肿瘤治疗电场治疗胶质母细胞瘤的研究进展

曹奕强 王永刚 龙江

胶质瘤是最常见的颅内原发性肿瘤，其中胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）占胶质瘤的57%，占原发性中枢神经系统恶性肿瘤的48%，致死率高。高级别胶质瘤是最常见的颅内致死性肿瘤，分化程度低，有丝分裂活跃，具有高度间变性，呈浸润性生长，肿瘤细胞实际浸润范围超过肉眼识别的肿瘤边界，且对化学药物不敏感[1]。因此，现有的各种治疗方式均难以达到根治程度。WHO Ⅳ级GBM 患者确诊后平均生存时间为9～12 个月，预后较差[2-3]。

在2011 年以前，胶质瘤的主要治疗方式为经典的外科手术联合术后替莫唑胺同步放射治疗和化学治疗 （由Roger Stupp 提出，又称STUPP 方案）。即安全范围内最大程度的手术切除肿瘤，术后常规予以分割适形放射治疗[60 Gy/（30～33 F）]联合替莫唑胺[75 mg/（m2·d）]化学治疗，在放射治疗结束后采用替莫唑胺贯序辅助化学治疗6～12 个周期。该治疗方案下患者的中位生存期范围为13.2～16.8 个月，较单纯手术治疗平均延长约4 个月，5 年存活率约为5.1%[2-4]。

尽管近年来胶质瘤的治疗进展迅速，取得了较多突破，包括精准靶向治疗、免疫治疗，但这些治疗方法仍处于临床实验阶段，而近年来胶质瘤治疗领域最大的突破改变当属获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准并被写入美国国立综合癌症网络（the National Comprehensive Cancer Network，NCCN） 治疗指南的肿瘤电场治疗（tumor treating fields，TTF）[5]。

2011 年，以色列Novocure Optune Device 公司将Palti 教授的交变电场破坏快速分裂的肿瘤细胞理论应用于临床，推出第一代TTF 治疗系统Optune，并经美国FDA 批准用于治疗复发GBM （recurrent glioblastoma，rGBM）[6]。对于rGBM 的Ⅲ期临床试验EF-11 结果显示，单独TTF 治疗组术后中位生存时间（7.7 个月）长于单独化学治疗组（4.5 个月），差异具有统计学意义（P=0.042）[7]。

鉴于TTF 对rGBM 的Ⅲ期临床试验EF-11 中的良好结果，2013 年NCCN 将TTF 治疗写入指南,用于治疗rGBM。FDA 在2015 年批准扩大适应证范围至新诊断GBM（new diagnosed glioblastoma，ndGBM）。随后，TTF 用于诊断GBM 的Ⅲ期临床试验EF-14 公布其研究结果表明，与单独使用替莫唑胺组相比，TTF 联合替莫唑胺组可有效延长ndGBM 患者的生存期，且未发现明显不良反应或毒性作用。因此在2018年，NCCN 更新其治疗指南，将术后常规放射治疗+辅助替莫唑胺同步化学治疗+TTF 作为GBM 治疗的Ⅰ类推荐[8]。

在我国，国家卫生健康委员会在2019 年公布的《脑胶质瘤诊疗规范（2018 年版）》中，也推荐TTF 用于ndGBM（1 级证据）和复发高级别胶质瘤的治疗（2B 级证据）[9]。

