醫用激光設備動物試驗的決策與審評要求探討

劉柏東申 高邱 宏陳民利

(1.國家藥品監督管理局醫療器械技術審評中心,北京 100081;2.浙江中醫藥大學動物實驗研究中心/比較醫學研究所,杭州 310053)

隨著激光技術的進步,激光醫學也發展成新型交叉學科[1]。 在臨床活動中,激光作為電氣設備的光源,主要應用于診斷和治療。 典型的用于診斷的產品有光學相干斷層掃描設備[2]、激光掃描檢眼鏡等[3];激光治療分為強激光治療、弱激光治療、光動力治療[4]。 弱激光治療是指激光作用于生物組織時不造成不可逆的損傷,但刺激機體產生一系列的生理生化反應,對組織或機體起到調節、增強或抑制作用來達到治療疾病的目的[5]。 光動力治療主要通過光敏劑在特定波長激光的激活下,產生光物理化學反應,生成具有生物毒性的活性氧物質作用于靶組織,進而實施靶向治療[6]。 強激光治療是利用激光的光熱效應,對生物組織進行凝固、汽化或切割來達到消除病變的目的。 強激光治療因具有出血少、操作定位精確、非接觸、無菌、對周圍組織損傷小等優點,已廣泛應用于皮膚科、眼科、泌尿外科、口腔科、耳鼻喉科等。 常見的獲得醫療器械注冊證的產品有半導體激光脫毛儀[7]、眼科倍頻Nd:YAG 激光光凝儀、鈥激光治療儀[8]、半導體激光治療儀[9]、二氧化碳激光治療儀[10]等。 本文概述醫用激光設備的工作原理和使用功能,并對激光治療類產品決策開展動物試驗和規范要求進行探討。

1 醫用激光設備概述

1.1 注冊單元

根據2017 版《醫療器械分類目錄》[11],醫用激光治療類設備包括:(1)激光手術設備,參考分類編碼01-02-01,管理類別三類;預期用途為對機體組織進行汽化、碳化、凝固,以達到手術治療的目的。(2)眼科激光治療設備,參考分類編碼16-05-02,管理類別三類;預期用途為屈光矯正、角膜切割、青光眼、白內障、或視網膜病變等眼科疾病的手術治療。 (3)激光治療設備:參考分類編碼09-03-01,管理類別三類;預期用途為用于皮膚淺表性病變、燒傷等整形科、皮膚科的治療或輔助治療。 一般情況下,激光手術設備用于手術室,分類屬于01;激光治療設備用于門診手術,分類屬于09。

1.2 工作原理與用途

按照注冊單元中三種不同預期用途的情況,分別以鈥激光治療儀(分類編碼01-02-01)、眼科激光光凝儀(分類編碼16-05-02)、Nd:YAG 皮秒激光治療儀(分類編碼09-03-01)舉例說明產品的工作原理與使用功能。

1.2.1 鈥激光治療儀

鈥激光治療儀是由主機(含鈥激光激光器、激光電源、冷卻裝置、防護裝置)、腳踏開關、光纖、激光防護眼鏡等組成,可用于泌尿系結石和泌尿系腫瘤的汽化、切割、凝固,皮膚科尖銳濕疣、肉芽腫、腫瘤的汽化、切割、凝固[12-17]。 激光發生的原理,以2.1 μm 激光器為例,激光腔包括一個激光發生單元、一個高反射鏡和一個輸出耦合鏡。 激光發生單元包含釔鋁石榴石(Ho:YAG)晶體棒、一個激光激勵源閃光燈和一個聚光腔。 聚光腔將閃光燈的光線聚焦到晶體棒上,被反射鏡引入光路,再將瞄準光耦合進主光束中,通過聚焦透鏡引入到光纖,用于照射治療部位。 鈥激光碎石的原理是2.1 μm 的激光主要被結石中的水分吸收,能量蓄積到一定程度,局部結石溫度上升,直至達到臨界。 在該臨界值下,結石成分可能會脫水、分解成小結石,或者結石中的間隙水可能會發生爆裂汽化,達到治療的目的[9-10]。

