肿瘤治疗电场研究进展

林方家 李骜 刘文博 石亚军 费舟

(空军军医大学西京医院神经外科，陕西 西安 710032)

交流电场被证实有着广泛的生物学作用，并应用于科研、疾病诊断及治疗等医学领域[1]。不同频率和强度的交流电场具有不同的生物学作用。频率小于1 kHz 的电场可以引起神经、肌肉、心脏等组织细胞膜的去极化，引起一系列的电生理反应[2]，如低频电场促进骨骼生长及骨折的愈合[3]；频率在1 MHz以上的交流电场引起电解质的极化并最终对组织产生热效应[4]，常用于肿瘤的射频消融及电热疗法[4]；过去普遍认为频率在10 kHz～1 MHz的中频交流电场不会造成明显的生物学效应[5-7]。然而近期发现特定参数的中频交流电场能有效地抑制肿瘤细胞增殖[8]，并将其命名为肿瘤治疗电场(tomor treating fields, TTFields)。TTFields为中频(100～300 kHz)、低强度(1～2 V/cm)的交流电场，通过绝缘电极片施加于人体产生抑制肿瘤生长的作用，具有安全、不良反应小的优点，目前已应用于临床。本文总结近年来TTFields的研究成果，系统阐述TTFields的作用机制、细胞及动物实验研究、临床实验与应用进行综述。

一、TTFields对细胞的生物应学效应

1.交流电场对正常静息细胞的影响：细胞内都含带电粒子(如蛋白质和DNA)，包括带单电荷的极性粒子和带双电荷的偶极子，它们在电场中都受库仑力的作用。极性粒子在静电场中受单一方向库仑力的作用，依电场力方向发生移动；偶极子受电场力净空作用为零，不发生运动并按电场分布排列。在交流电场中，随着电场方向交替变换，库仑力方向交替变化，极性粒子的运动方向也将交替变化，它们会依据所处交流电场的方向和密度而发生振荡[9]。在均匀的交流电场中，间断的相反方向的库仑力会导致极性粒子平行于电场方向运动，当交流电场的频率逐渐提高(如达到TTFields的频率)，库仑力的方向变换频率逐渐变快，库仑力对极性粒子的净空作用逐渐减弱至零，极性粒子振荡移动的幅度逐渐减小至不发生移动。对于偶极子来讲，因其分子的带电阴极和阳极是分离的，它受电场力作用与电场方向相匹配，故在交流电场中于原位发生旋转震荡，并保持位置不变。在不均匀的交流电场，所有带电粒子受到的交变的库仑力大小或方向不相同，库仑力的净空作用不为零，则带电粒子都会在电场力的作用下向电场密度高的方向运动，这个过程被称作介电电泳[10-11]。在非分裂细胞中，外加交变电场在细胞内形成的电场基本上是均匀的，因此，带电粒子在交流电场中(频率足够高，如TTFields)所受的电场力净空作用为零，不产生运动。TTFields对正常静息细胞几乎不产生影响，只对分裂旺盛的肿瘤细胞起作用[12]。

2.干扰有丝分裂纺锤体的形成：在有丝分裂过程中，纺锤体的作用是将复制后的子染色体平均分配到两个子细胞中。这一过程中，微小的极性分子--微管蛋白聚合成条形亚单位延伸到细胞中央排列的遗传物质内，并与染色体结合。在有丝分裂的间期，在细胞外给予TTFields，将在细胞内形成均匀的交变电场，微管亚单位依据电场方向而平行排列。有限仿真元研究显示，当微管蛋白二聚体距离微管链末端一定距离(>14 Fin)时，作用于细胞亚单位上的电场力大于微管链末端对二聚体的吸引力且方向不一致，电场力阻止它们到达实现聚合所需的排列方向，致微管蛋白聚合、解聚障碍，不能正常延长微管链，即微管形成受阻，影响纺锤体形成，有丝分裂发生异常的长时间停止，细胞分裂停滞[13]。TTFields使肿瘤细胞有丝分裂长时间停滞于分裂间期，延长了肿瘤细胞有丝分裂周期，甚至进而引起细胞碎裂，抑制肿瘤细胞增殖。

3.介电电泳致细胞结构紊乱：有丝分裂中后期，细胞膜将开始发生缢裂，两个子染色体被牵拉向细胞两极，胞质的分裂过程中，分裂沟形成，最终将两个细胞完全分开。有丝分裂沟形成时，外加的TTFields在这个狭窄的细胞膜连接处形成沙漏样非均匀电场，电场密度最高的位置位于狭窄部位的中心位置。此时，细胞内所有极性分子和偶极子受到足够强的电场力的作用而向分裂沟发生移动，即发生介电电泳现象，并在分裂沟处蓄积，导致细胞内结构紊乱、功能障碍，进而促进细胞凋亡，产生细胞破坏效应[12]。细胞免疫荧光检测发现，TTFields干预后的细胞中存在落后染色体、染色体分散、染色体凝固以及染色体不对称分离等现象。

