肿瘤治疗电场在胶质母细胞瘤治疗中的研究进展

李开济 许尚臣

胶质母细胞瘤(GBM)是一种侵袭性很强的原发性脑恶性肿瘤，占所有原发性脑肿瘤的17%，患者临床预后极差，给家庭和社会造成了严重负担[1]。目前针对胶质母细胞瘤和脑胶质瘤的标准治疗方式，仍然是以外科手术、放疗和化疗为主的综合治疗，但复发率接近100%，一般经常规治疗后，2年生存率仅为27%，平均中位生存期也只有10～11个月[2]。这就促使人们不断寻找新的治疗方法。尽管过去对GBM可能的治疗方案进行了大量的研究，但也只有少数结果提示可提高患者生存率，而且化疗的毒性不良反应非常明显，患者的生活质量较差。近年来随着科学技术的不断发展，电场在医学中的应用日益受到人们的重视。肿瘤治疗电场(tumor treating fields, TTFields)是美国FDA批准的一种适用于新诊断或复发性胶质母细胞瘤患者的新型治疗方法。该疗法利用敷贴于头皮的无创传感器电极阵列，产生中低频肿瘤治疗场，通过抑制肿瘤细胞有丝分裂发挥抗肿瘤作用。目前这项最新的抗癌技术在国内尚未开展，但已被写入《脑胶质瘤诊疗规范(2018年)》，被推荐用于新发胶质母细胞瘤(1级证据)和复发高级别脑胶质瘤(2级证据)的治疗。尽管近几年TTFields的发展较快，低、中等强度交变电场促进了胶质母细胞瘤的治疗，但还有许多相关研究仍处在试验阶段。本文仅就肿瘤治疗电场在胶质母细胞瘤治疗中的相关研究现状进行综述。

一、胶质母细胞瘤的常规治疗方法

GBM是最具侵袭性的恶性脑瘤，其最初症状包括头痛、人格改变、癫痫、恶心和偏瘫，意识丧失可能是恶化的迹象。其恶性程度高、生长快、病程短，术后易复发，5年生存率低于5%，是神经外科治疗中最棘手的难治性恶性肿瘤之一。目前GBM的标准治疗手段主要以肿瘤组织最大限度的安全切除为主，结合放射治疗及替莫唑胺(temozolomide，TMZ)化疗[3]。如果条件允许的话，手术是GBM治疗的第一步，随后可进行放疗和化疗。据文献报道接受总辐射剂量为50～60Gy，放疗患者的预期寿命比未接受放疗的患者长1.6～2.3倍[4]。近年来，免疫治疗和基因治疗也在GBM治疗中得到了一定的应用。尽管有报道称临床上有各种新的治疗方法可以延长患者的生存期，但GBM仍被认为是不可治愈的，其中位生存期一般只有14.6个月，2年生存率低于30%，其复发率仍接近100%[5]。因此，寻求GBM治疗的有效新方法仍然是目前该领域的研究热点。尤其是有些老年患者，他们可能无法承受放、化疗的毒性不良反应和(或)手术切除的创伤。

二、GBM治疗所面临的问题

GBM治疗面临以下几个问题：(1)GBM的发生、发展与多个信号通路调控异常有关，很难通过单一治疗方法同时有目的的进行调控。(2)GBM在一定程度上由浸润细胞组成，即使有非常精确的成像设备和手术器械，也很难将可看见的所有GBM浸润细胞彻底清除。(3)GBM的早期诊断比较困难，如果可以早期诊断，则可以通过切除小肿瘤来提高治疗效果。但事实上，GBM的最初症状，如呕吐和剧烈头痛，往往出现在该病的晚期，而敏感的成像技术，如磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)，可能有助于早期诊断，但由于价格等因素，而无法在整个人群中进行定期筛查。(4)优化GBM治疗的临床方案需要使用一个准确且具有代表性的临床前GBM模型。已经开发出的不同类型小鼠和大鼠模型都有各自的优缺点，此外，小鼠和大鼠的GBM肿瘤一般在103～104μm，比人类的GBM小。而成熟的GBM大型动物(如狗)较少。(5)血-脑脊液屏障(BBB)经常阻止药物有效到达胶质母细胞瘤细胞，尚需开发能穿过BBB的有效药物[5]。

