脑胶质瘤基于物理机制的新型治疗进展

林雨 于圣平 师炜 杨学军

胶质瘤是最常见的中枢神经系统原发肿瘤。目前，常规治疗主要包括手术、放疗和化疗。尽管在手术技术、放疗方法和化疗药物上取得了长足的进步，但脑胶质瘤的预后仍不理想。随着医学与理工学科的交叉融合，不仅传统放疗技术获得了革新，电、光、声、热等各种基于物理机制的新型治疗技术的不断出现，为脑胶质瘤的治疗带来了新希望。我们对脑胶质瘤基于物理机制的新型治疗进展进行总结，重点探讨已有临床前和临床试验的具有应用前景的新型技术手段。

一、基于辐射的治疗

胶质瘤基于辐射的治疗是利用放射性物质产生的放射线照射肿瘤区域，诱导DNA双链断裂以达到杀死肿瘤细胞或阻止肿瘤细胞增殖的目的。放射线包括放射性核素产生的α、β、γ射线和各类X射线治疗机或加速器产生的X射线、电子线、质子束及其他粒子束等。放射线分为光子辐射和粒子辐射两大类。光子辐射包含各类放射性核素产生的γ射线和由加速器等设备产生的X线，其本质为高频、短波的电磁波辐射。粒子辐射包含各类放射性核素产生的α粒子、β粒子和由加速器等设备产生的电子束、质子束、中子束及其他重粒子束等各类粒子射线束。目前，在临床常用的基于辐射的治疗手段包含放射性粒子植入、术中放疗、术后放疗、质子、重离子放疗等。

1.放射性粒子植入：放射性粒子的辐射取决于粒子类型，通常既包含光子辐射,也包含粒子辐射，其中起主要作用的为其衰变所产生的γ射线。放射性粒子植入治疗颅内肿瘤可追溯至1936年，Lodge等首次应用氡粒子植入治疗蝶鞍肿瘤。早期应用的放射性粒子，如192Ir,60Co或252Cf受限于放射性粒子的辐射剂量范围的不可控性等原因已较少应用。目前125I是较为常用的放射性粒子，其半衰期为59.4天，平均能量为0.028 MeV，可以作为临时性高辐射剂量植入物(40～60 cGy/h)或永久性低辐射剂量植入物(6～11 cGy/h)使用。多项回顾性研究显示，同外照射治疗相比，125I治疗的胶质瘤病人有着明显的生存获益[1-2]。然而，这些回顾性研究存在明显的选择偏倚，进一步的随机对照研究证实，临时性125I治疗对比外照射治疗并没有明显的获益，放射性粒子植入在胶质瘤的初治中已较少应用。近年来，131Cs作为放射源被认为更适合胶质瘤的治疗，其半衰期是9.7天，它可以在不到33天的时间内达到总放射剂量的90%，它能提供更均匀/适形的辐射剂量，并减少正常脑组织的剂量暴露[3]。随着新型的包裹系统Gamma Tile的应用，钛封装的131Cs粒子被嵌入到可吸收的胶原基质块中，使得其放射剂量范围更为稳定[4]。多项研究显示,131Cs在复发胶质瘤的局部控制中有一定的作用，且出现放射性坏死的概率较低[5-6]。放射剂量范围更为稳定可控的新型放射性粒子系统可能在脑胶质瘤的局部控制中发挥积极的作用，但仍需进一步的随机对照研究证实。

2.术中放疗：脑胶质瘤的术中放疗多数采用弱X线治疗，本质属于光子辐射。术中放疗通常在手术切除肿瘤后将放疗适配器置入手术残腔，并进行一次大剂量的放射治疗。由于术中放疗是由内而外进行的，因而能够减少射线穿过正常结构导致的衰减效应、降低正常组织辐射，并提高局部控制率。一项回顾性分析收集了51例接受术中放疗(intra-operative radiation therapy， IORT)联合Stupp方案治疗的原发性胶质母细胞瘤病人的数据，结果显示,病人的总生存期(OS)18个月，无进展生存期(PFS)11.4个月，并且肿瘤出现进展时，仅有35.5%为局部进展[7]。目前，一项正在进行的多中心Ⅲ期临床试验拟招募314例病人，以评估术中放疗作为一线治疗的补充是否能够改善胶质母细胞瘤的预后(NCT02685605)。尽管术中放疗在乳腺癌的治疗应用已较为成熟，但其在脑胶质瘤治疗的应用还有待进一步评估。