本文将对TTF 的基本细胞生物学作用原理、治疗GBM的相关临床试验进行回顾分析，介绍目前研究进展和当前该领域研究热点，讨论其存在的质疑及探索方向。

一、TTF 的定义和原理

TTF 是在肿瘤的局部解剖区域交替放置非侵入式换能器阵列产生的低强度中频交变电场[10]。

在前期的研究中，交变电场被证实对活体组织的适应范围广泛，较低频率（＜1 kHz）的电场中，通过刺激细胞膜去极化，促进骨折愈合及骨生长；而随着电场频率升高（高于1 MHz），刺激作用减少，而主要表现为生物热效应，通过局部产热而发挥治疗作用[11]。对于10 kHz～1 MHz 的中频电场，学界曾经认为其不具有特殊的生物学作用。直到2004 年Kirson 等[12]发现，在体外实验中，多种人及动物肿瘤细胞系在低强度（＜2 V/cm）、中频（100～300 kHz）的交变电场中，处于分裂期的肿瘤细胞的生长速率受到明显抑制。在体内实验中，载瘤小鼠在接受中频电场治疗3～6 d 后，肿瘤细胞因电场作用受到广泛损毁，肿瘤生长受到明显抑制。该频率电场选择性地抑制增殖细胞有丝分裂，对不增殖细胞无明显影响的特性，Kirson 等[12]将该频率电场命名为TTF，并首次提出TTF 在肿瘤治疗中的潜在应用价值。

（一）TTF 的抗有丝分裂作用

TTF 可干扰有丝分裂中的细胞，收缩质膜并破坏其稳定性[12]。在细胞周期的中期，纺锤体的形成需要α 微管蛋白（带负电）和β 微管蛋白的稳定结合。而在TTF 影响下，微管蛋白亚基被高度极化，被迫沿着交变电场的方向排列，导致微管蛋白的聚合受到干扰，微管纺锤体形成受阻，从而延迟有丝分裂，染色体断裂形成微核，最终导致细胞死亡[12-13]。在细胞有丝分裂后期、末期和胞质分裂过程中，正常细胞分裂会产生不均匀电场，形成分裂沟，逐渐分割出2 个子细胞，并以狭长的细胞质连接。而在TTF 作用下，不仅纺锤体结构受破坏，分裂沟两端的极性也会受影响，带电粒子和偶极子等成分被推向分裂细胞颈部即分裂沟附近，阻止细胞质完全分离，最终通过p53 依赖途径和p53 非依赖途径诱导细胞凋亡程序[5,14-15]。TTF 对细胞周期多个阶段进行干扰的能力，再与破坏细胞周期G1/S 或G2/M 阶段的其他治疗方法累加或协同，使得靶向治疗肿瘤细胞的有丝分裂能力得到加强[16]。

（二）TTF 诱导细胞程序性死亡

目前解释TTF 诱导程序性细胞死亡的机制有很多。在乳腺癌中，TTF 干扰DNA 分子的复制，并影响复制过程中产生的DNA 片段的移动和重新定位，从而扰乱DNA 的同源重组修复机制[17-18]。另外，有丝分裂细胞在TTF 的作用下，内质网应激可能触发蛋白激酶依赖性自噬[19]。还有由TTF 作用后产生的微核释放出胞质双链DNA 刺激免疫应答，通过干扰激活蛋白（stimulator of interferon genes，STING）途径等高度炎性形式的反应途径，导致焦亡[20]。

（三）TTF 抗肿瘤细胞迁移作用

Kim 等[21]在GBM U87-MG 和U373 细胞系的体外实验中证实，TTF 通过NF-κB、MAPK 和PI3K/AKT 信号通路，改变上皮-间质转化相关的细胞骨架结构和蛋白 （例如肌动蛋白、波形蛋白和钙黏蛋白），诱导更具黏附性的细胞表型，从而抑制了GBM 的细胞增殖和侵袭，降低了复发或转移的可能性。

（四）TTF 的化学治疗协同、增敏作用

TTF 还可通过紧密连接蛋白Claudin-5 和ZO-1 从质膜到细胞质的错位分布来提高体外培养中GBM 细胞中质膜的通透性。经TTF 处理1 h 的人GBM 细胞系U87-MG 和鼠星形细胞瘤KR158B 细胞系的电子显微照片显示，整个质膜上散布着可透过最大20 000 颗粒直径的大量穿孔，提示细胞膜通透性增加。在啮齿动物的大脑中，TTF 会导致暂时但可持续长达96 h 的血-脑屏障破坏。这些发现提示TTF 可增强化学药物对血-脑屏障的通透性。此外，GBM 细胞膜通透性的增加可更好地促进术中使用药物的吸收[22]。最后，TTF 通过VEGF诱导和缺氧诱导因子1α 调节途径破坏血管生成，起到了与抗血管生成剂（例如贝伐单抗、西地尼布、恩扎妥林和舒尼替尼等）相互协同的作用[23-24]。

