肿瘤治疗电场及其在胶质瘤治疗中的研究进展

肖友朝，任星光 综述 段虎斌 审校

山西医科大学第一附属医院神经外科，山西 太原 030000

胶质瘤是神经外科常见的肿瘤，具有易扩散、易侵袭、易复发和高致残致死的特点，尽管近些年来，对胶质瘤的发生发展的认识有极大的提高，有新的技术及方法应用于胶质瘤的临床诊治，但胶质瘤患者的预后结局仍然不是十分理想。肿瘤治疗电场(tumor treating fields，TTF)是胶质瘤的新型治疗措施，被纳入最新的中国胶质瘤诊疗规范，TTF可作为除手术治疗、放射治疗和化学药物治疗之外的治疗方式，用来改善胶质瘤患者的预后。因此本文就胶质瘤治疗现状及其局限性、TTF作用机制、TTF治疗胶质瘤的研究进展等方面进行综述。

1 胶质瘤的概述及治疗现状

胶质瘤是脑内最常见的实质性肿瘤，大多为恶性，起源于胶质细胞，占颅脑肿瘤的50%左右[1]。2018年肿瘤数据指出：全球年新发296 851例脑肿瘤，241 037人因脑肿瘤死亡[2]。胶质瘤具有明显的异质性，Ⅰ～Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ～Ⅳ级为高级别胶质瘤。高级别胶质瘤在各个年龄均可发生，但50～60岁是发病率最高的年龄阶段，高级别胶质瘤年发病率为(3～5)/10万[3]。胶质瘤具有易扩增、易侵袭、易术后复发和易致残致死等特点，脑胶质瘤5年致死率位于全身肿瘤前列(第3位)，次于胰腺癌和肺癌[4]。

胶质瘤的主要治疗为手术治疗、化学药物治疗及放射治疗。切除手术要求最大范围安全切除肿瘤,以缓解临床症状和延长生存期，获得肿瘤标本用以明确病理学诊断和分子遗传学诊断。一些新型辅助手术技术[5]的运用有利于肿瘤边界确定，提高切除程度以及重要功能的保护。低级别脑胶质瘤的术后放疗尚未达成共识，治疗策略可据预后风险的高低制订。高级别胶质瘤的放射治疗可使术后患者受益，放疗开始时间可影响生存时间[6]，建议术后尽早(术后0.5～1.5个月)开始放疗。放射治疗照射的总剂量推荐54～60 Gy，对于瘤体较大和(或)位于重要功能区及Ⅲ级间变性胶质瘤,可适当降低总剂量[7]。但放射治疗可引起急性(小于6周)、亚急性(6周～6个月)和慢性(6个月以上)的放射性脑损伤。急性和亚急性放射性脑损伤一般在数周内恢复，糖皮质激素类药物治疗可改善损害情况；急性损伤可有颅内压升高表现、恶心、呕吐、头痛和嗜睡等，偶有在MRI上显示弥漫性水肿；亚急性放射性脑损伤表现为嗜睡和疲劳。晚期放射反应常常是进行性和不可逆的；放射性坏死是放射治疗晚期导致的严重脑损伤，发生率为3%～24%，出现高峰是放射后3年。放疗的总剂量和分割剂量影响白质脑病的发生率，合理规划照射总剂量、合适的靶区体积选择等方式可减少放射性脑损伤的发生率[8]。药物治疗主要采用化学药物，化疗是通过化学药物杀灭肿瘤细胞,化疗可以提高脑胶质瘤患者的无进展生存期和总体生存期[9]，治疗脑胶质瘤的常规药物有替莫唑胺和贝伐单抗，其中替莫唑胺可跨越血脑屏障[10]。低级别脑胶质瘤的化疗也未达成一致意见。高级别脑胶质瘤药物治疗方面，在2005年确立了以TMZ同步放疗为基础的Stupp方案，并成为胶质母细胞瘤(GBM)的标准治疗模式。