1.2.2 眼科激光光凝儀

眼科激光光凝儀是由激光器、裂隙燈顯微鏡、腳踏開關、裂隙燈適配器、激光防護眼鏡、支架臺等組成,可用于眼科的視網膜激光光凝術、激光小梁成形術、虹膜切開術、虹膜成形術,以及治療開角型青光眼和閉角型青光眼等[18-22]。 激光發生的原理,以577 nm 為例,在激光腔中,半導體泵浦源發射泵浦光,經過準直后照射到工作物質OPS 芯片,在OPS 芯片內發生受激輻射;輻射出的光子在OPS 芯片內的反射層和激光腔的反射鏡之間諧振放大,形成1154 nm 激光震蕩;1154 nm 激光,經過激光腔內LBO 晶體倍頻后,產生二次諧波效應,轉化為577 nm 激光,透過OC 鏡(輸出耦合鏡)輸出,再經過聚焦等光學處理,從激光耦合口輸出,通過裂隙燈適配器將激光引導到患者眼中。 光凝的原理是577 nm 的激光主要被脈絡膜血管中的氧化血紅蛋白和視網膜色素上皮層的黑色素吸收,黃斑區的葉黃素幾乎不吸收,通過激光的熱效應,導致組織溫度升高,蛋白質變性,達到光凝的效果[10,23]。

1.2.3 Nd:YAG 皮秒激光治療儀

Nd:YAG 皮秒激光治療儀是由主機(含激光器、激光電源、控制面板、冷卻裝置)、導光臂、腳踏開關、治療手具(532 nm、1064 nm)、激光防護眼鏡等組成,可用于治療真皮和表皮色素性病變,如激光祛紅血絲、激光祛斑、皮秒激光、激光去文身、洗眉、洗眼線等[24-27]。 激光發生的原理,以半導體泵浦的固體532 nm 激光為例,激光二極管發射810 nm 泵浦光,泵浦光經過聚焦準直后照射至激光工作物質Nd:YAG),發生受激輻射后激發出1064 nm 光子;1064 nm 光子在前鏡和輸出鏡之間反射,互相之間不斷發生相干放大形成1064 nm 激光;1064 nm 激光經過倍頻晶體后,發生非線性光學效應中的二次諧波效應,一部分轉化為532 nm 激光,透過輸出鏡形成532 nm 激光輸出;532 nm 激光經過偏振片和分光鏡,小部分被發射至能量探測器,轉化為電信號反饋至控制及安全電路,大部分輸出至光纖聚焦鏡,經過光纖聚焦鏡后,與調節至同光路的瞄準光,一起從激光耦合口輸出,通過手具將激光引導到治療部位。 Nd:YAG 皮秒激光治療儀去除文身、治療雀斑的原理是基于激光選擇性的光熱作用,針對表皮和真皮中的黑色素特異性較高,可用于治療良性色素性病變[28-29]。

2 決策開展動物試驗

在臨床上,在一定條件下,利用激光設備作用于同一組織的能量恒定,如果功率提高,手術時間就減少,手術效率也會提高。 但不同靶組織特性不同,如利用眼科激光光凝儀對視網膜進行光凝時,眼內組織厚度值較低,尤其是視網膜組織,功率提高也許會傷害視神經細胞,增加視野范圍減小、視功能減退的風險;若調整脈寬、脈沖間隔,延長手術時間,會導致熱能量累積,增加傳導至周邊組織的風險,也會影響視野范圍、視功能。 理論上,組織的溫升由熱傳導效率和熱馳豫時間決定,如果激光作用于組織的時間小于熱弛豫時間,組織中的熱量積累不會因熱傳導損傷靶組織的周邊組織。 因此,衡量激光設備安全有效性的關鍵證據之一是量效關系及熱損傷的研究資料。 量效關系及熱損傷研究應為申報產品臨床前的體內外試驗(離體及在體的動物試驗、臺架試驗等)、臨床試驗等一項或多項研究所獲得數據的分析和總結。

