腫瘤電場治療原理及療效影響因素研究進(jìn)展

綜述 審校

惡性腫瘤發(fā)病率近年來逐年增高，并且具有進(jìn)展快、易播散、五年生存率低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅人類健康和制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的公共衛(wèi)生問題［1］。近年來免疫、靶向治療和人工智能的快速發(fā)展催生了研究成果的臨床轉(zhuǎn)化。新型靶向藥物如表皮生長因子受體抑制劑［2］、靶向癌基因信號(hào)通路的小分子抑制劑如酪氨酸激酶抑制劑、免疫檢查點(diǎn)抑制劑如程序性死亡分子1（programmed death 1，PD-1）抑制劑［3］和嵌合抗原受體T細(xì)胞治療等層出不窮［4］。雖然部分腫瘤患者已經(jīng)可以治愈，但難治性和復(fù)發(fā)性腫瘤的治療仍然具有挑戰(zhàn)性。

2011年，以色列Novocure 公司推出一種新型腫瘤治療方法，稱為腫瘤電場治療（tumor-treating fields，TTFields），在腫瘤的局部解剖區(qū)域放置非侵入式電極貼片，產(chǎn)生低強(qiáng)度（1～3 V/cm）和中等頻率（100～300 kH）的交變電場［5］。該系統(tǒng)是一種便捷、可佩戴，并對(duì)患者一般日?；顒?dòng)無影響的新型腫瘤治療設(shè)備。通過絕緣電極片施加交變電場，阻止腫瘤細(xì)胞紡錘體微管的形成及細(xì)胞分裂期胞內(nèi)細(xì)胞器的分離，誘導(dǎo)分裂期的細(xì)胞凋亡，具有安全、副作用小等優(yōu)點(diǎn)，并且具有治療多種惡性腫瘤的潛力［6-7］。根據(jù)研究報(bào)道，TTFields 在膠質(zhì)瘤、乳腺癌、肺癌、胰腺癌和卵巢癌等腫瘤治療中均表現(xiàn)出一定的有效性［8］。此外，TTFields 除了對(duì)全身原發(fā)腫瘤治療有效外，對(duì)轉(zhuǎn)移性腫瘤也存在一定的抑制及治療作用，可延長腫瘤患者的無進(jìn)展生存期（progression-free survival，PFS）和總生存期（overall survival，OS）［9］。本文綜述了TTFields的直接和間接作用機(jī)制，并著重介紹影響TTFields效果的相關(guān)因素，包括作用頻率、強(qiáng)度、時(shí)間等，為臨床進(jìn)一步應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 腫瘤電場治療的作用機(jī)制

TTFields是一種全新的腫瘤治療技術(shù)，是通過低強(qiáng)度、中頻的交流電場作用于細(xì)胞的微管蛋白，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡并抑制腫瘤生長，達(dá)到抗腫瘤治療的目的，具有效果明顯、毒副作用小的優(yōu)勢［10］。癌細(xì)胞分裂中還有很多核心蛋白，包括隔膜蛋白（septins），帶極性且會(huì)受到電場影響。另一個(gè)直接作用的機(jī)制也是通過電場力作用于癌細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)及微小的帶電粒子（例如帶極性的septins），誘導(dǎo)分裂期細(xì)胞的凋亡。間接作用機(jī)制包括抑制腫瘤細(xì)胞的遷移、侵襲和血管的生成，影響腫瘤免疫微環(huán)境、腫瘤細(xì)胞膜的通透性和抑制DNA修復(fù)等［11］。

1.1 干擾微管蛋白形成

微管蛋白是構(gòu)成微管的“磚塊”，微管則是細(xì)胞的骨架，主要分布在核周圍，參與細(xì)胞生命活動(dòng)的各個(gè)階段，不斷地分解與重新構(gòu)建［12］。微管蛋白二聚體是高極性偶極子，偶極子是指分子內(nèi)正電荷和負(fù)電荷的分離，通常沿著施加TTFields的電場方向而平行排列，因此受到電場的強(qiáng)烈影響［13］。所以，若在有絲分裂過程中施加電場干預(yù)，可以在細(xì)胞分裂中期和后期阻礙α-微管蛋白的合成，并擾亂、阻斷微管形成，導(dǎo)致微管蛋白不能在中間軸上形成紡錘體，干擾細(xì)胞胞質(zhì)分裂來阻止有絲分裂，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡［14］。TTFields 的上述效果最終導(dǎo)致依賴性和非依賴性的胱天蛋白酶與細(xì)胞凋亡，并且還增加了免疫原性細(xì)胞死亡標(biāo)志物的表達(dá)，從而達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖的目的［15］。