3.术后放疗：经典的分割外照射放疗多年来一直是恶性胶质瘤治疗的基石，多采用X线治疗，其辐射类型为光子辐射。在经过多次的技术改进后，包括调强适形放疗、调强放疗等，最大限度地减少对健康组织的伤害，同时最大限度地给予肿瘤区域的剂量。另一类外照射放疗方法为立体定向放射外科，包括伽马刀，射波刀等，此类放疗技术采用γ射线，X线治疗，其辐射类型属于光子辐射。立体定向放射外科采用高剂量少分次治疗模式，目前并不推荐其用于脑胶质瘤的初治。立体定向放射外科目前主要用于无法手术治疗的病人或复发胶质母细胞瘤的挽救治疗[8]。在小体积的复发胶质母细胞瘤的挽救治疗中，立体定向放射外科使得超过50%的病人无影像学进展[9]。立体定向放射外科的应用需要综合评估肿瘤位置、大小以及病理性质，合理应用可以使特定胶质瘤病人获益。

4.质子放疗：质子是一种基本粒子，是原子核的一部分，质子放疗属于粒子辐射。它和传统放疗所使用的X射线不同，质子在入射路径中能量释放较弱，而在末端释放大量能量，这个剂量的最大值称为布拉格峰。在布拉格峰之后，辐射剂量急剧下降。借助计算机辅助的辐射规划系统，可以精准设计质子进入人体速度，使其在到达肿瘤之前保持低辐射剂量，而到达肿瘤后则释放大量能量。质子对肿瘤区域以外的辐射剂量显著低于X射线，因而可以最大限度地保护健康组织和肿瘤周围的器官，减少副作用，改善低级别胶质瘤病人的认知功能预后。一项前瞻性单臂临床试验对20例低级别胶质瘤病人进行了分析。接受质子治疗后，病人1年、3年和5年的总生存率分别达到100%、95%和81%；1年、3年和5年的无进展生存率分别为100%、85%和45%；病人的认知功能在治疗后的5年内也无显著降低[10]，尽管目前仍缺乏其能改善预后的一级证据支持，但基于其物理学机制，质子治疗可能在低级别胶质瘤，尤其是儿童低级别胶质瘤的治疗中减少辐射带来的正常组织的损伤，从而提高远期的神经功能预后[11]。在高级别胶质瘤的治疗中，质子治疗的安全性较好，不良反应较少。一项回顾性分析显示，66例采用光子联合质子治疗的高级别胶质瘤病人同应用标准Stupp方案病人对比显示两组疗效相似，单纯光子放疗组中位 PFS和OS期分别为7.2和20.9个月，3级不良反应5例(7.5%);联合组中位PFS和OS期分别为8.8和19.1个月， 但急性期无3级不良反应，仅8例(12%)2级不良反应[12]。然而在疗效方面，质子治疗并没有明显的改善病人的PFS或OS，还需进一步开展临床试验以评估质子治疗的合适剂量、分割方案以及对生存期、远期神经功能预后的影响。

5.重离子放疗：重离子一般指碳离子，其他类型重离子研究较少。基础试验研究表明，碳离子与质子具有相似物理剂量分布特性，但碳离子射线具有更高的放射生物学效应,其诱导的DNA双链断裂较更为严重，肿瘤DNA损伤修复的效果更差。在一项碳离子辐射后的研究中，79.9%的细胞出现了大规模的G2/M期阻滞，并且这种阻滞作用持续至48小时，说明碳离子可能还存在影响细胞周期的能力[13]。碳离子放疗的临床应用较少，在低级别胶质瘤中，一项前瞻性Ⅰ、Ⅱ期临床研究提示高剂量碳离子治疗弥漫性星形细胞瘤( WHOⅡ级)能够提升病人的PFS，但其放射性不良反应的发生率高于低剂量治疗组[14]。在高级别胶质瘤的治疗中，碳离子放疗通常作为常规放疗或质子放疗后的推量治疗。研究显示，常规放疗联合碳离子放疗能够延长高级别胶质瘤的OS[15]。单独应用碳离子放疗虽能够提升高级别胶质瘤的OS，但其放疗相关严重不良反应显著提升[14]。由于碳离子具有更高的放射生物学效应，其应用剂量，分割模式仍需进一步探索，以减少其放射损伤。