二、细胞实验研究的进展

TTFields的细胞学实验表明，中频交变电场对肿瘤细胞增殖具有抑制作用，其抑制作用与电场的作用时间、频率、强度、方向以及细胞种类相关。实验选用4种常见的肿瘤细胞，每24 h观察实验指标(细胞绝对数和相对数)，可以发现随着时间延长，对照组的细胞数大约每24 h增加一倍，然而暴露组在暴露期间的增殖速率减慢，在治疗结束后又逐渐恢复[13]。不同频率的中频交变电场对肿瘤细胞的增殖抑制有差异，B16F1细胞(大鼠黑色素瘤细胞)最理想的抑制频率为 100 kHZ，人类乳腺癌细胞最理想的抑制频率为150 kHZ，F98细胞(大鼠胶质瘤细胞)最理想的抑制频率为200 kHZ。此外，相似的实验中使用了人胶质瘤细胞U118和U87，其最佳的频率和大鼠胶质瘤细胞系一致[12]。TTFields对抑制肿瘤细胞分裂和促进肿瘤细胞死亡(通过凋亡)中的作用和电场强度相关。在给定范围内随着电场强度增加，对肿瘤细胞抑制作用逐渐加强[13]；其次，不同细胞对电场强度的敏感性不同，最敏感的是对大鼠黑色素瘤细胞，敏感度稍低的是大鼠胶质瘤细胞和人非小细胞肺癌细胞，最差的是人乳腺癌细胞[13]。TTFields的作用效果与电场方向和分裂轴线的方向有关，当两者方向平行时效果最大，当两者垂直时效果最差。在培养皿中，细胞分裂的轴线方向是随机排列的，只有很少的分裂细胞得到了理想的治疗，交替运用多个方向的电场后，发现两个相互垂直的电场比单方向的电场效果高20%(B16F1细胞和F98细胞)[13-14]。

三、动物实验研究进展

TTFields的动物实验同样表明，中频交变电场对肿瘤增殖具有抑制作用，其抑制作用与电场的作用时间、强度、方向和频率相关。实验选用内植入电极片介导的TTFields治疗小鼠皮下植入的恶性黑色素瘤[12]和外置电极片介导的TTFields治疗大鼠的颅内接种的胶质瘤[13]，其电极片的放置均成几何学匹配。运用TTFields治疗小鼠皮下恶性黑色素瘤的实验，采用不同频率、单方向的TTFields，治疗时间为3～6 d。最大化的生长抑制频率是在100 kHZ，治疗组的肿瘤大小为对照组的62.7%，病理切片显示小鼠皮下见大量凋亡坏死的肿瘤细胞。体内的频率依赖实验没有达到统计学意义，但它表明一定的频率依赖关系。TTFields治疗大鼠胶质瘤(大鼠F98胶质瘤细胞)实验，采用最理想的频率和强度(200 kHZ，2 V/cm，根据细胞学实验结果)，处理时间为6 d，实验指标为MRI(核磁共振)图像所测量的肿瘤大小。结果显示治疗组肿瘤的最大直径大约只有对照组的一半大；单方向的TTFields平均治疗效果很小，没有达到统计学的治疗意义；而增加TTFields的方向，两个方向时治疗组较对照组减少了42.6%，三个方向时治疗组较对照组减少了53.4%(三个电极放置互相夹角45～90 ℃)，且均达到了有统计学意义的抑制肿瘤生长。其次，实验发现选用100 kHZ的中频交变电场对肿瘤无显著影响，而200 kHZ的TTFields引起了对肿瘤生长有显著的抑制。

TTFields应用于健康动物，并未发现显著的副作用。应用TTFields于兔子头部、胸部以测试应用TTFields的安全性，按时评估动物的体重、体温、心电图(electrocardiogram，ECG)、全血细胞计数(complete blood count，CBC)、电解质、凝血功能。一个月的观察期后，处死所有实验动物，并将主要的器官都送样给病理学家检测，所有实验动物均没有观察到心率和心律的改变，也未观察到治疗相关的毒性作用。

四、TTFilds临床实验研究成果

一期临床实验开展于2004年至2007年，共纳入了10位胶质母细胞瘤复发的患者[12]。实验主要检测TTFields的临床应用效果和安全性。10位患者的中位总生存期(overall survival, OS)为14.4个月，肿瘤的进展时间为6个月，1年存活率是67.5%。最普遍的不良事件是9位患者发生由水凝胶刺激头皮引起的接触性皮炎，其次2名患者因肿瘤本身引起癫痫部分性发作。除了在服用抗癫痫药的患者中发现肝酶升高外，在全血细胞计数和血液生化指标中未见异常。此外，实验中在一个患者头部直接测量电场强度，与电脑模型预估值相差在10%以内。

