腫瘤治療電場的微觀機制及臨床應(yīng)用進展

楊麗姝，劉麗珠，韓波

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腫瘤科，黑龍江哈爾濱150001

前言

腫瘤治療電場（Tumor Treating Fields,TTFields）是一種便攜式設(shè)備，利用非侵入式一次性傳感器陣列提供低強度、中頻、交變電場，對細胞施加物理力，干擾腫瘤細胞有絲分裂，抑制腫瘤生長，但對于靜止期細胞沒有作用。TTFields 由以色列理工學(xué)院Yoram Palti首倡，2004年以色列研究人員Kirson 等［1］發(fā)表首篇主體論文，報道TTFields對腫瘤細胞有絲分裂的干擾作用以及對小鼠體內(nèi)黑色素瘤的抑制作用；之后的多項體外、體內(nèi)和臨床研究則顯示了其良好的安全性和可靠的抗腫瘤作用［2‐6］。2007年TTFields 通過歐盟CE 認證；2011年美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批準NovoTTF‐100A 系統(tǒng)（產(chǎn)品Optune）用于治療復(fù)發(fā)膠質(zhì)母細胞瘤（Glioblastoma，GBM）［7］；2015年FDA 批準其用于治療新診斷GBM［8］；2019年FDA 批準NovoTTF‐100L 系統(tǒng)用于治療局部晚期或轉(zhuǎn)移性惡性胸膜間皮瘤（Malignant Pleural Mesothelioma，MPM），這是15年來FDA 批準的首款MPM 療法［9］。美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)［10］和我國腦膠質(zhì)瘤診療規(guī)范均推薦TTFields 用于GBM 的治療［11］。2020年5月，中國國家藥品監(jiān)督管理局批準TTFields 產(chǎn)品愛普盾上市，用于新診斷和復(fù)發(fā)GBM 的治療，這是15年來中國內(nèi)地首個獲批的GBM 療法。本研究將對TTFields 這一新的抗腫瘤治療方式的生物學(xué)原理進行綜述。

1 電生理學(xué)基礎(chǔ)

TTFields不是直接使用電流治療腫瘤，而是使用電場。電場由電荷產(chǎn)生，場強方向從正電荷指向負電荷，而處于電場中的電荷也會受到電場力的作用。在恒定均勻電場中，帶電離子可沿著電場方向流動，而極性分子（也稱偶極子）則只能沿著電力線方向排布。交變電場中，電場力在相反方向上交替變換，帶電粒子的運動方向也交替變換形成離子流振蕩，而偶極子則會發(fā)生旋轉(zhuǎn)振蕩（圖1a）［2］。非均勻交變電場可對極性分子施加電場力，迫使它們向高場強處移動，這個過程稱作介電泳?；铙w細胞內(nèi)的離子、帶電分子、偶極子、細胞器和細胞膜均對電場和電流有反應(yīng)，并可產(chǎn)生電場和電流，這些電活動在許多生物學(xué)過程中起著關(guān)鍵作用。低頻電場（1 kHz 以下）通過膜去極化刺激可興奮組織，刺激骨生長并加速骨折愈合［2］；高頻電場（高于1 mHz）的主要生物學(xué)效應(yīng)為組織加熱［2］；中頻電場（100 kHz～1 mHz）隨著電場方向變換頻率的增加，電場力對帶電離子和偶極子的凈效應(yīng)幾近于零，對于靜止期細胞沒有作用，而對于處于有絲分裂期的細胞，TTFields將產(chǎn)生不均勻細胞內(nèi)電場，干擾染色體和細胞質(zhì)分離［2］。