（五）TTF 治疗颅内肿瘤的理论依据

传统神经科学观点认为，成人中枢神经系统中的神经元很难再生，虽然近期的研究中发现成年哺乳动物的嗅球和海马中存在一些新生的神经元，在人脑海马的齿状回、基底节的纹状体也发现了神经发生的证据，但在成人大脑其他部位，尚未发现明显的神经发生迹象，有丝分裂很少发生[25]。因此对于颅内肿瘤成年患者来说，头部的有丝分裂主要发生于肿瘤细胞。而TTF 的细胞生物学特性决定了其主要对有丝分裂的细胞产生影响，因此在头部行TTF 治疗时，对肿瘤细胞有较强的针对性，而对正常脑组织影响很小[10]。

二、TTF 临床试验进展

在针对rGBM 的Ⅲ期临床试验EF-11 中，将237 例受试者随机分为单用化疗组及单用TTF 治疗组，化疗组选择使用医生推荐的最佳化疗方案，TTF 组每日佩戴TTF 治疗仪（NovoTTF-100 A）18～24 h。结果显示TTF 组与化疗组的中位生存时间分别为6.6、6.0 个月 （HR=0.86，95%CI：0.66～1.12，P=0.27），6 个月无进展生存期分别为21.4%与15.1%（P=0.13）。TTF 最常见的不良反应是电极片下方的轻至中度接触性皮炎（16%）。相比之下，化学治疗中常见的不良反应包括胃肠道（17%）、血液（17%）和感染性（8%）症状，与TTF 治疗相比（分别为4%、3%和4%）。TTF 的严重不良反应（6%）较化学治疗显着降低（16%，P=0.022）。TTF 单一疗法与化学治疗相比，显示出更优的生存获益、更有利的安全性、耐受性和生存质量[7]。依据该试验的临床结果，2011 年FDA 批准了第一代TTF 设备NovoTTF-100A 应用于rGBM 或对传统治疗方法无效的GBM 患者[6]。之后，TTF 在美国商业上市，Mrugala 等[26]收集了在患者注册数据集中注册的美国91 家医学中心rGBM患者使用TTF 后的数据并分析，457 例rGBM 患者中位生存时间为9.6 个月，而EF-11 试验中位生存时间为6.6 个月，因生存时间延长，设备相关并发症增多，但主要为皮肤反应。

在针对ndGBM 的Ⅲ期临床试验EF-14 试验中，将695例ndGBM 患者随机分组，466 例接受TTF 联合6 个疗程替莫唑胺治疗，229 例患者仅接受6 个疗程替莫唑胺治疗。结果提示，TTF 联合替莫唑胺的中位无进展生存期（6.7 个月）比单独使用替莫唑胺（4.0 个月）显著延长（HR=0.63，95%CI：0.53～0.76，P＜0.001），而6 个月无进展生存人数比例分别为56%和37%（P＜0.001）。TTF 联合替莫唑胺与单独替莫唑胺治疗相比，中位总存活时间分别为20.9 个月和16.0 个月（HR=0.63，95%CI：0.53～0.76，P＜0.001），存活比例分别为43%和31%（P＜0.001），5 年存活比例分别为13%和5%（P＜0.004），不良反应的比例分别为48%和44%。最常见的与TTF 相关的不良反应仍是电极下方的轻度至中度皮肤刺激[52%（重度2%）]，化学治疗主要为全身相关性不良反应，而2 种治疗方式的患者健康相关生活质量比较无明显差异。说明加用TTF治疗可以使患者的无进展生存期和总生存期得到获益。EF-14 研究的亚组分析显示，TTF 的局部最低剂量密度与患者的生存获益存在相关性[27]。在EF-14 试验的8 个韩国临床中心数据中，共入组39 例亚洲患者，其中TTF 联合6 个疗程替莫唑胺治疗24 例，单用替莫唑胺治疗15 例，研究结果显示，接受TTF 联合替莫唑胺治疗的患者中位无进展生存期为6.2 个月，而单用替莫唑胺治疗的患者为4.2 个月（P=0.67），TTF 联合替莫唑胺治疗患者的中位总生存期（27.2 个月）高于单用替莫唑胺治疗患者（15.2 个月，95%CI：7.5～24.1）。对比整个EF-14 试验，联合治疗患者的中位总生存期（20.9 个月）和1 年生存率（59.9%）高于单用替莫唑胺治疗（16.0 个月、43%，HR=0.63），而且联合治疗的亚洲患者中位总生存期（27.2 个月）和1 年生存率（95.6%）显著高于单用替莫唑胺治疗（15.2个月、73%，HR=0.27）。说明亚洲临床研究中心患者的中位生存期、1 年及2 年生存率较全球患者延长更加明显[16]。

