一文读懂：肿瘤电场治疗，原来有这么多作用
恶性肿瘤发病率近年来逐年增高，并且具有进展快、易播散、五年生存率低等特点，已经成为严重威胁人类健康和制约社会经济发展的公共卫生问题。近年来免疫、靶向治疗和人工智能的快速发展催生了研究成果的临床转化。新型靶向药物如表皮生长因子受体抑制剂、靶向癌基因信号通路的小分子抑制剂如酪氨酸激酶抑制剂、免疫检查点抑制剂如程序性死亡分子1（PD-1）抑制剂和嵌合抗原受体T细胞治疗等层出不穷。虽然部分肿瘤患者已经可以治愈，但难治性和复发性肿瘤的治疗仍然具有挑战性。
2011年，以色列Novocure公司推出一种新型肿瘤治疗方法，称为肿瘤电场治疗（tumor- treating fields，TTFields），在肿瘤的局部解剖区域放置非侵入式电极贴片，产生低强度（1~3 V/cm）和中等频率（100~300 kH）的交变电场。该系统是一种便捷、可佩戴，并对患者一般日常活动无影响的新型肿瘤治疗设备。通过绝缘电极片施加交变电场，阻止肿瘤细胞纺锤体微管的形成及细胞分裂期胞内细胞器的分离，诱导分裂期的细胞凋亡，具有安全、副作用小等优点，并且具有治疗多种恶性肿瘤的潜力。根据研究报道，TTFields在胶质瘤、乳腺癌、肺癌、胰腺癌和卵巢癌等肿瘤治疗中均表现出一定的有效性。此外，TTFields除了对全身原发肿瘤治疗有效外，对转移性肿瘤也存在一定的抑制及治疗作用，可延长肿瘤患者的无进展生存（PFS）期和总生存（OS）期。
肿瘤电场治疗的作用机制
TTFields是一种全新的肿瘤治疗技术，是通过低强度、中频的交流电场作用于细胞的微管蛋白，导致肿瘤细胞凋亡并抑制肿瘤生长，达到抗肿瘤治疗的目的，具有效果明显、毒副作用小的优势。癌细胞分裂中还有很多核心蛋白，包括隔膜蛋白（septins），带极性且会受到电场影响。另一个直接作用的机制也是通过电场力作用于癌细胞内物质及微小的带电粒子（例如带极性的septins），诱导分裂期细胞的凋亡。间接作用机制包括抑制肿瘤细胞的迁移、侵袭和血管的生成，影响肿瘤免疫微环境、肿瘤细胞膜的通透性和抑制DNA修复等。
1. 干扰微管蛋白形成
微管蛋白是构成微管的“砖块”，微管则是细胞的骨架，主要分布在核周围，参与细胞生命活动的各个阶段，不断地分解与重新构建。微管蛋白二聚体是高极性偶极子，偶极子是指分子内正电荷和负电荷的分离，通常沿着施加TTFields的电场方向而平行排列，因此受到电场的强烈影响。所以，若在有丝分裂过程中施加电场干预，可以在细胞分裂中期和后期阻碍α-微管蛋白的合成，并扰乱、阻断微管形成，导致微管蛋白不能在中间轴上形成纺锤体，干扰细胞胞质分裂来阻止有丝分裂，诱导肿瘤细胞凋亡。
TTFields的上述效果最终导致依赖性和非依赖性的胱天蛋白酶与细胞凋亡，并且还增加了免疫原性细胞死亡标志物的表达，从而达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。
微管蛋白活性抑制剂的作用机制是抑制细胞分裂，包括紫杉烷类与长春花属生物碱类化疗药物，前者阻止微管的分解，后者阻止微管的构建。细胞有丝分裂越旺盛，细胞内微管的分解与构建也越频繁，受上述两类化疗药物的影响也越大。研究表明TTFields通过施加100~300 kHz中等频率的电场，改变肿瘤细胞胞内的高度极性结构，但对正常细胞尚未损伤。
2. 干扰隔膜蛋白的定位
隔膜蛋白是具有鸟苷三酸（Gtpase）活性的保守蛋白家族，参与胞质分裂、胞内物质转运及细胞凋亡等一系列重要生理功能。最近，Gera等研究了TTFields对关键有丝分裂蛋白的影响，并且发现septin功能的变异在肿瘤发生发展中的潜在作用。有研究表明，TTFields还可能干扰隔膜蛋白的定位。TTFields通过影响关键蛋白质来影响细胞的生理，而蛋白质又具有高度的偶极矩，因此，对肿瘤细胞有丝分裂至关重要。从前中期至中期之间，纺锤体组装检查点（spindle-assembly checkpoint，SAC）抑制缠绕的染色体向两级分离，直至染色体着丝点精确定位于纺锤体的赤道中线，进而维持分裂中期的cyclin B等重要蛋白，泛素连接酶（anaphase-promoting complex or cyclosome，APC/C）使分裂酶抑制蛋白降解失活，进入后期的纺锤体迅速组装，两个亚子细胞之间出现缩窄间隙，因此促进细胞动力学卵裂沟的形成。后期纺锤体包含重要蛋白，其目的是激活胞裂蛋白Septin2、Septin6、Septin7复合物（异三聚体），该异三聚体对细胞动力学卵裂沟形成过程中的结构稳定和细胞有效分离具有关键的作用。