2 TTFields的微觀機制

2.1 干擾細胞有絲分裂導(dǎo)致細胞出現(xiàn)應(yīng)激、凋亡和增殖抑制

TTFields 通過干擾處在有絲分裂期細胞的染色體分離、卵裂溝（Cell Cleavage Furrow，CCF）形成和細胞質(zhì)分離，阻斷細胞有絲分裂并導(dǎo)致細胞破壞。在有絲分裂期中期，染色體均勻分布于赤道平面，后期通過紡錘體微管的活動實現(xiàn)染色體分離，同時中線紡錘體形成、CCF 組裝并激活內(nèi)陷使細胞逐漸呈啞鈴形；進入末期，CCF 縮窄加深，胞質(zhì)分離，完全分裂為兩個子細胞（圖2a）［12］。TTFields 處理的細胞可以順利進入有絲分裂期的中期形成赤道板，但在中期之后，電場力通過干擾微管蛋白的聚合和解聚來干擾微管的組裝和拆卸，導(dǎo)致赤道板上的姊妹染色單體不能正常分離，無法進入有絲分裂后期，有絲分裂被迫停止［1］。在中期結(jié)束時，CCF的準確定位和收縮是胞質(zhì)分裂的必要條件［12］，而TTFields能使后期中線紡錘體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，使CCF 不能在正確位置組裝形成并啟動收縮，大部分細胞將呈現(xiàn)異常膜收縮，部分細胞可短暫形成CCF 但也會迅速退縮，導(dǎo)致尚未分離的子代細胞迅速合并成雙核細胞。所以，TTFields處理的細胞在有絲分裂結(jié)束后，將會出現(xiàn)大量雙核或多核的核異常細胞（圖2b）［12］。在有絲分裂的后期和末期，細胞呈啞鈴形，使得TTFields 施加在細胞內(nèi)的電場力呈類似沙漏樣的不均勻分布，CCF處場強最高，不均勻電場會對所有細胞內(nèi)離子、偶極子和胞質(zhì)細胞器施加單向電場力（圖1b）［2］，在幾分鐘內(nèi)將它們拉向并堆積在CCF 處（介電泳現(xiàn)象），從而干擾細胞質(zhì)分離并最終導(dǎo)致細胞破壞［1‐3］。

圖1 交流電場在靜止（a）和分裂（b）細胞內(nèi)及周圍的分布Fig.1 Alternating electric field distribution in and around quiescent(a)and dividing(b)cells

TTFields 暴露后，會出現(xiàn)許多大細胞、含有空泡的細胞和多個核細胞，并出現(xiàn)膜起泡、破裂和許多小的膜泡，類似于有絲分裂后凋亡細胞死亡，隨后的細胞增值也會顯著減少，其效應(yīng)可持續(xù)到TTFields暴露終止后的72 h［1］，這表明經(jīng)TTFields 處理的細胞即使存活下來也將發(fā)生G0/G1期阻滯，無法再次進入細胞周期［13］。有實驗觀察到TTFields暴露后，P53+/+細胞的DNA 合成將明顯受到抑制，無法進入S 期，細胞凋亡也會增加；而P53‐/‐細胞的DNA 合成不會明顯減少，凋亡增加不明顯。這種P53依賴性的分子機制目前尚不清楚，但提示TTFields的療效可能受到患者腫瘤遺傳因素影響［12］。

2.2 TTFields作用的靶分子

TTFields 對于有絲分裂細胞的特異性作用依賴于其對具有高偶極矩的分子施加旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的能力，參與調(diào)節(jié)細胞有絲分裂的高偶極矩蛋白質(zhì)分子是TTFields 抗腫瘤活性的潛在靶點［2‐3］，如微管蛋白、Septin蛋白復(fù)合物、絲/蘇氨酸蛋白激酶Plk1、非肌肉肌球蛋白II（Non‐muscle Myosin II，NM II）和纖維型肌動蛋白（F‐actin）。

微管是由微管蛋白α/β‐tubulin 二聚體組成的極性長管狀細胞［14］，TTFields 處理的分裂細胞中，位于伸長的微管頂端附近的微管蛋白二聚體同時受到電場力和極性微管尖端的作用力，如果電場力小于微管尖端作用力，微管蛋白二聚體將正常排列在微管上，反之則不能，這會導(dǎo)致染色單體不能正常分離且變得分布無序，使有絲分裂終止于有絲分裂中期［1］。

Septin 蛋白復(fù)合物由Septin2、6 和7 組成，其偶極矩2 711Debyes (D)相比蛋白質(zhì)中位偶極矩542.66 D高出5 個標準差，偶極矩方向垂直于蛋白質(zhì)縱軸方向［15］。在有絲分裂后期，Septin 蛋白復(fù)合物被苯胺招募到中線紡錘體和CCF，通過橫向相互作用力自行組裝成纖維網(wǎng)格以穩(wěn)定后期中線紡錘體的微管結(jié)構(gòu)，并界定CCF 的收縮界限（圖2a）［12］。TTFields 可迫使強偶極子Septin蛋白復(fù)合物發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使其在中線紡錘體和CCF 的定位明顯減少［12］，并且無法彼此結(jié)合形成纖維網(wǎng)格，導(dǎo)致參與收縮的細胞膜無法被限制在赤道板周圍CCF 的位置，只能出現(xiàn)紊亂的細胞膜收縮，不能完成胞質(zhì)分裂（圖2b）［12］。

圖2 TTF作用導(dǎo)致有絲分裂破壞的模型Fig.2 Model for TTFields action leading to mitotic disruption