尽管过去的几十年里在诊断和治疗方面取得了明显的进步，却依旧缺乏有效靶分子治疗方案[11]，以及医护一体护理模式的应用可提高胶质瘤患者术后生存质量并降低术后并发症的发生率[12]，但胶质瘤患者的临床预后仍然不理想，胶质母细胞瘤患者的中位生存期仅约14个月[13]，寻找有效的治疗方案是胶质瘤诊疗的必然趋势。TTF作为新颖、安全的脑胶质瘤治疗手段，首先于国外临床中应用，2011年和2015年FDA分别批准TTF用于复发GBM和新诊断GBM的患者治疗，并且201 7年版美国国立综合癌症网络(NCCN)指南[14]将Stupp方案联合TTF作为新诊断GBM的术后治疗推荐(I类证据)。2019年3月发布的中国脑胶质瘤诊疗规范中较以往相应指南首次将TTF写入诊疗方案中[4]，TTF成为除手术切除和放化疗之外的胶质瘤治疗方式，并将在脑胶质瘤的治疗中发挥重要作用。

2 TTF的作用机制

医学中使用的电场包括直流电场以及交流电场，而TTF是一种中间频率(10～1 000 kHz)的交流电场。交流电场的频率及强度可决定其生物学作用，低频率(小于10 kHz)及高频率(高于1 000 kHz)交变电场被发现有相应的医学应用[15]，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，低频电场促进骨骼生长及骨折的愈合；高频交流电场可导致组织加热和细胞膜破裂，在透热或消融技术中得到应用。中频交流电在过去被普遍认为不具有显著的生物学效应[16]，但KIRSON等[17]在2004年肿瘤细胞与黑色素瘤动物模型与电场的一项研究中，提示中频电场具有肿瘤细胞生长抑制作用，并被称为TTF。

细胞的有丝分裂需要胞内物质在不均匀电场作用下发生移动，遗传物质向细胞两极运动，TTF可减弱该种运动是其具有抑制肿瘤生长作用的基础。细胞包含离子和极性带电分子，例如蛋白质和遗传物质DNA等。非分裂细胞中的电场往往是均匀强度电场，电场力不引起离子及极性带电分子的运动或仅引起轻微运动，表现形式为在均匀电场中离子倾向于自由流动，极性带电分子调整电轴，使极性分子电轴与电场线方向同向，而非运动[18]。分裂细胞中的电场为非均匀电场，可引起极性带电分子朝向更高场强方向移动，不均匀电场引起极性分子向更高场强移动的过程称为“介电电泳”[19]，例如遗传物质在分裂中期向细胞两极的运动。但在TTF作用为外加电场时，由于TTF频率足够高，极性带电分子向细胞两极的运动强度减弱，致使分裂中期的遗传物质不能成功向细胞两极运动，阻碍细胞分裂过程，因此TTF对有丝分裂旺盛的肿瘤细胞具有明显的作用，导致细胞凋亡，而对正常的组织细胞作用不明显[17]。有研究也表明TTF对肿瘤细胞的抑制作用也可能与其他机制有关：(1)TTF通过扰乱纺锤体微管蛋白排列和干扰胞质分裂来阻止有丝分裂并导致细胞死亡[20]；(2)TTF可干扰特殊蛋白来导致细胞膜破裂并阻止有丝分裂，特殊蛋白包括有丝分裂蛋白2、6、7[21]，处于TTF中的肿瘤细胞在有丝分裂的中期及后期时，存在细胞不可逆的细胞膜破裂，导致细胞的有丝分裂停止并死亡。