微管蛋白活性抑制劑的作用機(jī)制是抑制細(xì)胞分裂，包括紫杉烷類與長春花屬生物堿類化療藥物，前者阻止微管的分解，后者阻止微管的構(gòu)建［16］。細(xì)胞有絲分裂越旺盛，細(xì)胞內(nèi)微管的分解與構(gòu)建也越頻繁，受上述兩類化療藥物的影響也越大［17］。研究表明TTFields通過施加100～300 kHz中等頻率的電場，改變腫瘤細(xì)胞胞內(nèi)的高度極性結(jié)構(gòu)，但對(duì)正常細(xì)胞尚未損傷［18］。

1.2 干擾隔膜蛋白的定位

隔膜蛋白是具有鳥苷三酸（Gtpase）活性的保守蛋白家族，參與胞質(zhì)分裂、胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞凋亡等一系列重要生理功能。最近，Gera等［19］研究了TTFields 對(duì)關(guān)鍵有絲分裂蛋白的影響，并且發(fā)現(xiàn)septin功能的變異在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的潛在作用。有研究表明，TTFields 還可能干擾隔膜蛋白的定位。TTFields 通過影響關(guān)鍵蛋白質(zhì)來影響細(xì)胞的生理，而蛋白質(zhì)又具有高度的偶極矩，因此，對(duì)腫瘤細(xì)胞有絲分裂至關(guān)重要［20］。從前中期至中期之間，紡錘體組裝檢查點(diǎn)（spindle-assembly checkpoint，SAC）抑制纏繞的染色體向兩級(jí)分離，直至染色體著絲點(diǎn)精確定位于紡錘體的赤道中線，進(jìn)而維持分裂中期的cyclin B等重要蛋白，泛素連接酶（anaphase-promoting complex or cyclosome，APC/C）使分裂酶抑制蛋白降解失活，進(jìn)入后期的紡錘體迅速組裝，兩個(gè)亞子細(xì)胞之間出現(xiàn)縮窄間隙，因此促進(jìn)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)卵裂溝的形成。后期紡錘體包含重要蛋白，其目的是激活胞裂蛋白Septin2、Septin6、Septin7 復(fù)合物（異三聚體），該異三聚體對(duì)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)卵裂溝形成過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和細(xì)胞有效分離具有關(guān)鍵的作用［19］。

紫杉醇等化療藥物的作用機(jī)制在于阻滯紡錘體組裝檢查點(diǎn)，而TTFields 作用的時(shí)機(jī)和靶點(diǎn)與其不同。TTFields未破壞細(xì)胞周期中期的進(jìn)程。細(xì)胞出現(xiàn)紊亂主要處于細(xì)胞周期的中期末和后期初之間［19］，作用的靶點(diǎn)是Septin2、Septin6、Septin7復(fù)合物。在細(xì)胞周期分裂的進(jìn)程中，合成的蛋白質(zhì)帶有正負(fù)電荷，從而形成一個(gè)距離很近且電量相等的復(fù)合體，稱為“電偶”。電偶極矩高低是由蛋白質(zhì)的電荷量和正負(fù)電荷間的距離所決定，如果其電偶極矩高則易受電場作用的干擾，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。α，β-亞單位是高電偶極矩的物質(zhì)（1660 D），參與微管形成，可使微管紡錘體發(fā)生紊亂，進(jìn)而出現(xiàn)細(xì)胞多核化，最終導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生凋亡［21］。異三聚體具有高電偶極矩（2 711 D），隔膜蛋白定位于紡錘體受到障礙，卵裂溝形成的過程受到干擾，不能抵抗卵裂溝的流體靜壓，從而使膜起泡和破裂。細(xì)胞破裂后表現(xiàn)出異常的細(xì)胞核和過激現(xiàn)象，并產(chǎn)生免疫原性細(xì)胞凋亡的標(biāo)志物［19］。

1.3 介電電泳的形成

TTFields作用于處于胞質(zhì)分裂間期的細(xì)胞，該時(shí)期的細(xì)胞形成特有的形態(tài)，類似沙漏形狀，形成的電場力在細(xì)胞內(nèi)分布不均勻，細(xì)胞溝中電場的密度極高。這種不均勻的電場對(duì)細(xì)胞核大分子施加強(qiáng)大的電場作用力，使其趨向于分裂溝，這一過程稱為介電電泳［22］。介電電泳抑制細(xì)胞分裂，主要在有絲分裂中后期，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)紊亂并促進(jìn)細(xì)胞凋亡［23］。細(xì)胞免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)，TTFields干預(yù)后的細(xì)胞中存在滯后染色體，并且染色體異常分散、凝固以及出現(xiàn)染色體不對(duì)稱分離等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的膜起泡，引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞［24］。