絲/蘇氨酸蛋白激酶Plk1在細胞周期進程中具有重要作用，包括中心體成熟、有絲分裂啟動、染色體分離和胞漿分離等，Plk1 主要定位于中心體，并可隨著細胞周期變化定位于不同的亞細胞結(jié)構(gòu)。Plk1 在G2 期和M 中期富集于著絲粒上，M 后期染色體分離后則易位于中線紡錘體［16］。經(jīng)TTFields 處理的細胞其后期中線紡錘體中Plk1 水平并不發(fā)生變化，表明后期中線紡錘體結(jié)構(gòu)能夠形成，但Septin蛋白復(fù)合物不能定位于此［12］。

NM II是驅(qū)動CCF 收縮的主要成分，苯胺與上皮細胞轉(zhuǎn)化序列2（ECT2）結(jié)合后，再與Septin復(fù)合物結(jié)合并招募NM II至后期中線紡錘體和CCF，當(dāng)其被調(diào)控蛋白RhoA 活化后可與肌動蛋白協(xié)同作用促進CCF 收縮［17‐18］。TTFields 處理的細胞中，被招募到CCF的NM II呈無序分布，在CCF外還可見其條索狀和斑點狀分布，無法驅(qū)動CCF收縮［12］。

F‐actin束位于膜下的細胞皮層，是細胞成功分裂必需的成分，由Septin 復(fù)合物招募其定位于CCF。Septin 蛋白復(fù)合物在經(jīng)TTFields 處理的細胞中不能正確定位，這將導(dǎo)致F‐actin 無法在中線積累并驅(qū)動CCF收縮［12］。

計算蛋白質(zhì)偶極矩需要已知其完整晶體結(jié)構(gòu)，目前除Septin 蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)已知外，Plk1、ECT2 或苯胺等調(diào)節(jié)因子的完整晶體結(jié)構(gòu)尚未得知［2］。

3 TTFields的影響因素

3.1 TTFields對不同細胞的作用

由于靜止期細胞內(nèi)沒有如微管蛋白等極性大分子，細胞也不會呈現(xiàn)啞鈴形，TTFields在靜止細胞內(nèi)形成均勻的細胞內(nèi)電場，不會出現(xiàn)介電泳現(xiàn)象（圖1a）［2］，所以TTFields 對于靜止期細胞沒有作用。有實驗表明TTFields 作用后的靜止細胞的形態(tài)和功能仍保持完整［1］。接種于小鼠皮內(nèi)的黑色素瘤經(jīng)TTFields 處理后，病理學(xué)分析可見廣泛壞死、核溶解性碎片及碎片聚集，而其周圍的真皮結(jié)構(gòu)形態(tài)完整未見損傷［1］，提示TTFields 僅作用于快速分裂的細胞。低頻電場可激發(fā)神經(jīng)和肌肉引起心律失常和癲癇，而在頻率大于10 kHz 的交變電場中其興奮作用會顯著降低，不會引起神經(jīng)和肌肉的興奮。在動物實驗和臨床應(yīng)用中，無論短期或者長期應(yīng)用TTFields，都未觀察到心臟或神經(jīng)活動異常的跡象［2］。

對于快速分裂的正常細胞，如骨髓造血細胞和腸粘膜細胞，理論上可能受到TTFields的破壞。骨和骨髓具有高阻抗特性，大腿骨髓腔內(nèi)的場強相比其周圍組織低100倍，可保護位于骨髓腔的造血細胞不受電場力影響；腸粘膜細胞復(fù)制周期相比腫瘤細胞慢得多，腸道運動不斷改變小腸粘膜細胞與電場的相對方向，可進一步降低TTFields對小腸粘膜細胞的破壞力［2］。接受TTFields 的患者和暴露于比有效抗腫瘤劑量高3 倍場強的實驗動物身上，均未發(fā)現(xiàn)TTFields相關(guān)的造血和消化道粘膜毒性［2］。

