国际磁外科进展—基于第四届国际磁外科大会会议报告分析

李艳，王善佩,c，严小鹏,c，王浩华，马锋，吕毅,c

西安交通大学第一附属医院 a. 陕西省再生医学与外科工程研究中心；b. 精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心；c. 肝胆外科，陕西 西安 710061

引言

磁外科是临床外科学和稀土磁性功能材料、超导磁体等前沿技术的融合，是一门交叉学科[1]，更是以临床问题为导向的创新思维探索。2018年，在第620次香山科学会议，吕毅教授提出了磁外科学体系的构建[2]。同年，由西安交通大学发起的首届国际磁外科大会顺利召开，与会专家深度磋商并形成“国际磁外科发展-西安共识”[3]。

自2018年，西安交通大学扛起国际磁外科发展的旗帜，至今已成功举办四届国际会议，为国际上从事磁外科研究的专家搭建了学术交流平台。会议的主题从“多能的磁铁，智慧的手术”到“磁外科引领未来”，凸显了近几年磁外科的迅猛发展。2021年6月4日至5日，第四届国际磁外科大会以线上线下相结合的方式成功举办，特邀来自中国、美国、英国、韩国、意大利等16个国家和地区的专家，围绕精准外科创新技术、磁外科前沿、磁场生物学效应以及磁性材料等专题展开讨论。

基于第四届国际磁外科大会议题的覆盖面、研究深度及原创程度，结合《磁外科学体系的探索与建立》[2]一文中对于磁外科体系的描述，本文从磁场生物学效应、磁材料、磁外科技术临床应用等三个方面对磁外科的最新进展进行总结。

1 稳态磁场生物学效应

稳态磁场是指一定时间和空间内磁场强度和方向不随时间而变化的磁场[4]。对于稳态磁场的生物学效应研究，已形成一定的学术影响力。多项研究表明，稳态磁场在调节血流、改善骨代谢、抑制肿瘤生长、调节血糖水平等方面有一定的作用。

不同参数的稳态磁场可以调节机体的血流，在39篇关于磁场与血流的文献报道中，38.5%认为稳态磁场可以增加血流，28.2%显示稳态磁场对血流无影响，17.9%则显示稳态磁场可以降低血流。造成结果不一致的原因可能是多方面的，包括研究对象的状态、测量磁场处理的时期、处理时间、作用对象、磁场梯度等。总体而言，稳态磁场似乎能够维持循环系统的平衡和“正常化”血管功能，可能成为改善血流过多或不足等相关疾病状态的有效替代[5]。

稳态磁场可以对机体骨代谢产生影响，通过局部或全身稳态磁场处理可以改善骨质疏松（包括绝经和糖尿病引起的骨质疏松，以及缺血性骨质疏松）、促进骨折愈合和骨缺损修复、缓解骨关节炎等效果。从机制上来说，可能与其对骨组织细胞增殖及分化的调节有关[6]。

稳态磁场与纳米颗粒联合可以有效抑制肿瘤转移。研究人员采用30 mT的稳态磁场与磁敏感复合纳米颗粒（由Fe3O4纳米颗粒和阿霉素组成）联合用于Lewis肺癌治疗。结果表明，与常规阿霉素化疗相比，稳态磁场与磁敏感复合纳米颗粒联合表现出更强的抗肿瘤和抗转移效果[7]。

在稳态磁场与疼痛方面的研究，多项动物研究显示了正面作用，其效果与磁场强度、治疗时间和疼痛类型息息相关。但目前机制研究比较有限，在细胞和分子水平上暂时没有直接的证据[5]。此外，近期相关研究证实了稳态磁场可以改善糖尿病的血糖水平。Cell Metabolism上报道电磁铁产生的稳态磁场联合电场，能有效改善2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM）小鼠的胰岛素作用缺陷[8]。有研究发现中等强度稳态磁场作用于T2DM小鼠时，也可以显著降低小鼠的血糖水平并改善其症状[9]。

对于磁场的安全性，有研究将荷瘤小鼠置于9.4 T 88 h，未发现有害影响[10]，但暴露于24.5 T 9 h观察到中度肝损伤[11]，其主要取决于磁通量强度和暴露时间。