这些早期的研究结果直接促成了TTFields治疗与标准化疗方案疗效进行对比的三期临床试验。三期临床实验开展于2006年至2009年，首要的评价指标是总生存时间[15]。在受试人群中，接受TTFields治疗组和标准的最合适的化疗方案治疗组的中位生存时间分别是6.6个月和6个月[HR=0.86(hazard ratio，风险比)；P=0.27(Pvalue，P值)]；中位无进展生存期分别是2.2和2.1个月(HR=0.81，P=0.16)；6个月肿瘤无进展比率分别为21.4%和15.1%(P=0.13)；两者1年生存率均为20%。化疗组中，约31%的患者单独使用贝伐单抗或者贝伐单抗联合化疗。电极片引起的头皮刺激仍是最普遍的不良反应，更换电极片时轻微的移动电极片和局部应用皮质类固醇都可以减轻不良反应[16]。与化疗组相比，TTFields治疗组没有发现由设备引起的毒性物质(血液检测)、食欲减退、便秘、疲劳、恶心呕吐及疼痛等不适；而且，数据分析显示TTFields治疗组的患者相对有更好的情感和认知功能。由于TTFields治疗与化疗拥有相同的治疗效果，并且没有严重的副作用，美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)于2011年4月批准了TTFields用于治疗复发的胶质母细胞瘤。

回顾性地研究一期和三期临床实验总生存率的显著差异，发现部分接受单一TTFields治疗的患者相比化疗组有更低的组织学分化。其次，TTFields组治疗有效者相比治疗无效者，地塞米松每日使用量与累计使用量均显著减少[17]；在化疗组，治疗有效者相比治疗无效者，地塞米松每日使用量同样显著减少，但累计使量没有明显差异。这个发现引起了对实验中地塞米松作用的深入研究，TTFields组大剂量的使用地塞米松(大于4.1 mg/d)较低剂量使用地塞米松，患者的中位生存期明显缩短；在化疗组同样观察到相似但不明显的现象。这种总生存时间的差异与地米使用量相关，而和肿瘤的大小无关，可能和干扰患者免疫功能有关[18]。总之，对TTFields或化疗治疗胶质母细胞瘤，地塞米松都对治疗起到了干扰作用，因此应当减小地塞米松用量[19]。

TTFields治疗新诊断的胶质母细胞瘤研究结果表明，应用TTFields联合替莫唑胺治疗效果优于单独替莫唑胺治疗。在三期临床试验中，700名患者按2 ∶1的比例随机分配，分别接受TTFields加辅助的替莫唑胺或者替莫唑胺单独治疗，主要的观察指标是无进展生存期[20-21]。数据分析表明联合TTF加替莫唑胺治疗较单独接受替莫唑胺治疗有更长的无进展生存期(7.1个月vs4.0个月，HR=0.6，P=0.0014)和中位总生存时间(19.6个月vs16.6个月，HR=0.75，P=0.034)。同时，实验中并未观察到TTFields与化疗药物联合使用会增加化疗药物的毒副作用[22]。

五、TTFields治疗在临床实践中的应用和优势

在临床实践中，由于不同于临床实验的严格准入标准，TTFields的治疗效果和临床实验有一定差异。目前FDA批准的TTFields治疗适应症为复发的胶质瘤。来源于美国包含91个治疗中心的457个患者的数据表明：TTFields治疗患者中位生存期为9.6个月，而临床实验组TTFields单独治疗中位生存期仅6.6个月[15,23]。同时，TTFields治疗组的一年生存率(44%)比实验组(20%)更高。目前认为，这种生存时间的差异可能是因为临床实践中，复发后更高比例的患者选用使用TTFields治疗；其次在疾病进展的过程中，在更早的时间节点接受治疗也许效果更好。同时，数据表明治疗前没有使用过贝伐单抗，TTFields治疗效果更好。

六、总结和展望

TTFields作为一种新的肿瘤治疗方法，相比于传统的手术、放化疗拥有许多新的特点和优势。目前已经证实的TTFields的作用机制主要是干扰纺锤体形成迟滞肿瘤细胞有丝分裂和介电电泳介导细胞结构紊乱导致细胞凋亡，并经实验证实对多种肿瘤细胞均有效。同时，介导电场产生的电极片可放置于身体的各个部位，故TTFields适用于多种肿瘤的治疗。TTFields与化疗药联合使用提高了化疗药物的敏感性，而未发现重叠的毒性效应。TTFields治疗除了电极片与皮肤接触部位可能发生轻度接触性皮炎外，尚未观察到其他副反应，也未观察到对心脏、神经系统等产生的影响。TTFields治疗设备已被研制成便于携带的穿戴设备，便于患者按需要自行治疗，同时由于没有放化疗带来的恶心、呕吐等副作用，极大提高了患者的生存质量，更容易为患者所接受。TTFields已经进入临床应用阶段，并被作为治疗复发脑胶质瘤的标准手段之一写入美国国立综合癌症网络(National Comprehensive Cancer Network, NCCN)指南。

TTFields开拓了肿瘤治疗的新方法，向我们提供了肿瘤治疗的新思路。动物实验发现，TTFields对原位肿瘤治疗的同时抑制了转移瘤的生长，转移瘤内免疫细胞浸润，表明了TTFields对免疫系统有重要的影响，启示我们应继续探索TTFields的生物学机制。同时，TTFields的发现启示我们应注重医学相关的交叉学科的共同发展，积极探索非传统治疗方法，可能给肿瘤治疗提供新的线索。

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