程精准调控技术的重大突破。

关键技术方法包括：1) 采用四针电极方形阵列(对角线15.3 mm)产生干涉电场；2) 优化脉冲包参数(300/600/900 ns单脉冲，0.2-0.833 MHz重复频率)；3) 使用CT26结肠癌细胞和CHO-K1卵巢细胞模型；4) YO-PRO-1(YP)染料摄取定量电穿孔效率；5) 洛伦兹分布模型分析空间聚焦特性。

【Higher packet repetition rates enhance CANCAN remote targeting】
研究发现600-ns脉冲在0.833 MHz时产生最强的双极抵消效应(YP摄取降低95-97%)。将9个600-ns脉冲打包后，0.2 MHz重复率使中心/边缘电穿孔比达40:1，聚焦区域半高宽(FWHM)缩小至1.1 mm，相当于电极阵列对角线的7.3%。

【Discussion】
MHz级压缩通过增强双相抵消(bipolar cancellation)实现两个突破：一是边缘区域电穿孔几乎完全抑制（尽管该处电场强4倍），二是中心焦点尺寸缩小83%。这种"远程强、近端弱"的反物理规律效应，为深部肿瘤消融避免沿途组织损伤提供了可能。

【Conclusion】
该研究确立了MHz-CANCAN技术在电穿孔空间调控中的三大优势：1) 40:1的靶向选择性；2) 亚毫米级聚焦精度；3) 跨细胞类型的普适性(CT26与CHO-K1结果一致)。专利技术(#11351368/#11020590)为胰腺癌等深部肿瘤的非热消融开辟了新途径，同时为帕金森病、癫痫的精准神经调控提供了全新工具。

这项由美国国家眼科研究所(R21EY034258)资助的研究，通过巧妙的物理场调控解决了生物医学应用中的关键瓶颈，展示了生物电工程与临床需求的深度融合。Giedre Silkuniene等作者特别指出，未来研究将探索该技术在活体深部组织中的传输效率和临床应用方案。