3 TTF的基础实验研究进展

3.1 体外实验方面 2004年KIRSON等[17]首次发现低强度、中等频率的电场能够对体外培养的肿瘤细胞增殖产生抑制作用，并且该种抑制作用在电场处理后可持续72 h，电场处理后肿瘤细胞的显微镜分析显示有丝分裂纺锤体的解聚/再聚合受损，导致非典型有丝分裂和细胞破坏。GILADI等[22]证明，使用TTF治疗胰腺肿瘤，肿瘤的总体大小无增加，这与有丝分裂周期的中断和渗透停滞必需的细胞骨架元素的潜在失调有关；更重要的是，他们发现TTF治疗的胰腺癌细胞比未治疗的胰腺癌细胞克隆性更低，这反映了TTF处理后的肿瘤细胞无法产生新的克隆谱系，可能是由于非整倍体分裂与进一步的有丝分裂不相容造成的。这些发现进一步得到了Giladi的支持，论证了TTF对微管失调形成纺锤体装置的破坏作用[23]。治疗电场处理后的肿瘤细胞更容易受脱氧核糖聚合酶抑制剂和离子电离辐射的影响[24]。将TTF与常规化疗(紫杉醇、阿霉素、环磷酰胺)联合应用，建立剂量-反应曲线，随着药物浓度的增加，细胞增殖能力下降，TTF联合化疗使剂量-反应曲线向左平移，说明较低剂量的化疗药物在存在TTF的情况下能够达到高剂量化疗药物相同的生长抑制作用[25]。TTF的应用并不影响外周血中T细胞和胶质瘤浸润的T细胞发挥免疫功能，这为生物免疫治疗联合TTF治疗胶质瘤提供参考[26]。

3.2 体内实验方面 KIRSON等[17]同样首次将TTF应用于活体模型并探究其作为治疗方法的可能性，在接种有黑色素瘤小鼠模型中发现TTF可使肿瘤大小减少47%(P=0.001)。随后TTF扩展应用于肺癌、胰腺癌及脑部肿瘤的动物模型实验研究[18,23-24,27]。在一项患有黑色素瘤转移至肺部的兔子实验中，TTF可延长生存期，中位生存期由对照组的57 d延长到TTF组的75 d[28]。另一项荷瘤兔在体的研究中，紫杉醇组抑制肿瘤生长的有效率为15%，TTF组为53%，紫杉醇及TTF联合组为69%，有效率差异具有统计学意义，证明TTF对药物抑制肿瘤生长存在增敏效应[25]。在一项TTF与多重耐药肿瘤的实验表明，TTF可降低肿瘤耐药性，但并不是通过改变药物转运过程，而是通过对肿瘤细胞骨架、微管及线粒体的破坏作用来实现[29]。

4 TTF的临床研究进展

4.1 已完成的临床研究 2009年NOVOCURE的一项名为EF-14临床实验中，采用TTF联合化学药物治疗新诊断胶质瘤患者，对照组单纯采用化疗方案，实验组为TTF联合化学药物治疗，患者入组前均已行手术治疗，且两分组之间全切与次全切情况无异质性，初步结果表明实验组提高无进展生存期(HR 0.62，98.7%CI 0.43～0.89，P=0.001)和总体生存期(HR0.74，CI 0.56～0.98，P=0.03)[30]。另外，TTF治疗组并没有表现出明显的细胞毒性以及该种治疗是可耐受的[31-32]。该实验最终的结果表明，TTF联合组与单组使用替莫唑胺组相比，无进展生存期分别为6.3个月和4.0个月，中位中体生存期为20.9个月和16.0个月(P=0.001)[33]。EF-14实验证明TTF可以增强化疗药物的治疗效果。

在一项针对复发性胶质瘤的临床3期EF-11(n=120)实验中[30]，实验对象均为胶质母细胞瘤复发者，有些患者是第三次复发。实验组采用TTF治疗，对照组采用最适合患者的化学治疗方案，实验结果显示对照组中位生存期6.0个月，TTF组中位生存期为6.6个月(P=0.27)；对照组与实验组的疾病无进展期分别为2.1个月和2.2个月(P=0.13)。EF-11实验还显示TTF治疗副作用小及存在的不适主要是由电极片接触皮肤所致的过敏反应。综合上述，EF-11结果显示TTF与化学药物相比，在复发胶质母细胞瘤患者中具有同等治疗效果，但TTF所致的副作用却更小。

在具有非甲基化MGMT启动子的胶质瘤患者中，替莫唑胺因其耐药而不被认为是最优治疗选择[4]。CLARK等[33]最近的一项研究有效地证明了TTF在甲基化和非甲基化肿瘤细胞中的效用。因此，对于MGMT启动子未甲基化的患者，放疗后应用TTF应该是有效的，但值得注意的是，肿瘤细胞可能对TTF产生一定的耐受性或抵抗性。