2 高性能钕铁硼永磁材料研究

钕铁硼磁铁作为一种重要的功能材料，在多个领域都有着广泛的应用。随着降低材料成本，平衡稀土资源利用率的进一步推动，开发更高耐温特性和磁能积的稀土永磁材料成为国际上磁材料研究的重要方向。近年来，以晶界扩散为代表的重稀土减量化技术、晶界重构技术、纳米晶热压/热变形技术、多主相技术等显著促进了钕铁硼磁体产业的发展。

在高丰度钕铁硼永磁材料方面，已制备出替代量30%（质量分数）左右磁能积超过318.4 kJ/m3的高丰度稀土永磁体，温度稳定性提升；基于细化晶粒和晶界优化研究，制备出矫顽力超过1592 kA/m、磁能积高于334 kJ/m3的无重稀土烧结钕铁硼磁体。纳米晶热压/热变形钕铁硼磁体的结构和性能优势不断凸显，通过晶界扩散技术实现无重稀土钕铁硼磁体矫顽力超过2149.2 kA/m，利用组织结构调控制备出磁能积高于421.88 kJ/m3的高性能磁体[12]。基于多主相技术，设计富钕和富La-Ce两类主相合金,磁粉均匀混合后压型/烧结/热处理，制备得到富La/Ce、高性能、多主相稀土永磁体[13]。

3 磁外科技术的临床应用

根据磁外科技术在临床的开展情况，可将其归纳为临床广泛开展、临床个案报道和临床前探索。

3.1 临床广泛开展

3.1.1 磁力胆肠、胰肠吻合技术

磁吻合技术的应用以胆肠吻合、胆肠/胰肠吻合、胰肠吻合、肠肠吻合等消化道吻合最为广泛[14]。尤其随着内镜技术的发展，磁吻合与内镜的结合，极大拓展了磁吻合的临床应用范围。Jang等[15]、van Hooft等[16]和Graves等[17]均开展了相关研究。本团队于2015年启动了磁力胆肠吻合多中心临床试验研究。在开放手术磁吻合技术应用基础上，研制适用于腹腔镜条件下的胆肠磁吻合器，极大降低了微创下胆肠吻合技术难度，提升手术质量。目前，该型吻合器已获得医疗器械注册证，多项回顾性临床研究发现，与开放、腹腔镜下吻合相比，在时间上有明显的优势[18-20]。

3.1.2 磁括约肌增强术

胃食管反流病（Gastroesophageal Reflux Disease，GERD）全球疾病负担巨大，基于人群的研究结果显示，每周至少发作1次GERD症状的患病率为13%[21]。在接受质子泵抑制剂治疗的患者中，高达54.1%的人有持续的GERD症状[22]。磁括约肌增强术（LINX®反流管理系统，也称磁力环）可用于质子泵抑制剂不能完全缓解或不愿接受胃底折叠术的患者，具有破坏性小、可重复的特性。2007年，LINX®用于临床，2012年获得美国FDA批准。2018年，国内首例磁力环抗反流手术由上海胸科医院李志刚团队完成[23]。目前，全球接受磁力环治疗病例数已超过15000多例。意大利米兰大学Luigi Bonavina通过一项单中心、回顾性、单一效应研究评估了磁力环治疗GERD的长期有效性和安全性，纳入接受治疗的患者335例，通过对6～12 年的随访数据发现，术后患者的胃食管反流症状积分、pH<4占比、24 h食管pH值检测得分等指标均有明显改善[24]。