3.2 影響TTFields敏感性的因素

電場頻率、場強、方向和暴露時間均影響腫瘤細胞對TTFields 的敏感性。細胞和動物實驗表明不同細胞對不同頻率TTFields敏感，有研究人員計算了分裂細胞中1 μm 可極化球形粒子所受的力與細胞半徑、膜厚度和細胞質(zhì)電導(dǎo)率的函數(shù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，最佳TTFields頻率與細胞大小成反比，人膠質(zhì)瘤細胞的最佳頻率為200 kHz，其他細胞的最敏感TTFields 頻率一般是100～200 kHz［9,19］。TTFields 對增值細胞的破壞具有強度依賴性，即場強越大，TTFields作用越強。在最優(yōu)頻率下，小鼠黑色素瘤細胞和大鼠膠質(zhì)瘤細胞分別在1.35 V/cm 和2.25 V/cm 電場強度下完全停止增殖［1］，人非小細胞肺癌和人乳腺癌細胞需要的電場強度則更大［2］。電場在空間任何一點都有確定的方向，與電荷和極性元件施加的電場力方向一致。細胞分裂軸方向與電場方向的夾角會影響TTFields的敏感性，夾角越小作用越強，平行時最強，垂直時最弱［1］。由于分裂軸是隨機取向的，單一電場方向的TTFields 抑制作用較小，每隔0.25～1.00 s 按順序應(yīng)用多個電場方向可使更多細胞的分裂軸與電場力方向平行，從而受到TTFields 最強的作用，使腫瘤的生長抑制增強［2］。在使用VX‐2的腫瘤動物模型中以及接受連續(xù)TTFields治療復(fù)發(fā)性GBM的患者和乳腺癌轉(zhuǎn)移患者中均觀察到，暴露于TTFields 連續(xù)4 周后腫瘤才開始縮小。GBM 生長動力學(xué)模型也表明與化療不同，TTFields 必須連續(xù)應(yīng)用至少4 周，才能實現(xiàn)腫瘤的生長穩(wěn)定和逆轉(zhuǎn)［20］。

3.3 化療可提高TTFields敏感性

化療藥物阿霉素和環(huán)磷酰胺通過破壞細胞DNA的模板活性來殺滅增殖期內(nèi)的各期細胞，以S期最為敏感，這與TTFields 不同；紫杉醇使微管蛋白二聚體不易解聚從而增加微管的長度及偶極矩，TTFields作用力也隨之增加，導(dǎo)致細胞對TTFields 的敏感性提高，所以，化療藥物與TTFields 同時暴露對腫瘤細胞的增值抑制可能有相加或協(xié)同作用［5］?；熕幬飭为毺幚砗蟮募毎湓鲋陈试?4～48 h 內(nèi)幾乎能完全恢復(fù)，而化療聯(lián)合TTFields可導(dǎo)致細胞增殖完全的不可逆性抑制［5］。聯(lián)合暴露使劑量‐反應(yīng)曲線左移，IC50（50%的細胞增殖被抑制的藥物濃度）降低，顯著減少化療藥物劑量（低于1～3 個數(shù)量級的藥物濃度）后對腫瘤細胞增值仍能達到相同水平的抑制［5］。體內(nèi)外實驗均證實對于兔腎臟VX‐2 腫瘤、卵巢癌和非小細胞肺癌，TTFields聯(lián)合紫杉醇化療可提高療效且不增加毒性［3‐4］。替莫唑胺與TTFields 聯(lián)用能顯著提高新診斷GBM 患者療效且不增加藥物劑量和毒性，這已在臨床試驗中得到證實［5‐6］。

4 臨床試驗

TTFields 于1998年在EF‐02 試驗中首次用于人體，6 例經(jīng)過多線治療后的晚期癌癥患者在應(yīng)用TTFields 后沒有嚴重的毒副反應(yīng)并觀察到一定的療效［21］。EF‐07是2004年開始的對10名復(fù)發(fā)和10名新診斷GBM 患者應(yīng)用TTFields 的單臂預(yù)臨床試驗，兩組的無進展生存期（Progress Free Survival,PFS）和總生存期（Overall Survival,OS）與歷史數(shù)據(jù)對照均顯著獲益［2，5］。EF‐11是2006年開始的TTFields第一個隨機對照III 期臨床試驗，結(jié)果顯示對于復(fù)發(fā)GBM，單用TTFields 與化療相比有提高客觀有效率和降低死亡風(fēng)險的趨勢，并明顯改善患者的生活質(zhì)量［7］，進一步分析則表明每天使用TTFields 超過18 h 的患者有OS 獲益［22］。EF‐14 是2009年開始的針對新診斷GBM 患者的隨機、開放標簽的多中心III 期臨床試驗，結(jié)果顯示在接受標準的手術(shù)和同期放化療之后在替莫唑胺（Temozolomide, TMZ）維持化療的基礎(chǔ)上同時應(yīng)用TTFields 與單獨TMZ 維持化療相比，聯(lián)合TTFields 顯著改善了PFS（7.1月vs4.0月,P=0.001）和OS（20.5月vs15.6月,P=0.004），5年總生存率由5%提高至13%（P=0.0037）［23］。亞組分析表明平均每日使用TTFields 時間達22 h 以上的患者中位OS 可達24.9月，5年生存率達29.3%［6］。TTFields 在真實世界的數(shù)據(jù)中也證實了其良好的安全性、耐受性以及顯著的生存獲益和生活質(zhì)量的改善［24］。唯一的不良反應(yīng)是TTFields 換能器陣列下的局部皮膚刺激，考慮為潮濕、散熱受阻、毛孔阻塞、水凝膠和醫(yī)用膠帶的化學(xué)刺激等綜合因素引起，可以通過應(yīng)用類固醇軟膏和周期性更換電極位置得到良好的解決［2,23］。目前對新診斷GBM 患者將TTFields 的應(yīng)用提前到與TMZ 同期放化療，同時進行I/II 期臨床試驗［25］。