根據《醫療器械動物試驗研究技術審查指導原則第一部分:決策原則》,當體外試驗不能充分評估激光設備在臨床應用中的安全有效性風險時,需要開展體內動物試驗。 通過動物試驗,可為產品設計定型提供相應的證據支持,也可為開展臨床試驗前,評估醫療器械能否用于人體研究提供支持,降低臨床試驗受試者及使用者的風險以及為臨床試驗設計提供參考。

在申報產品的研發早期,設計輸入及輸出的階段時,激光產品的性能評估可選擇臺架試驗或離體組織試驗,如鈥激光治療儀可開展體外試驗,模擬體內使用環境或情形,驗證在不同工作模式/能量參數設置的情況下產品用于碎石的效率,然后再開展動物試驗;如已有類似的初步研究或證據時,也可直接開展動物試驗研究。

激光設備可以通過動物試驗評價在不同波長下的各種工作模式、激光輸出方式等對臨床使用(包括各種適應癥或各種類型的組織)的影響。 應當對申報產品能量參數的設置、激光與靶組織的作用機理、適用范圍及適應癥等因素進行綜合考量,結合已有的研究或證據,開展適當的風險分析評估后,決策是否需要開展動物試驗。 決策時至少應當評估以下幾種情形:

(1)相比于成熟已上市的產品,選擇一種新的激光波長作用于原適用范圍中的靶組織或增加新的適應癥。 例如:已上市的產品中,Nd:YAG 皮秒激光治療儀的激光傳輸裝置為手柄,532 nm 用于治療雀斑、1064 nm 用于去除黑色和藍色文身。 根據皮膚分層及分級,同樣作用于黑色素,由于不同波長的激光穿透深度不同,靶組織也不同。 常見的良性色素增加性皮膚病包括:色素分界線、雀斑、黃褐斑、蒙古斑(皮膚青、藍色胎記)、咖啡斑、單純雀斑樣痣(單純黑子、痦子)、老年性雀斑樣痣(老年性黑子、壽斑)、太田痣、伊藤痣、文身等及其他原因引起的色素沉著等。 根據皮膚科常見的應用情況,532 nm 作用于表皮層黑色素,694 nm 和755 nm 可作用于真皮層、表皮層黑色素,1064 nm 進而作用于真皮深部的黑色素。 若申報產品的730 nm 用于治療良性色素性增加性皮膚病,屬于新的激光波長增加新的適應癥;若730 nm 用于治療良性表皮色素性增加性皮膚病、惡性黑素瘤,屬于選擇一種新的激光波長作用于原適用范圍中的靶組織。

(2)相比于成熟已上市的產品,選擇一種新的作用機理作用于原適用范圍中的靶組織或增加新的適應癥。 以輸出577 nm 的眼科激光光凝儀為例,成熟已上市產品采用的是連續波及脈沖波的情況,通過激光的熱效應,針對視網膜微血管缺血區或毛細血管無灌注區進行治療,阻止眼內新生血管的發生和發展,改變視網膜區域的缺氧狀態。 可用于治療糖尿病視網膜病變、視網膜靜脈阻塞等。 新的激光輸出方式是通過軟件控制調制出閾值下的脈沖波,通過激光的熱效應產生生物學效應,產生“閾值”(激光凝固組織所需的能量的臨界值)下的脈沖波,作用于視網膜色素上皮層,視網膜色素上皮細胞產生中等程度損傷,引起部分因子發生變化,可以減少新生血管及改變血管通透性,用于治療中心性漿液性脈絡膜視網膜病變,糖尿病視網膜病變以及視網膜靜脈阻塞引起的黃斑水腫,屬于選擇一種新的激光輸出方式增加新的適應癥。