4.2 正在进行的临床实验 以“tumor treating field”“glioblastoma”等为关键词，截止2020年6月20日在国际临床试验网(ClinicalTrials.Gov)数据库可查询到已登记的实验共有29项，其中18项是研究TTF治疗胶质瘤的实验，1项还未开始招募患者，11项处于正在招募实验对象阶段，2项正在进行，3项已经完成，1项撤销。在15项尚未结束的实验研究中，6项研究主要涉及放化疗与TTF在胶质瘤中的疗效对比分析，2项关于TTF在胶质瘤患者中的临床护理及生活质量分析，1项为TTF治疗胶质瘤患者后的影像学反应的研究，同样还有值得关注的3项实验，这3项实验研究免疫治疗药物贝伐单抗联合TTF治疗胶质瘤的有效性分析。贝伐单抗作为胶质瘤的可备选方案[34]，如若实验结果可达预期结果，将扩宽贝伐单抗的适用范围，提高对胶质瘤患者的治疗有效性。

5 TTF治疗胶质瘤的局限性

TTF对胶质瘤有明确的治疗效果，但仍存在局限性以及需要完善的方面：(1)目前相关研究推荐治疗时间每天不少于18 h，更有利于提高临床疗效，但每日治疗时间过于长将影响患者治疗顺从性；并且患者需要长时间携带设备，TTF发生设备的体积质量及便携性成为需要解决的问题。(2)目前TTF治疗的开展需要患者剃光头发，势必造成部分尤其是女性患者的心理负担，需要进一步对相应接触部件优化，以期减少备皮面积。(3)2016版中枢神经系统肿瘤分类将病理学特征和分子生物学特性共同纳入分类标准[35]，后续研究应明确具有特定分子生物学的肿瘤患者是否具有更高的敏感性和有效性，从而实现以分子特征为基础的精准医疗。(4)目前表明TTF联合化疗与单独化疗相比，并不增加头痛、焦虑、抑郁、意识障碍、癫痫等副作用发生率，皮肤过敏发生率有所上升，可使用相应皮肤软膏减轻过敏症状；但电子置入物(脑起搏器、心脏起搏器)的患者使用TTF设备的安全性仍无相应临床实验报告，这些患者的使用依旧需要保持谨慎态度。(5)目前TTF临床研究对象主要是成年患者，相关治疗参数也是针对成人所设定，未有针对儿童患者进行单独的相关实验，因此TTF的强度、频率以及每天TTF的治疗时长在儿童患者是否需要调整？(6)电场治疗效果与电场方向有关，双方向电场及三方向电场均比单方向电场抑制肿瘤效果好，电场强度在颅内的分布受电阻影响[36]，因此对于提高不同位置的肿瘤的治疗效果，仍需利用磁共振成像(MRI)数据建立头颅模型以更好地设计电场，提高肿瘤位置电场强度，达到更佳治疗效果。

6 展望

目前微创手术[37]的应用可提高胶质瘤患者的预后，以基因和蛋白分子[38]为靶标的治疗方式也显示出巨大的前景，但胶质瘤的分子靶向治疗和生物免疫治疗均处于临床实验阶段，并且由于胶质瘤恶性程度高，具有易复发、病死率高等特点，至今尚无令人满意的治疗方案。而TTF作为区别于传统治疗的一种新颖治疗方式，可弥补当前胶质瘤治疗方案的不足。

广泛的基础研究表明，TTF通过干扰阻断肿瘤细胞的有丝分裂来导致肿瘤细胞死亡；临床研究结果显示，胶质瘤术后患者TTF治疗组与胶质瘤术后患者传统放化疗组相比，TTF组可提高无进展生存期和总体生存期，并且显示出更小的细胞毒性和不良反应，这尤其为临床上不耐受放化疗的胶质瘤患者提供可靠的辅助治疗方式。中国胶质瘤诊疗规范将TTF纳入胶质瘤的可行治疗方案将会极大推动TTF在临床中的应用，因此，TTF对于提高胶质瘤患者的治疗水平具有深远的意义，同时，TTF在胶质瘤上令人鼓舞的研究结果，也可为TTF在治疗其他实体肿瘤上提供极具重要意义的参考。