TTFields 在其它癌癥中的應(yīng)用也開展了臨床研究。在一項單臂多中心II 期臨床試驗中，41 例晚期非小細胞肺癌患者接受TTFields 聯(lián)合培美曲塞作為二線治療，中位OS 達13.4 個月，與單藥培美曲塞的歷史對照相比，療效顯著提高［26］。2013年開始的EF‐20 試驗納入了40 例新診斷的局部晚期或轉(zhuǎn)移性胰腺癌患者接受TTFields 聯(lián)合吉西他濱或吉西他濱加紫杉醇治療，結(jié)果顯示與單純?nèi)砘煹臍v史數(shù)據(jù)相比，未觀察到嚴重不良事件增加，證明TTFields聯(lián)合全身化療治療晚期胰腺癌是安全、可耐受的，目前針對晚期胰腺癌的隨機III期臨床研究（PANOVA‐3）正在進行中［27］。2014年開始的EF‐22 是一項多中心單臂II期臨床試驗，納入31 名復(fù)發(fā)卵巢癌患者，給予TTFields聯(lián)合紫杉醇周方案治療，PFS達8.9個月［28］。STELLAR 是一項2015年開始的多中心單臂II 期研究，納入80 名組織學(xué)確診不能切除的MPM，在培美曲塞加鉑類化療同時聯(lián)合應(yīng)用TTFields，試驗顯示未觀察到全身毒性增加，中位OS 為18.2月，優(yōu)于歷史對照的12.1月，并因此被FDA 批準用于治療局部晚期或轉(zhuǎn)移性MPM［9］。

目前還有很多前瞻性隨機對照的III期臨床試驗正在進行當(dāng)中，EF‐24 開始于2016年，擬納入300 例組織病理為鱗癌的晚期非小細胞肺癌患者，檢測TTFields 聯(lián)合化療在該人群中的療效和安全性［29］；EF‐25 開始于2017年，擬納入270 名發(fā)生1～10 個腦轉(zhuǎn)移病灶的非小細胞肺癌患者，在立體定向放射外科治療后隨機給予TTFields 或者觀察，以測試TTFields對于非小細胞肺癌腦轉(zhuǎn)移患者的療效、安全性和神經(jīng)認知結(jié)果［30］；INNOVATE‐3 開始于2017年，擬觀察早期復(fù)發(fā)的鉑類耐藥卵巢癌患者使用TTFields聯(lián)合紫杉醇周方案的療效［28］。此外，還有一些II期試驗正在進行中，以研究TTFields對小細胞肺癌腦轉(zhuǎn)移［31］、晚期肝癌［32］、復(fù)發(fā)性腦膜瘤［33］、高危少突膠質(zhì)瘤［34］、兒童高級別膠質(zhì)瘤和室管膜瘤［35］的療效。

5 總結(jié)與展望

作為一種局部應(yīng)用的非侵襲性抗腫瘤新療法，TTFields特異性作用于有絲分裂細胞，對于靜止期細胞無影響，可用于治療多種癌癥，目前的基礎(chǔ)研究和臨床研究均顯示了TTFields可靠的安全性、耐受性和令人鼓舞的療效。對其進行深入的生物學(xué)研究有助于了解不同瘤種的TTFields最優(yōu)參數(shù)，從而使其發(fā)揮最大的療效。積極開展臨床試驗，探索TTFields在不同病種，與放療、化療、免疫治療和靶向治療等手段聯(lián)合應(yīng)用的可能性和最佳方式，有助于讓更多患者有機會接受這一抗腫瘤新療法，從而增加醫(yī)生和患者的抗腫瘤治療的選擇并有可能改善現(xiàn)有的抗腫瘤療效。