(3)相比于成熟已上市的產品,選擇一種新的能量參數范圍作用于原適用范圍中的靶組織或增加新的適應癥,如申報產品設置的治療參數(功率、脈寬、脈沖間隔、光斑大小等)與已上市產品有明顯差異的情形。 以鈥激光治療儀為例,已批準的產品關鍵性能參數是最大單脈沖能量為4.6 J,最大重復頻率為42 Hz,終端最大平均輸出功率為80 w,脈寬為200～500 μs,適用范圍是用于治療泌尿系結石,泌尿系腫瘤的汽化和凝固。 新的能量參數設置是最大單脈沖能量為6 J,最大重復頻率為50 Hz,終端最大平均輸出功率為90 w,若適用范圍不變,屬于選擇一種新的能量參數范圍作用于原適用范圍中的靶組織;若適用范圍增加了皮膚科用于尖銳濕疣、肉芽腫、淺表腫瘤的汽化和凝固,屬于選擇一種新的能量參數范圍增加新的適應癥。

3 動物試驗審評要求

3.1 動物試驗規范基本要求

依據《醫療器械動物試驗研究注冊審查指導原則第二部分:試驗設計、實施質量保證》,醫用激光設備的動物試驗要根據試驗目的,選用符合試驗要求的動物,在預先設計研究方案規定下,進行產品可行性和/或安全性和/或有效性研究,觀察、記錄動物的反應過程及結果,以評估醫用激光設備對生命活動的作用與影響,動物試驗數據應具有重復性和再現性。 為保障動物試驗結果的真實、可靠、可追溯,應參照相關國家標準(GB/T 35823)動物試驗的通用要求進行,并要注意以下幾個方面。

3.1.1 人員

動物試驗研究人員應具備相應的技能且涵蓋不同學科的專業知識,如相關的臨床醫學、動物學、獸醫學、激光學、病理學、醫學檢驗學、影像學等。

3.1.2 設施

開展動物試驗的環境應避免對試驗結果造成干擾的因素,如噪音刺激、光污染、化學污染、輻射污染等,同時,應能模擬臨床使用場景。

3.1.3 動物

應根據不同的試驗目的選擇使用質量合格的試驗動物或檢疫合格的試驗用動物。 建議詳細說明選擇試驗動物模型的依據。 如選擇的試驗動物模型對于產品應用于人體的安全有效性分析具有局限性,應對研究結果的影響進行詳細說明。 試驗動物數量應保證試驗結果具有可靠性,且符合3R原則。

3.1.4 操作規范

動物試驗應嚴格按照研究方案和相應的操作規范,記錄試驗產生的所有數據包括任何偏離試驗方案和操作規范的情況,并保證數據記錄及時、直接、準確、清晰和不易消除。 確保動物試驗記錄、數據的完整性和可追溯性。

3.2 動物試驗設計基本要求

開展決策評估時,當已有數據不能充分評估激光設備在臨床應用中的安全有效性的風險時,需要開展體內動物試驗。 動物試驗的方案設計及結果應能反映激光設備在不同波長下的各種工作模式或激光輸出方式與作用于靶組織位點的量效關系,根據不同的適應癥可進行相應的典型性試驗。 還應驗證申報產品不同能量參數對靶組織及周邊非治療區域熱擴散情況。 動物試驗的研究結果應可以更客觀、完整地提供支持激光產品作用于靶組織的可行性、安全性、有效性的證據。