三、肿瘤治疗电场的发现和临床前研究

众所周知，电场在生物学中起着重要作用。其实电场就是能够作用于带电物质的一种“力场”，能够吸引或排斥带电粒子，进而影响带电粒子在细胞内的分布与运动。人细胞膜内外含有多种携带电荷的带电离子，当电场存在时，会受到电力的影响。低频交变电场能使细胞去极化并使可兴奋细胞产生动作电位。除了在基础科学中的应用外，电场还可应用于临床实践。例如，高频交变电场能使真核细胞以电介质极化反应形式产生热效应从而损伤组织，主要应用于肿瘤射频消融术及微波热疗法。另有研究表明，中频电场有着较强的抗肿瘤效应，能抑制肿瘤细胞的有丝分裂并最终导致细胞死亡。早在2001年，以色列Palti教授首次研发出用低强度电场治疗脑瘤的新方法。这些发现促进了肿瘤治疗电场的发展。因为肿瘤的一大特征就是不受调控的细胞有丝分裂导致的细胞恶性增殖，有丝分裂过程必须有微丝微管蛋白的参与，而微管蛋白是人体中携带大量电荷的蛋白，从电学的角度看，如果把肿瘤细胞置于一个电场中，则这些微管蛋白的运动必然会收到影响，进而影响肿瘤细胞的有丝分裂。GBM肿瘤细胞是中枢神经系统中复制和分裂最活跃的细胞，它们很容易受到TTFields影响，并可导致随后的细胞死亡。

TTFields是一种中频电场，也称电场治疗，是一种基于生物电作用的物理疗法，主要是通过应用频率为(100～300)kHz、振幅为1～3V/cm的交变电场抑制肿瘤细胞的生长。这一新型治疗手段在多种实体肿瘤中显示出强大的治疗潜力。据报道，交变电场可诱导细胞的黏附聚集和定向迁移，这种现象称为趋电性。与放疗或化疗比较，TTFields更安全，不良反应更少。Kirson等[6]研究发现TTFields通过抗微管作用机制抑制癌细胞生长。简而言之就是交变电场与分裂细胞内的极性分子(即微管)相互作用，导致有丝分裂阶段微管纺锤体的形成受到破坏。TTFields可以阻止不同癌细胞的体外增殖，且具有其频率和剂量依赖性，如小鼠黑色素瘤的频率为100kHz，人乳腺癌的频率为150kHz，大鼠及人胶质瘤细胞系的频率为200kHz，杀死80%肿瘤细胞时，小鼠黑色素瘤所需的强度为1.3V/cm，大鼠胶质瘤所需的强度为2.2V/cm，人非小细胞肺癌细胞所需的强度为2.7V/cm，人乳腺癌细胞所需的强度为3V/cm[6]。TTFields作用有丝分裂细胞24h，并且大致沿着电场的方向，效果最好。并且倍增时间越短的细胞，TTFields效果越好，这可能与其在规定时间内有丝分裂事件发生频率较高有关[7]。