二、基于热能的治疗

脑胶质瘤的热疗基于热量能够诱导肿瘤细胞凋亡和坏死的能力。体外和动物研究都表明，胶质瘤细胞特别容易受到热的影响，在病人中这种影响可能被新生血管和缺氧微环境所增强。除了直接的细胞凋亡和坏死外，高温还可以使胶质瘤细胞对放疗和化疗敏感，触发免疫反应并短暂破坏血脑屏障。传统热疗包含全身高温、热液体灌注、残腔温热水浴等。传统方案热场分布不均，效率低，创伤大，已较少应用。新兴的基于热量治疗的方式主要有三种，包括激光间质热疗、磁热疗和聚焦超声热疗。

1.激光间质热疗：是一种针对多种颅内病变的新型微创技术，已被用于治疗颅内深部、难以切除的颅内病变，如肿瘤、深部核和白质的癫痫病灶等。该技术使用激光尖端探针插入脑部病变的内部，通过应用波长1 064 nm或980 nm的激光加热周围组织来产生可控的热损伤。术中实时磁共振成像(MRI)测温允许对消融区域进行连续监控，以确保激光诱导的热损伤范围，使其作用于肿瘤区域，而不损伤周围的脑组织。然而，其针对胶质瘤的回顾性研究显示，激光间质热疗并没有使得治疗组PFS和OS获益，并且存在脑水肿、癫痫等不良反应[16-17]。有研究认为，消融范围是疗效的重要决定因素，肿瘤达到近全消融与PFS和OS改善相关[17-18]。消融范围同不良反应密切相关，如何平衡二者的关系是激光间质热疗技术的难点。目前认为，激光间质热疗技术可能会使较小、位置深在或关键功能区胶质瘤的病人在一定程度上获益。

2.磁热疗：磁热疗法是一种通过外部交变磁场刺激肿瘤内或切除腔内的磁性纳米颗粒产生热量的技术。植入磁性纳米颗粒后即可进行重复周期的热疗，并且该治疗有可能与放疗或化疗协同。纳米颗粒的植入可采用立体定向技术，一项前瞻性Ⅱ期试验在59例复发性胶质母细胞瘤病人中研究了磁热疗法的可行性。研究应用立体定向技术将氧化铁纳米颗粒注射到肿瘤中进行磁热疗治疗，并结合立体定向放疗。尽管一些病人出现了不良反应，如治疗期间癫痫发作或运动功能恶化，但病人的OS较传统治疗有所提高[19]。纳米颗粒也可在肿瘤切除后植入肿瘤残腔。在一项针对6例复发性胶质母细胞瘤病人的I期试验中，磁纳米颗粒被植入到肿瘤残腔中。经过6轮磁热治疗后没有观察到明显的不良反应，但在治疗2～5个月后，所有病人都出现了肿瘤影像学进展并伴随严重的纳米颗粒周围水肿。病人均需大剂量的类固醇治疗，且有4例病人需要再次手术去除植入的纳米颗粒。对切除标本的组织学分析和流式细胞术显示，在含有大量纳米颗粒的区域，CD8+T细胞、CD4+T细胞和CD63+巨噬细胞浸润增加，提示局部存在免疫反应[20]。磁热疗技术目前仍处于初级阶段，其治疗效果尚不确切。如何减少磁纳米颗粒在治疗过程中的不良反应，甚至利用其产生的免疫反应是目前的研究重点。

3.经颅聚焦超声：经颅聚焦超声也可用于热消融，并已被FDA批准用于特发性震颤病人的治疗。目前尚无利用经颅聚焦超声热效应治疗胶质瘤的随机对照试验报道，仅有一项研究通过开颅手术在肿瘤内放置聚焦超声单元，评估了应用聚焦超声热疗治疗胶质瘤的可行性[21]，目前经颅聚焦超声的热效应早已不在应用于胶质瘤的治疗。经颅聚焦超声在脑肿瘤领域的应用主要基于他的另外两种特性。首先，低强度聚焦超声作用下微泡的空化效应能引起血脑屏障的短暂开放，为各种药物(包括化疗药物和携带药物/基因的纳米颗粒以及抗体等)的脑部递送提供了新途径，故可用于联合其他类型治疗方案。其次，经颅聚焦超声可无创伤地将声能聚焦于深部组织，并激活一些声敏药物(如5-ALA)产生抗肿瘤效应，即利用其声动力进行治疗，详细内容将在声动力治疗段落中介绍。