1.4 抑制腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲

在惡性黑色素瘤小鼠模型中，TTFields組肺部轉(zhuǎn)移瘤數(shù)目明顯減少，且出現(xiàn)具有保護(hù)作用的免疫細(xì)胞浸潤現(xiàn)象，而且其生存期延長，這種現(xiàn)象表明TTFields 可能具有抑制腫瘤侵襲遷移的作用［25］。另一項(xiàng)研究證明TTFields可抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的遷移，在侵襲遷移相關(guān)通路中發(fā)揮重要作用，如絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）和核因子-κB（NF-κB）［26］。TTFields 還會(huì)影響微管動(dòng)力學(xué)，尤其是相關(guān)的細(xì)胞侵襲及遷移。TTFields通過抑制微管形成，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的活動(dòng)度、侵襲及遷移能力降低［26］。Pavesi等［27］研發(fā)的三維（three-dimensional，3D）微流體培養(yǎng)平臺(tái)，從3D 角度觀察到TTFields 對(duì)腫瘤細(xì)胞遷移的抑制作用，為后期闡述更具體的侵襲和遷移作用提供技術(shù)平臺(tái)。

1.5 抑制血管生成

TTFields使黑色素瘤的血供中斷，導(dǎo)致腫瘤完全消退。將17 只黑色素瘤小鼠置于電場下，可以激發(fā)腫瘤凋亡和細(xì)胞壞死，觀察4個(gè)月后小鼠未出現(xiàn)復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該腫瘤細(xì)胞凋亡的主要作用機(jī)制是，實(shí)驗(yàn)組的微血管密度與對(duì)照組相比降低了93%，很大程度上減少了腫瘤組織的血供，而且此方法高效，無不良反應(yīng)，僅遺留輕微瘢痕［28］。

1.6 激活免疫微環(huán)境

免疫系統(tǒng)的激活是TTFields 的另一個(gè)重要的機(jī)制。大量的臨床前試驗(yàn)證明TTFields 能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的免疫原性死亡，聯(lián)合抗PD-1治療可增強(qiáng)這種效應(yīng)［8］。這種協(xié)同作用是通過腫瘤細(xì)胞表面鈣網(wǎng)蛋白的表達(dá)和HMGB1 中分泌信號(hào)進(jìn)入腫瘤微環(huán)境而介導(dǎo)的［20］。支持免疫激活的證據(jù)表明，將兔腎細(xì)胞（VX-2）植入包膜，并將TTFields應(yīng)用于腎臟，這些動(dòng)物的肺轉(zhuǎn)移的數(shù)量減少［17］，這種現(xiàn)象類似于已知的電離輻射的遠(yuǎn)端效應(yīng)［29］。

1.7 增加細(xì)胞膜滲透

TTFields 的應(yīng)用也增加了腫瘤細(xì)胞的膜通透性。生物熒光成像顯示，TTFields 處理膠質(zhì)瘤細(xì)胞（U87）6 h后可增加其對(duì)5-氨基乙酰丙酸和螢火蟲熒光素酶的融合蛋白的吸收。掃描電鏡也顯示了膜孔的數(shù)量和大小的增加。誘導(dǎo)的膜孔增大是有上限的，只允許最大分子量為40 kDa 的蛋白質(zhì)的擴(kuò)散。該過程在TTFields 終止后24 h 內(nèi)也是可逆的［30］。研究還發(fā)現(xiàn)TTFields可增加膠質(zhì)瘤細(xì)胞的膜通透性，這一機(jī)制有助于解釋TTFields 與化療藥之間的協(xié)同作用［30］。

1.8 抑制DNA的修復(fù)

盡管TTFields主要影響細(xì)胞質(zhì)蛋白，但也會(huì)影響細(xì)胞的基因組完整性［31］。這可能由于在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間來回穿梭的調(diào)節(jié)蛋白被破壞。事實(shí)上，在一系列非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系中，由于BRCA1 信號(hào)的下調(diào)，TTfields 導(dǎo)致DNA 雙鏈斷裂修復(fù)減少，其中一些細(xì)胞系（H157 和H4006）比其他細(xì)胞系（A549、H1650 和H1299）更敏感［32］。基因表達(dá)分析顯示TTFields 作用下有絲分裂重要調(diào)控因子和復(fù)制應(yīng)激基因的表達(dá)減少［31］。當(dāng)TTFields 和電離輻射同時(shí)作用于膠質(zhì)瘤細(xì)胞系（U118和LN18）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致DNA損傷修復(fù)延遲［33］。