在EF-11 试验及EF-14 试验得出较为满意的结果后，人们期待探索出TTF 更深入的分子生物学机制及更广泛的临床用途。包括TTF 在抗有丝分裂活性和阻止DNA 修复的作用机制研究；TTF 与现有抗肿瘤治疗方法（如放射治疗、化学治疗、免疫治疗）联用，提高治疗效果[18,28-30]。越来越多的证据表明，TTF 可以激活强大的先天免疫途径，包括STING 途径和焦亡，可有效诱导肿瘤细胞程序性死亡治疗的反应[20]。

现阶段TTF 经美国FDA 批准的适应证包括：（1）经组织学确诊的GBM 成人患者（22 岁或以上）的治疗；（2）TTF 联合替莫唑胺用于已进行STUPP 方案的幕上ndGBM 成人患者的治疗；（3）TTF 用于化学治疗后幕上出现组织学或放射学确诊的rGBM 患者的治疗，并且已经作为手术后及放射治疗后rGBM 患者的标准治疗方法。

目前TTF 治疗胶质瘤仍在进行中研究包括探索TTF 与其他药物联合治疗GBM、低级别胶质瘤在更广泛的患者人群中的临床疗效。例如，在低级别神经胶质瘤研究中，TTF 与贝伐单抗联合应用观察治疗效果；在GBM 患者中，将TTF与靶向疗法（例如贝伐单抗、卡维地洛）、化学疗法（例如洛莫司汀）、癌症疫苗（例如个性化突变衍生的肿瘤抗原疫苗）或个性化手术（例如小骨窗开颅或锁孔手术）相结合。儿科脑肿瘤联合会PBTC-048 研究的初步数据表明，TTF 在儿童幕上高级别复发胶质瘤和室管膜瘤患者中具有安全性和可行性[31]。此外，也有研究正在探索TTF 效果的影响因素，如不同遗传特征对TTF 治疗后肿瘤影像学的改变[32]。最后，在德国进行的ndGBM 患者的前瞻性研究中，将提供真实环境中TTF 治疗的进一步疗效及安全性数据[33]。

三、TTF 存在的质疑和局限

尽管从发现TTF 对肿瘤细胞的生物学效应至今仅仅20年，但TTF 的物理学原理、生物学效应已经有了较多的研究。特别在最近10 年，应用于rGBM、ndGBM 的TTF 治疗的仪器NovoTTF-100A、Optune 相继获批上市，同时在多个Ⅲ期临床试验中报道了其显著的治疗效果。TTF 已成为胶质瘤治疗的标准手段之一，并被写入NCCN 指南（2013）、中国脑胶质瘤诊疗规范（2018）。但是因其卫生经济学效率相对偏低、多中心临床试验数据尚不全面，目前其临床试验结果可靠性仍存在质疑，限制了TTF 的治疗推广。