3.2.1 動物試驗目的

根據決策評估的情形,開展動物試驗設計前,明確試驗目的。 例1:鈥激光治療儀,通過調節脈寬或提高功率,輸出新的能量參數(終端最大平均輸出功率、單脈沖最大能量、最大重復頻率等)作用于原適用范圍中的靶組織,試驗目的為通過觀察豬的膀胱組織表面損傷及愈合情況、碎石殘留情況,評估量效關系及熱損傷范圍,考核產品用于泌尿系碎石,汽化和凝固泌尿系腫瘤的安全性和有效性。 例2:眼科激光光凝儀,選擇一種新的激光波長增加新的適應癥,試驗目的為通過觀察兔的視網膜光凝反應,熱損傷范圍,并評估量效關系,考核產品治療視網膜疾病的安全性。 例3:二氧化碳激光治療儀,增加超脈沖的激光輸出方式,新適應癥為治療良性表皮色素性增加性皮膚病。 試驗目的為觀察棕色豚鼠的皮膚組織中的黑色細胞及黑素顆粒去除情況,觀察皮膚組織損傷及愈合情況,評估量效關系及熱損傷范圍,考核產品用于治療良性表皮色素性增加性皮膚病的安全性和有效性。

3.2.2 試驗方案設計基本要求

選擇已在中國獲準上市、具有相同或更寬的適用范圍、市場反應良好的激光設備進行隨機平行對照。 應設置可反映申報產品量效關系的能量參數進行試驗,且應當能夠涵蓋產品技術要求中的性能參數范圍,如波長、光斑大小、激光輸出方式、功率、脈寬及脈沖間隔、占空比等關鍵參數。 試驗組及對照組的能量參數設置應相同/相似且應滿足臨床需求。 確保每次試驗前,動物/靶組織都處于相同的生理狀態,且能證明可用于開展動物試驗。

3.2.3 評價方法及指標

安全性,主要通過觀察激光設備對治療區域內靶組織及周邊組織的熱損傷范圍。 可以采用組織病理學或OCT 等方法對對急性及慢性熱損傷情況進行評估,應評估不同時間點,試驗組與對照組的凝固帶最大寬度及最大深度、水腫、細胞空泡化等情況,提供對比表并附圖并分析熱損傷范圍對臨床使用的影響。

有效性,通常應分析試驗組和對照組的激光儀治療相同/相近/相似的靶組織,使用能量的差異。試驗結果應給出梯度能量與治療靶組織的量效關系圖,應至少包含組別、波長、工作模式、治療能量參數的范圍、靶組織的變化,并給出有效能量參數范圍。

例1:應分析試驗組和對照組的鈥激光治療儀治療相同大小的結石,比較能量參數、碎石效果、碎石時間、碎石殘留量的差異并進行組間分析。 有效性評價指標至少應包含:碎石能量、碎石時間、碎石效果及殘留量、損傷膀胱組織能量;安全性評價指標至少應包含:膀胱組織病理學、動物存活率、血及尿生化指標、其它生理狀況、與術前相比是否存在尿路感染、膀胱穿孔、繼發性血尿等。 有些鈥激光治療儀的適用范圍還包括汽化和凝固泌尿系腫瘤,考慮動物模型的經濟性及便利性,可通過比較治療儀作用于正常尿路上皮組織,給出梯度能量與汽化、凝固組織厚度的量效關系圖,分析試驗結果對臨床使用的影響。

例2:利用Nd:YAG 皮秒激光治療儀/二氧化碳激光治療儀治療良性色素性增加性皮膚病。 有效性,評價試驗組和對照組的激光儀治療相同區域的黑色素,比較能量參數、治療時間、色素沉著、黑色素顆粒的差異并進行組間分析。 安全性評價,觀察并分析術后動物存活率、皮膚組織病理學、術后并發癥。 有效性評價指標應至少包含:治療能量、治療時間、色素沉著評分、黑色素顆粒計數等;安全性評價指標應至少包含:皮膚組織病理學、皮膚感染、紅腫、出血、出現疤痕等。