三、基于光能的治疗

光动力疗法是利用光敏剂在一定波长的光下被激活所产生的活性氧与DNA、蛋白质、脂质和其他大分子相互作用，破坏细胞通路，造成广泛的 DNA损伤，导致细胞凋亡。此外，光动力疗法还能够损伤血管内皮细胞，导致局部血管收缩、血栓形成，最终破坏微血管，上述作用也进一步诱导了抗胶质瘤免疫反应。目前，两种光敏剂已经在胶质母细胞瘤中进行了初步研究:一种是被FDA批准用于治疗食管癌的光卟啉，另一种是被批准用于胶质瘤手术荧光显像的5-ALA。一项应用光卟啉治疗胶质母细胞瘤的Ⅲ期临床试验显示，与未接受光动力疗法治疗的病人相比，通过在切除腔内置入激光探头并接受每天5次的光动力治疗的病人生存率有所提高[22]。一项应用5-ALA作为光敏剂治疗复发性胶质母细胞瘤的I期试验中，病人通过在5-ALA引导下切除的肿瘤残腔内插入1～4个圆柱形激光扩散器进行60分钟的光动力治疗。病人中位PFS为6个月，与复发性胶质母细胞瘤的标准治疗达到的PFS相当[23]。5-ALA作为第二代光敏剂，是一种天然的亲水性小分子化合物，广泛存在于动物和植物线粒体中，本身并不具备光敏性，但却是光敏性物质原卟啉IX(PpIX)的前体化合物，当大量给与外源性ALA时，ALA选择性地聚集在增殖旺盛的细胞生成大量的PpIX，过量的PpIX无法全部转换成亚铁血红素，从而大量蓄积在细胞中。5-ALA结构简单，分子量小，相比第一代光敏剂，在体内的清除时间短，吸光系数更高，不良反应少，是理想的光敏剂。然而，光动力疗法的主要问题在于激光必须到达含有增敏剂的细胞。常用的激光波长范围为630～690nm，在大多数组织中穿透很少超过5 mm。MRI研究显示，光动力疗法治疗的影响深度平均为9.1mm。组织病理学分析表明,其影响范围可达12.7mm[24]。然而，胶质瘤在肿瘤残腔的浸润范围通常更为广泛，此特性可能影响了光动力治疗的疗效。

四、基于声能的治疗

声动力疗法是一种利用超声和声敏剂协同作用的非侵入性肿瘤治疗方法，其主要原理是利用低强度超声照射于富集声敏剂的肿瘤部位，超声波在介质中引起压力变化，导致组织液中产生气泡，从而产生了空化现象。在超声空化作用下，声敏剂将从基态激活到激发态，可以直接与周围的氧分子或其他底物分子反应，产生活性氧，过量的活性氧不仅会导致氧化应激，使机体损伤，还会引起细胞骨架收缩、染色质浓缩和DNA片段化，最终导致细胞凋亡从而杀死肿瘤细胞。声动力疗法采用的原理与更广为人知的光动力疗法的原理相似，不同之处在于使用超声波代替光来传递能量。聚焦超声能够精准的将超声能量输送到颅内靶点，为声动力疗法应用于胶质瘤的治疗提供了机遇。聚焦超声是一种可控制的、在空间和时间上精确地将超声能量输送到颅内靶点的新兴技术。低强度聚焦超声可无创伤地将声能聚焦于深部组织，并通过激活一些声敏药物从而达到抗肿瘤作用。此外，不同于光波，超声波作为机械波具有高组织穿透性，受穿透深度影响较小，能够作用于光动力治疗无法到达的范围。声敏剂的选择是声动力疗法效果的另一个重要因素。应用于胶质瘤治疗的理想声敏剂应对正常细胞没有显著毒性，能准确靶向肿瘤细胞，并且对超声波具有高敏感性和稳定性。最常用的声敏剂是卟啉及其衍生物的这类初代声敏剂，也是经典的光敏剂，包括原卟啉IX(PpIX)、HMME、卟啉衍生物镓配合物(ATX-70，ATX-S10)和卟啉新衍生物[DCPH-P-Na(I)]等，其他类型声敏剂如氧杂蒽酮类化合物及无机声敏剂二氧化钛(TiO2)亦有部分研究。其中 ，PpIX的前体5-ALA具有较好的应用前景，同其作为光敏剂的机制一致，5-ALA能够选择性的富集于肿瘤细胞生成大量的PpIX从而发挥声敏剂的作用。体外研究显示，在不同胶质瘤细胞系中，应用5-ALA作为声敏剂进行声动力治疗能够显著杀伤胶质瘤细胞。多项动物研究也显示，应用5-ALA作为声敏剂治疗能够抑制肿瘤生长并显著延长生存期[25-26]。相对于体外研究及动物试验，声动力治疗的临床转化仍处于初级阶段，多数研究仍为个案报道。目前，已有几项Ⅰ期临床试验正在开展以验证5-ALA声动力治疗高级别胶质瘤的安全性和有效性(NCT04559685；NCT04559685)。5-ALA不仅在引导胶质瘤切除手术中发挥作用，亦能够被光能和声能激发，在光动力治疗和声动力治疗中发挥重要作用，具有极高的应用前景。