2 影響腫瘤電場治療效果的因素

TTFields的試驗(yàn)表明，中頻交變電場誘導(dǎo)分裂的腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生變化，與電場頻率、強(qiáng)度、作用時(shí)間和交變電場的方向以及治療對(duì)象的解剖結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。

2.1 TTFields的效果與頻率

不同頻率的交流電場具有不同的生物學(xué)效用，當(dāng)使用特殊的低強(qiáng)度（1～3 V/cm）和中頻（100～300 kH）電場，腫瘤細(xì)胞在有絲分裂過程中被破壞，不同的癌細(xì)胞系需調(diào)節(jié)為其特定的頻率，而靜止的細(xì)胞不受影響。TTFields治療大鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞（F98）干預(yù)時(shí)間6 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示TTFields 組的核磁共振圖像所測量治療組腫瘤的大小，其最大直徑大約僅為對(duì)照組的1/2。TTFields 治療皮下惡性黑色素瘤的小鼠實(shí)驗(yàn)，采用不同頻率干預(yù)，治療時(shí)間為3～6 d。研究發(fā)現(xiàn)頻率在100 kH左右，其生長抑制作用最強(qiáng)，接受TTFields 的小鼠皮下腫瘤大小為對(duì)照組的62.7%，病理切片顯示小鼠皮下炎癥反應(yīng)，并有大量凋亡壞死的腫瘤細(xì)胞。雖然體內(nèi)的頻率依賴實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但表現(xiàn)出達(dá)到最大腫瘤抑制率時(shí)所需的最佳頻率［18］。

2.2 TTFields的效果與場強(qiáng)

研究表明，在一定區(qū)間內(nèi)隨著電場強(qiáng)度增加，對(duì)腫瘤細(xì)胞抑制效應(yīng)也逐步加強(qiáng)，具有強(qiáng)度依賴效應(yīng)［18］。為了達(dá)到最佳療效，通常需對(duì)電場作用強(qiáng)度進(jìn)行量化。首先對(duì)患者進(jìn)行頭部磁共振掃描，再應(yīng)用軟件對(duì)頭部的頭皮、腦膜和顱骨等重要組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表示不同組織。每個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的組織有對(duì)應(yīng)的參數(shù)，然后利用Maxwell 方程計(jì)算不同組織部位的相互作用，這樣就可以得到不同組合排列下對(duì)應(yīng)的腦內(nèi)強(qiáng)度，選擇最佳的排列方式，使TTFields 治療效果達(dá)到最大化［34］。同時(shí)，通過對(duì)TTFields電場強(qiáng)度進(jìn)行量化，將每個(gè)個(gè)體分析得到的電場強(qiáng)度作為變量，用適當(dāng)?shù)哪Ｐ驮u(píng)估TTFields治療的效果。目前還需對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床驗(yàn)證，以進(jìn)一步更好指導(dǎo)TTFields的臨床應(yīng)用。

2.3 TTFields的效果與作用時(shí)間

采用TTFields 作用于4種常見的腫瘤細(xì)胞，以細(xì)胞相對(duì)數(shù)和絕對(duì)數(shù)為實(shí)驗(yàn)的觀察指標(biāo)，間隔24 h 觀察一次，隨著作用時(shí)間的延長，未作用的對(duì)照組細(xì)胞數(shù)量每24 h增加一倍，然而實(shí)驗(yàn)組在暴露期間，細(xì)胞數(shù)量驟減，增殖速率明顯減慢，并且在一定的時(shí)間內(nèi)，呈時(shí)間數(shù)量依賴效應(yīng)［18］。臨床前研究表明，TTFields 的抗有絲分裂作用與暴露時(shí)間（小時(shí)）之間密切相關(guān)。對(duì)EF-14 臨床試驗(yàn)的回顧性分析證實(shí)，OS隨著患者積極治療時(shí)間的減少而降低，這種有益的效果與MGMT 甲基化水平和年齡無關(guān)［35］。由于TTFields 的作用機(jī)制涉及紡錘體微管的斷裂，從而導(dǎo)致有絲分裂的突變，研究結(jié)果表明通過延長暴露于TTFields 的時(shí)間，慢分裂細(xì)胞可以受到與快分裂細(xì)胞相似程度的影響，隨著治療的繼續(xù)，細(xì)胞存活率和克隆形成率逐漸下降，治療時(shí)間的延長被證明能顯著提高治療效果［21］。