例3:由于動物與人眼組織的差異,眼科激光光凝儀的評價指標應體現可行性及安全性。 通過觀察光凝反應分析術前、術后的視網膜厚度、脈絡膜厚度、光斑大小及形態變化情況,給出能量(梯度功率)與術前后視網膜、脈絡膜厚度變化的量效關系圖;通過檢眼鏡/裂隙燈顯微鏡觀察視網膜損傷斑,計算損傷發生率(損傷斑數/照射斑數),給出光凝儀不同波長、不同激光輸出方式下對試驗動物的視網膜熱損傷閾值的評價,按照射梯度功率繪制損傷發生率與能量的關系表。 主要評價指標應包含:視網膜組織形態學及組織病理學變化。 次要評價指標應包含:與激光光凝術前相比,是否存在視網膜前和視網膜下的纖維化及增殖、視網膜出血、新生血管形成、激光斑擴大、視網膜水腫等。

4 討論

醫用激光設備是通過向人體輸出能量達到治療目的的高風險設備,臨床前動物試驗的目的是通過動物模型來考察激光產品的可行性、安全性和有效性,可為制定臨床方案選擇合理治療參數提供建議,并觀察潛在的不良事件,降低臨床活動中的風險。 目前,我國醫療器械臨床前的安全性評價現狀是無相關的質量管理規范,無試驗室資質要求。 建議申請人根據申報產品的實際情況,決策開展動物試驗的情形,通過選擇合理的動物試驗方案,驗證激光產品的可行性、有效性和安全性,保證研究數據的科學性、真實性和可追溯。

4.1 動物模型的考量

申請人可根據產品的實際預期用途,開展動物試驗的目的綜合評估后決策。 眼科研究的常用實驗動物包括小鼠、大鼠、兔、比格犬、小型豬、猴等[30-31],但普遍存在生理結構及功能與人眼有不同差異的情形,如小鼠、大鼠、兔、犬、小型豬等動物不存在類似于人眼的黃斑區[32],無法驗證激光產品治療黃斑區疾病的有效性,只能通過試驗組與對照組的產品作用于試驗動物眼后,比較視網膜厚度的變化情況評估激光產品的可行性及安全性。 此外,還需考慮開展動物試驗的經濟性、便利性等因素,恒河猴眼與人眼相似度較高,但動物試驗成本較高。因此,本文動物試驗舉例僅作參考。

4.2 研究觀察時間點

動物試驗應能觀察到產品作用于動物之前、之后不同時間點的組織狀態,研究中選擇的觀察時間點,應有合理依據。 由于試驗動物模型和人體之間組織損傷與愈合應答存在差異,且不同激光產品能量參數設置也存在差異性,因此,應合理設置最終觀察時間點。 同時,盡可能對臨床相關的安全性事件進行觀察,分析對臨床使用的影響。

4.3 決策方案中的試驗與對照組

按照《醫療器械臨床試驗質量管理規范》、《醫療器械臨床評價指導原則》,醫用激光治療設備可以通過同品種醫療器械臨床試驗或臨床試用獲得的數據開展評價(同品種比對)。 若需要開展臨床試驗,動物試驗應在臨床試驗前完成,可為臨床試驗的方案設計提供依據,并可預測在臨床試驗中可能出現的不良事件,降低臨床試驗受試者和臨床使用者承擔的風險。 如果只有試驗組無對照組的數據,可以作為申報產品開展臨床試驗前的研究資料;如果同時有試驗組及對照組的數據,可以作為開展臨床試驗前的研究資料,也可作為通過同品種比對開展臨床評價時用于證明安全性和有效性的支持性資料。

綜上所述,本文在參考《藥物非臨床研究質量管理規范》、《醫療器械動物試驗研究技術審查指導原則第一部分:決策原則》、《醫療器械動物試驗研究注冊審查指導原則第二部分:試驗設計、實施質量保證》等規范性文件基礎上,結合審評經驗,分析醫用激光設備的作用機理,歸納強激光治療類產品決策開展動物試驗的情形,并舉例分析開展動物試驗的目的、方案設計要求和評價指標等,為醫療器械相關技術審評人員、研發人員及注冊人員提供參考。