五、基于电场的治疗

肿瘤电场治疗是一种新兴的非侵入性肿瘤治疗方法，通过佩戴头部电极对靶区的肿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快速杀死癌细胞的目的。肿瘤电场治疗的直接作用机制包括干扰微管和隔膜蛋白的形成与定位，间接作用包括抑制肿瘤细胞的迁移、侵袭、影响肿瘤免疫微环境等。系列临床试验证实了肿瘤治疗电场的有效性，其中两项重要的Ⅲ期临床试验奠定了肿瘤电场治疗的重要地位。一项关于复发胶质母细胞瘤病人的Ⅲ期试验(EF-11)入组了237例复发脑胶质瘤病人，证实同最优化疗组相比，单独使用电场治疗能够带来相同的获益，但副作用明显小于化疗[27]。另一项研究纳入了695例胶质母细胞瘤病人(EF-14)，研究显示接受电场疗法+替莫唑胺治疗的病人，中位PDF为6.7个月，中位OS为20.9个月;而仅接受替莫唑胺治疗的病人，中位PFS为4.0个月，中位OS为16.0个月[28]。后续的分析提示依从性>90%(即每天佩戴设备21.6小时以上)的病人，中位OS为24.9个月，5年生存率29.3%，提示佩戴设备的时间越长，最终的疗效就越好[29]。2018年NCCN指南及2018年中国卫健委《脑胶质瘤诊疗规范》共同推荐新诊断胶质母细胞瘤的治疗采用“手术+同步放化疗+辅助替莫唑胺化疗+ 肿瘤治疗电场(tumor treating field, TTFields)”新治疗方案。肿瘤治疗电场作为近十年来唯一被验证可以延长胶质母细胞瘤病人生存期的治疗方式，具有极佳的应用前景。

胶质母细胞瘤TTFields的疗效受时间、频率、场强、躯体解剖和伴随用药等多种因素影响，其中优化TTFields剂量学仍需要临床研究的推进。临床试验发现，颅骨重塑手术可以降低颅骨电阻，最大限度地提高残留肿瘤或切除腔周围区域的电场强度。通过增加电极片数量来提高电场强度也是一种剂量学优化策略。以TTFields为基础，联合新型化学治疗的“鸡尾酒疗法”也是克服胶质母细胞瘤肿瘤微环境的高度异质性和治疗抵抗的另一临床研究领域。

六、基于磁场的治疗

电磁场在体外能够产生抗癌效果，肿瘤磁场治疗的机制可能是间歇性旋转永磁体特定频域-时域产生的振荡磁场造成线粒体呼吸链电子传递的破坏，进而造成活性氧的升高，影响线粒体膜通透性，破坏线粒体网络，导致癌细胞凋亡。磁场治疗目前仅有个案研究，研究团队应用自主开发一款头戴式无创振荡磁场肿瘤治疗仪，对一例53岁的复发性胶质母细胞瘤病人进行了实验性治疗，经过5周的治疗，影像学检查提示胶质瘤强化部分缩小了31%[30]。目前尚无肿瘤磁场治疗的随机对照研究，仍需更多研究以证实其有效性。

脑胶质瘤的治疗手段不断更迭，目前形成了以手术为主，放疗、化疗、靶向治疗、免疫治疗以及电场治疗等多种手段辅助的综合治疗方法，其中物理治疗方法随着技术的革新，不再仅限于放疗，而是由包含了基于电、热、光、声、磁等物理机制的一系列新型技术组成。不同新型技术目前所处的发展阶段并不相同，部分已经相对成熟并写入了治疗指南，部分则仍处于临床试验或临床前实验阶段。随着对内在物理机制的认识，各类新型物理治疗技术将逐渐完善，进一步通过合理的临床试验验证新型物理治疗的安全性和有效性，并依据不同物理治疗方法的技术特点筛选最为合适的目标治疗人群，最终发展为安全、可控、精准的“物理靶向治疗技术”，提高脑胶质瘤病人的生存及功能预后。