虽然在细胞水平上对TTF 的作用机制研究已经有了较多数据和理论模型，但在活体的多细胞、多器官水平以及联合化学治疗、放射治疗时的作用机制尚未完全清楚[34]。而对于推动TTF 进入临床运用起到极大推动的EF-14 试验，部分学者也对其试验设计、对照分组存有疑问。例如，由于伦理所限，无法让对照组患者剃光头并戴上无TTF 功能的“假帽”，因此该试验未采用双盲设计设置安慰剂对照组；其次，EF-14选择的是诊断2 个月后的患者进行随机分组，而极度恶性、诊断后很快死亡的患者未入组，这样分组只纳入潜在预后较好的患者，有可能导致选择偏倚[35]。

除临床疗效之外，不少研究者从卫生经济学角度对TTF进行研究[36]。TTF 设备价格昂贵，普通家庭难以承受，限制了TTF 治疗推广。Bernard-Arnoux 等[37]研究了2016 年法国 地区TTF 疗法使用费用情况，研究结果为通过TTF 治疗使每个患者总体生存时间平均延长了4.08 个月，平均需花费185 476欧元，相当于45 825 欧元/月，549 909 欧元/年，结合当年物价水平、居民消费能力，认为虽然TTF 可有效延长生存期，但是花费巨大、卫生经济效率不高。同时，TTF 的治疗效果与患者的依从性存在正相关。TTF 设备需要尽可能地连续佩戴，试验数据显示，每天佩戴时间＞18 h 的治疗效果较为理想。依从性好、每天佩戴时间＞90%（每天约佩戴22 h 以上）的患者，5年生存率达到近29.3%，而对照组的5 年生存率仅为5%[38]。但事实上仍有部分患者因顾虑佩戴设备后暴露个人病情，而不愿意长时间在公共和私人场合佩戴设备，降低了治疗的效果。

四、讨论

自从2005 年Stupp 提出胶质瘤的标准治疗方案后，胶质瘤的治疗进展更新缓慢，对靶向分子抑制剂、免疫制剂、血管生长因子抑制剂和放射治疗剂量递增的试验尚不足。EF-11和EF-14 试验表明，对于rGBM 和ndGBM 患者，TTF 有希望作为化学治疗的有效替代或补充手段。

对于需经历开颅手术、术后放射治疗和化学治疗等的胶质瘤患者，TTF 的创伤小、系统不良反应轻微，更容易为患者所接受。虽然长时间佩戴该设备可能导致生活上的不便，但考虑到其对生存时间的明显延长，以及未造成明显神经功能、生活质量的下降，使得大多数患者仍对该治疗方法抱有极大的热情。但是目前治疗费用仍然偏高，医保、商业保险尚覆盖不多，不同国家地区的患者对治疗费用的承受能力存在差异。

对TTF 设备的使用，神经肿瘤学科专家的态度呈现一定的两极分化，部分专家充满热情并极力推崇。但因EF-11 及EF-14 试验均由Novocure 公司资助，试验中未设计安慰剂对照组，且前期试验的大多数推动性结果均由Eilon Kirson 博士这样供职于Novocure 公司的学者提供，因此仍有部分专家仍持观望怀疑态度，不愿意向患者推荐TTF 疗法。尽管如此，EF-14 试验确实得出了令人难以怀疑的结果，在临床实际应用中得到了广泛的认可。

五、总结

TTF 通过对胶质瘤细胞提供连续低强度中频交变电场，达到破坏有丝分裂或选择性地杀死快速分裂癌细胞的目的。临床试验证实，TTF 单独使用或与替莫唑胺联合治疗，能够显著延长GBM 患者的无进展生存期和总生存时间，是近10 年来唯一被验证可以延长患者生命的治疗方式。目前研究探索的方向包括TTF 与其他药物联合治疗、TTF 联合放射治疗、寻找TTF 治疗敏感标志物，同时需要进一步改进设备的便携性、可靠性，并进行更全面的随机临床试验来验证TFF 疗法联合放射治疗、化学治疗的益处和潜在风险。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突