2004年，Kirson等[6]首次证明极低强度(<2V/cm)中频[(100～300)kHz]场能够减缓体外培养细胞和小鼠模型体内肿瘤细胞的复制。最初的体外研究表明，经电场处理的细胞有丝分裂纺锤的解聚/再聚受损，导致有丝分裂异常和细胞破坏。Giladi等[7]研究发现，TTFields可破坏微管失调形成的纺锤体，TTFields治疗后的有丝分裂失调可能使细胞更容易受到PARP抑制剂和电离辐射的影响。而且另据报道，TTFields可通过下调BRCA1信号通路干扰DNA损伤修复，表明TTFields除了破坏细胞有丝分裂纺锤体的形成和细胞分裂外，还有其他细胞损伤作用，这是TTFields抗肿瘤的另一细胞机制[8]。有研究者在2015年研究发现，地塞米松的免疫抑制可减弱胶质母细胞瘤患者对TTFields治疗的反应说明了免疫系统在TTFields控制肿瘤中的作用。Neuhaus等[9]研究发现，交变电场可激活人胶质母细胞瘤细胞电压依赖型Cav 1.2通道，初步确定Cav 1.2通道是细胞质膜中的TTFields作用靶点，并提供了将TTFields疗法与已经在临床上使用的Ca2+拮抗剂相结合的理论。贝尼地平是临床上使用的一种抗高血压药物，属于电压门控Ca2+通道阻滞剂。一般胶质母细胞瘤患者血-脑脊液屏障的通透性较高，有研究者在1992年研究发现，贝尼地平可透过血-脑脊液屏障作用于胶质母细胞瘤，提示贝尼地平或其他FDA批准的Ca2+拮抗剂(如硝苯地平)可能对胶质母细胞瘤有靶向治疗作用。另外有研究者发现，胶质母细胞瘤的一线治疗药物索拉非尼可使胶质母细胞瘤细胞对TTFields敏感度增加，加速细胞凋亡，促进自噬，而且联合治疗能显著抑制肿瘤细胞的运动和侵袭，抑制血管生成[10]。

体外研究的乐观结果促进了TTFields在动物体内肿瘤模型中的应用。Kirson等[6]通过外科手术将电线置入动物模型来产生电场，发现电场治疗的小鼠黑色素瘤模型中肿瘤直径平均减少47%，并且在其他肿瘤，包括肺、胰腺和脑原发性恶性肿瘤动物模型中也显示出较好的疗效[6,7]。在黑色素瘤转移到肺部的兔子模型中，TTFields治疗组的中位生存期增加到70天，而对照组只有57天。其他研究者也证实，在TTFields治疗的动物中，化疗效果增强[9]。这一发现支持体外研究中提出的化疗损伤DNA和TTFields诱导的有丝分裂破坏具有协同效应。此外，该概念还被扩展到使用外部电极研究颅内肿瘤[7]。这种方法就是在3个方向(0°、45°和90°)放置多个磁场，结果显示小鼠颅内GBM肿瘤生长减少53%[11]。

四、TTFields治疗胶质母细胞瘤的临床研究现状

体内动物模型实验研究使TTFields技术日趋成熟，促使人们进行前瞻性的临床试验，来检验这种疗法的实际效果。遗憾的是，最初3期临床试验的结果没有达到预期临床前研究效果。这项试验范围有限，仅选择复发性GBM患者进行TTFields治疗。患者群存在显著的异质性，许多患者是第3次复发，且经多次化疗失败。而对照组是采用最好医生选择的最佳化疗方案进行治疗。结果显示，TTFields治疗患者的中位生存期为6.6个月，无进展生存期为2.2个月，对照组中位生存期为6.0个月，无进展生存期为2.1个月，二者比较差异无统计学意义。但TTFields治疗的不良反应非常轻微[12]。总之，这次试验就患者生存率和肿瘤进展而言，复发性GBM患者TTFields治疗没有明显劣于医生选择的最佳化疗，并且与最佳化疗比较，TTFields治疗具有较小的不良反应和较好的总体生活质量。