3.1.3 磁锚定技术

磁锚定技术根据实现部位的不同，分为外锚定和内锚定两大类。外锚定通过体外锚定磁体对胸腔、腹腔、盆腔内的磁性抓钳进行牵拉锚定，实现减戳孔或充分暴露术野的目的，现已被用于胆囊切除术、肾切除术及减肥手术中[2]。目前，国际上应用最广泛的磁锚定系列设备有Levita®、Imanlap®等，临床应用均超过1000例。Levita®由美国Levita Magnetics 公司Alberto Rodriguez-Navarro研发，已通过FDA和CE认证[25]。Imanlap由阿根廷Guillermo Dominguez研发，通过CE认证[26]。笔者团队自主研发磁锚定系统用于腹腔镜胆囊切除[27]、阑尾切除、胸腔镜肺楔形切除[28]、袖状胃切除、食管切除、直肠切除、子宫及附件切除、甲状腺切除和乳腺切除等，成为应用术式最为广泛的中心[29]，通过回顾性临床研究证实磁锚定系统在胸腔镜肺切除术、腹腔镜胆囊切除术等手术中具有暴露充分且操作简单等优点[27-28]。杜克大学开展了一项回顾性队列研究，纳入接受磁锚定辅助胆胰分流十二指肠开关术（20例）、袖状胃切除（35例）、胃绕道旁路手术（45例）患者，同期采用Nathanson牵开器的患者为对照组。结果发现磁锚定辅助手术能够降低术后12 h平均疼痛评分、减少住院时间，但手术成本略有增加，在减肥手术中值得广泛推广[30]。

内锚定技术以磁锚定牵引消化道黏膜剥离术（Magnetic Anchor-Guided Endoscopic Submucosal Dissection，MAG-ESD）最为成熟。 MAG-ESD弥补了ESD操作难度大、手术时间长、容易发生穿孔等缺陷[31]，通过在胃中移动外磁体，提供手术所需的牵引力，大大简化了手术操作难度[32]。国外学者Matsuzaki等[33]、Gotoda等[34]及Aihara等[35]通过前瞻性研究证实了MAG-ESD在治疗胃及结、直肠肿瘤的有效性和安全性。国内西安交通大学第一附属医院[36]、北京301医院[37]、南方医科大学深圳医院等均开展了该项技术。

3.2 临床个案报道

3.2.1 磁导航气管插管技术

气管插管术是急诊呼吸道管理中应用最常见、最有效和最快捷的手段之一[38]。然而在紧急情况下，随时可能演变为不能通气和不能插管的紧急气道，危及患者的生命。笔者团队设计和研发了气管插管磁导航装置，通过磁导航技术引导磁性引导条尖端磁体在声门口发生向前向上的偏转运动，从而顺利进入气管，解决了因口咽部复杂结构或困难气道造成插管困难问题[39]。在前期大规模模拟人和动物实验验证基础上，2020年磁导航气管插管技术首次应用于临床，插管过程顺利，病人情况平稳。未来希望将磁导航气管插管技术应用于医院手术室、重症监护室等专业化场所，也可用于机场、车站等公共场所，提高急救效率。

3.2.2 磁力吻合拓展应用

在磁吻合技术用于胆肠吻合、胃肠道吻合、血管吻合、食管闭锁/狭窄、直肠阴道瘘修补术后，也有一些新应用涌现。

本团队将磁吻合技术引入肾移植术后输尿管狭窄的治疗。动物实验发现吻合口建立时间为9～16 d，术后1个月造影可见输尿管膀胱吻合口造影剂能够顺畅通过[40]。随后开展临床验证，患者恢复良好，证实了技术的可行性。

北京首钢医院侯郑生等[41]利用磁吻合技术治疗肠梗阻，分别在小肠、结肠置入磁体，通过磁体间的作用致小肠、结肠之间形成完整内瘘，从而达到治疗的目的。

四川大学华西医院Ye等[42]通过磁吻合技术开展了憩室成形术，将带有长线圈的环形磁铁送入食管远端并固定，带有短线圈的环形磁铁固定于憩室底部，通过钛夹释放器吸引并回拉远端的磁铁直至两个磁铁相互吸引并压迫憩室嵴。术后食管造影提示憩室明显缩小，系首例无放射线引导的磁铁辅助憩室成形术。

3.2.3 磁辅助快速肝移植

减少无肝期时间对于缩短缺血时间、减少术后移植肝功能障碍、肾功能障碍、肠道细菌易位和急性肝功能衰竭有重要的意义[43]。常规肝移植时间43.5（35.8～55.6）min，2019年本研究组通过磁辅助血流快速重建技术进行了肝脏移植血流重建，首次将无肝期减少到10（9.5～13.2）min。移植过程中用于血管吻合的磁性装置由一对C形磁环和基座组成，磁环根据吻合血管类型进行量身定制[44]。与常规肝移植手术相比，血管相关并发症发生率无显著差异，新技术安全有效[45]。