2.4 TTFields的效果與交變電場的方向

當(dāng)電場方向與細(xì)胞分裂軸平行時(shí)，TTFields的作用效果最強(qiáng)，但腫瘤細(xì)胞處于分裂周期時(shí)的極性是無規(guī)則的，所以在為患者治療時(shí)，施加不同方向的電場是有效增加療效的途徑。與此同時(shí)，當(dāng)電場方向與分裂軸線垂直時(shí)，TTFields作用的療效最差［36］。研究發(fā)現(xiàn)單方向的TTFields平均治療效果很小，而增加兩個(gè)方向時(shí)，實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組的腫瘤組織直徑減少約42.6%，三個(gè)方向時(shí)電極放置互相夾角在45°～90°，實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組腫瘤組織直徑減少53.4%，且該差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［18，36］。

2.5 TTFields的效果與解剖因素

TTFields用于治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，通過計(jì)算機(jī)模擬確定了TTFields 在患者顱內(nèi)的分布，使用T1W、T2 和MP-RAGE 圖像，以及預(yù)先指定大腦結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)值。研究發(fā)現(xiàn)接受該TTFields 治療的患者，大腦內(nèi)部的電場分布是不均勻的，高場強(qiáng)聚集在腦室附近，尤其是前額和枕骨大孔處。復(fù)發(fā)腫瘤遠(yuǎn)離原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，位于電場強(qiáng)度較低的部位。因此未來TTFields 治療的改進(jìn)方向需要考慮到因大腦內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致電場分布的不均勻性［37］。在一項(xiàng)TTFields 治療多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤研究報(bào)道中，通過靶向顱骨切除術(shù)能增強(qiáng)腫瘤組織內(nèi)的感應(yīng)電場。結(jié)果顯示，對(duì)于淺表腫瘤，切除標(biāo)準(zhǔn)的開顱骨瓣可使腫瘤的電場強(qiáng)度提高60%～70%，病理區(qū)域組織生長停滯值增加30%～50%，而不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害腦部的健康組織［34］。另一項(xiàng)研究報(bào)道，TTFields作用于多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的腫瘤周圍水腫時(shí)，腫瘤內(nèi)的平均電場強(qiáng)度降低，瘤周水腫≥6 mm時(shí)，電場降低52%；在特定患者模型中，瘤周水腫使腫瘤內(nèi)的電場強(qiáng)度平均降低26%。該結(jié)果表明瘤周水腫對(duì)電場分布的影響在空間上是不均勻的，在未來的TTField 治療計(jì)劃中應(yīng)考慮水腫的存在［23］。

3 小結(jié)

TTFields是一種新興的非侵入性腫瘤治療方法，通過對(duì)腫瘤細(xì)胞提供連續(xù)低強(qiáng)度中頻交變電場，達(dá)到破壞有絲分裂或選擇性快速殺死癌細(xì)胞的目的。相比于傳統(tǒng)的手術(shù)、放化療，TTFields 擁有許多新的特點(diǎn)和優(yōu)勢，比如僅在局部進(jìn)行，能最大限度地降低系統(tǒng)性不良反應(yīng)。目前已經(jīng)證實(shí)的TTFields 的直接作用機(jī)制包括干擾微管和隔膜蛋白的形成與定位，在治療過程介電電泳的形成，間接作用包括抑制腫瘤細(xì)胞的遷移、侵襲和腫瘤血管的生成，影響腫瘤免疫微環(huán)境、細(xì)胞膜的通透性和抑制DNA 修復(fù)等。同時(shí)影響腫瘤電場治療效果的相關(guān)因素，如電場頻率、強(qiáng)度、作用時(shí)間和交變電場的方向以及治療對(duì)象的解剖結(jié)構(gòu)等。在臨床上，TTFields 使腫瘤患者的PFS和OS有所提升，但在某些方面也存在不足，亟需進(jìn)一步研究以開拓更廣泛的應(yīng)用前景。在機(jī)制研究方面，TTFields 應(yīng)該進(jìn)一步挖掘具體的生物學(xué)分子機(jī)制，比如上下游信號(hào)通路的相互聯(lián)系和作用的具體靶點(diǎn)，以探明協(xié)同治療的作用機(jī)制。在設(shè)備研發(fā)方面，還需進(jìn)一步改進(jìn)，如需要局部備皮，穿戴要求較多，定期更換電極片等，還需解決攜帶不方便，費(fèi)用較昂貴等問題。在臨床應(yīng)用方面，期待TTFields可以應(yīng)用于全身轉(zhuǎn)移的腫瘤，而不局限于某一個(gè)區(qū)域內(nèi)腫瘤。相信未來TTFields 具有更廣闊的臨床應(yīng)用前景，為腫瘤患者帶來曙光。