为了进一步探讨TTFields治疗GBM的有效性以及TTFields与化疗联合使用的效果，研究人员进行了另外一项临床试验，该试验选取新诊断的GBM患者，TTFields治疗组患者接受TTFields和替莫唑胺治疗，而对照组仅接受替莫唑胺治疗。所有患者在随机分组前均接受放疗和TMZ治疗。两组间的手术总切除率和次全切除率分布具有可比性。试验的初步分析结果显示，TTFields治疗组无进展生存率和总体生存率显著提高，而且随机接受TTFields治疗的患者没有出现任何其他明显的毒性不良反应，患者耐受性良好[13～15]。这项研究的最终分析于2017年12月发布，并指出TTFields治疗患者的中位无进展生存期(PFS)为6.3个月，而对照组仅为4个月[16]。虽然这表明TTFields治疗的患者改善了PFS，但值得注意的是，对照组4个月的PFS，比其他研究中TMZ/放疗治疗的患者报告的6.9个月的PFS要低很多[17]。最后，TTFields治疗患者的中位生存期为20.9个月，而对照组为16.0个月。这些结果已经在Mrugala等[18]的患者登记数据库中得到证实。但该试验和患者登记数据集的一个显著的局限性是缺乏真正的安慰剂对照。如果这项随机临床试验能够通过应用非功能装置来控制患者的非TTFields治疗效果的话，可能更能说明TTFields的优点。另外，也有专家认为这项试验的患者和研究者都没有按照双盲原则进行分组，而且所选择的新诊断GBM患者年龄较轻，都是具有MGMT启动子甲基化的幕上肿瘤，并且具有较高的初始Karnofsky评分和初始放化疗后疾病无进展，因此应该慎重解释TTFields的治疗效果[19]。2020年韩国开展的一项研究表明，TTFields联合TMZ对新诊断的GBM患者安全有效[20]。而且TTFields可以干扰最近新发现的胶质瘤网络[21]。

五、TTFields治疗GBM的局限性

作为一种新技术，TTFields在使用上存在一系列特有的局限性：(1)为了提高治疗效果，传感器垫必须直接贴在皮肤上。这就要求患者必须剃光头，使治疗垫接触头皮。并使用导电性水凝胶涂抹衬垫，通常每3～4天更换1次。当放上衬垫时，患者必须保持其干燥，这可能影响患者洗澡和活动。(2)患者一旦应用TTFields进行治疗，则需要每天至少佩戴TTFields设备18h才能取得较好效果，为此，患者必须携带便携式电池组，为传感器提供能量。虽然患者可以自由行走，但必须能够每隔几个小时更换1次设备电池。每台设备都有自己的充电站和电池组。因此，患者必须愿意接受传感器垫的限制，愿意每隔几个小时更换1次设备电池，并保持剃头。尽管目前TTFields的使用量在增加，但新诊断的或复发的GBM患者使用TTFields的比例仍然很低[22]。(3)治疗中最显著的不良反应是传感器黏合剂对皮肤刺激引起的皮炎，但这些病变通常对局部类固醇激素反应灵敏，而且通过使用纱布保护易受刺激的区域并培训护理人员护理设备和头皮，可以降低这些损伤的风险。(4)TTFields治疗GBM最大的局限性是由于患者感觉佩戴设备带来的不便而不愿开始这种治疗。尽管最初的临床试验报告患者的依从性良好，但这可能是由于愿意参与临床试验的患者积极性相对较高而形成片面观点。(5)目前这种治疗方法尚未在置入电子设备和颅骨缺陷患者身上进行测试，也没有测试TTFields对怀孕的影响，而且TTFields对正常胶质细胞、神经元的影响以及对记忆、学习和其他认知功能的影响尚不明确。(6)目前TTFields治疗GBM的费用较高，但我国已经启动了肿瘤电场治疗系统国产化自主研发的进程，这意味着国产的电场治疗有望开展临床试验，并进一步进入临床实践。

六、展 望

TTFields在癌症治疗领域取得了令人瞩目的成就。TTFields可与化疗、放疗、核分裂检查点抑制剂、分子靶向药物、PD-1/PD-L1抑制剂、Ca2+通道拮抗剂、自噬抑制剂等治疗方法相结合，可进一步提高其治疗效果[22]。尽管目前TTFields仍存在诸多缺陷，但由于胶质母细胞瘤患者预后差，而TTFields具有良好的临床疗效和较低的毒性不良反应，还是应该全面权衡这项技术的临床应用。相信在未来几年中，这种临床疗效好、不良反应小、成本效益较高的TTFields必将在新诊断和复发性GBM治疗中占有重要的市场份额。