3.3 临床前探索

3.3.1 磁性水凝胶协同类技术

磁性水凝胶协同在血栓清除、靶向药物运送、活体组织检查中表现出潜在的临床应用价值。麻省理工学院Kim等报道了由铁磁性软材料构成的磁控软体机器人，其表面含有水凝胶皮肤，能够以最小的侵入方式进入难以触及的区域，如脑血管系统远端[46]。2021年，研发用于肠道疾病诊断的磁性水凝胶驻留系统，水凝胶携带能被钕磁铁定位以及驻留的诊断微生物，可用于细菌生物传感器和电子传感器在肠道中的定位和驻留[47]。本团队利用海藻酸钠四氧化三铁溶液形成的磁性水凝胶开展触诊阴性的乳腺结节的标记定位[48]。磁性水凝胶协同类技术为微创手术开辟了新的道路，具有非侵入、应用范围广等特点，磁性材料的持续控制以及技术在临床环境中的普适性需要进一步的验证。

3.3.2 腹腔镜肝移植

肝移植是终末期肝脏疾病的最佳治疗方式。与剖腹下接受活体肝切除术的患者相比，腹腔镜肝切除术有着伤口发病率低、恢复快等特点[49]。目前尚未见腹腔镜肝移植相关的报道。2020年，Dokmak等[50]报道了1例消化源性神经内分泌肿瘤肝转移病例，患者十年前因肠梗阻发现小肠原发性神经内分泌肿瘤,经正中切口行手术切除治疗。手术团队综合考虑患者的病情以及患者对美容的迫切需求，借助腹腔镜进行病肝游离，通过原正中切口开腹直视下切除病肝及移植供肝，对患者实施了“混合式”肝移植。手术时间400 min，无肝期43 min，手术过程顺利。为了突破腹腔镜肝移植的技术瓶颈，笔者团队在磁辅助快速肝移植成功之后，创新性地提出了“磁吻合腹腔镜肝移植”的研究设想，现已完成大动物实验论证。

3.3.3 磁控结肠镜检查

结直肠癌是全球第三大常见恶性肿瘤，预防性结肠筛查可提高结直肠癌的早期检出率[51]。传统结肠镜筛查由于设备复杂、不适感强、需要专业人员等缺点，推广普及范围不大。胶囊内窥镜和内驱动机器人解决了疼痛和不适的问题，但无线设备无法提供治疗功能。英国利兹大学研发了智能化自主导航磁性内窥镜，具有磁性定位、闭环机器人控制和内窥镜相机图像精细化处理等功能。与传统内窥镜相比，可自主进行肠道内窥镜检查，更具用户友好性。目前已完成动物实验验证，未来将进一步开展临床试验，了解患者的可接受性和手术相关的疼痛程度[52]。

3.3.4 磁控人工尿道括约肌

尿失禁是一种常见的功能障碍性疾病。目前有一款磁控人工尿道内括约肌设备，其由单向聚合物阀和调节其开启的磁激活系统组成。通过导管将人工括约肌插入尿道，利用连接到弹簧的单向聚合物阀确保舒张和收缩。当外部磁场与设备内部磁体相互作用，弹簧和加强元件就会向下移动，从而降低聚合物阀的开启压力进入排尿状态；当外部磁场去除，人工括约肌部件恢复原状，从而关闭阀门处于储尿状态。目前，已在体外和尸体上进行验证。未来，还需对材料生物相容性、材料-尿液相互作用开展深入研究[53]。

4 展望

可以看出，近年来磁外科的发展引人瞩目，在理论创新、技术创新、临床实践等方面均有了重大突破，研究的广度和深度不断增强。未来，磁外科技术的进一步拓展应用还需从以下方面着手：① 运用循证医学的思想和方法，统一操作规范和评价标准，开展随机对照临床试验，进一步评价技术的安全性和优越性，提升证据等级；② 鼓励和吸引医疗器械公司参与到磁外科相关医疗器械和产品的设计、研发和加工当中。创新技术的推广要以建立产业链为基础，如果研发的新技术束之高阁，即使新技术有价值，也只是潜在价值。目前，磁外科技术的应用价值日益凸显，技术日趋成熟，产业化刻不容缓。