紫杉醇等化疗药物的作用机制在于阻滞纺锤体组装检查点，而TTFields作用的时机和靶点与其不同。TTFields未破坏细胞周期中期的进程。细胞出现紊乱主要处于细胞周期的中期末和后期初之间，作用的靶点是Septin2、Septin6、Septin7复合物。在细胞周期分裂的进程中，合成的蛋白质带有正负电荷，从而形成一个距离很近且电量相等的复合体，称为“电偶”。电偶极矩高低是由蛋白质的电荷量和正负电荷间的距离所决定，如果其电偶极矩高则易受电场作用的干扰，从而发生旋转。α，β-亚单位是高电偶极矩的物质（1660 D），参与微管形成，可使微管纺锤体发生紊乱，进而出现细胞多核化，最终导致细胞发生凋亡。异三聚体具有高电偶极矩（2 711 D），隔膜蛋白定位于纺锤体受到障碍，卵裂沟形成的过程受到干扰，不能抵抗卵裂沟的流体静压，从而使膜起泡和破裂。细胞破裂后表现出异常的细胞核和过激现象，并产生免疫原性细胞凋亡的标志物。
3. 介电电泳的形成
TTFields作用于处于胞质分裂间期的细胞，该时期的细胞形成特有的形态，类似沙漏形状，形成的电场力在细胞内分布不均匀，细胞沟中电场的密度极高。这种不均匀的电场对细胞核大分子施加强大的电场作用力，使其趋向于分裂沟，这一过程称为介电电泳。
介电电泳抑制细胞分裂，主要在有丝分裂中后期，进而导致细胞内结构紊乱并促进细胞凋亡。细胞免疫荧光检测发现，TTFields干预后的细胞中存在滞后染色体，并且染色体异常分散、凝固以及出现染色体不对称分离等现象，甚至导致不可逆转的膜起泡，引起细胞结构破坏。
4. 抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭
在恶性黑色素瘤小鼠模型中，TTFields组肺部转移瘤数目明显减少，且出现具有保护作用的免疫细胞浸润现象，而且其生存期延长，这种现象表明TTFields可能具有抑制肿瘤侵袭迁移的作用。
另一项研究证明TTFields可抑制胶质母细胞瘤的迁移，在侵袭迁移相关通路中发挥重要作用，如丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）和核因子-κB（NF-κB）。
TTFields还会影响微管动力学，尤其是相关的细胞侵袭及迁移。TTFields通过抑制微管形成，导致肿瘤细胞的活动度、侵袭及迁移能力降低。Pavesi等研发的三维（three-dimensional，3D）微流体培养平台，从3D角度观察到TTFields对肿瘤细胞迁移的抑制作用，为后期阐述更具体的侵袭和迁移作用提供技术平台。
5. 抑制血管生成
TTFields使黑色素瘤的血供中断，导致肿瘤完全消退。将17只黑色素瘤小鼠置于电场下，可以激发肿瘤凋亡和细胞坏死，观察4个月后小鼠未出现复发和转移。研究发现导致该肿瘤细胞凋亡的主要作用机制是，实验组的微血管密度与对照组相比降低了93%，很大程度上减少了肿瘤组织的血供，而且此方法高效，无不良反应，仅遗留轻微瘢痕。
6. 激活免疫微环境
免疫系统的激活是TTFields的另一个重要的机制。大量的临床前试验证明TTFields能诱导肿瘤细胞的免疫原性死亡，联合抗PD-1治疗可增强这种效应。这种协同作用是通过肿瘤细胞表面钙网蛋白的表达和HMGB1中分泌信号进入肿瘤微环境而介导的。支持免疫激活的证据表明，将兔肾细胞（VX-2）植入包膜，并将TTFields应用于肾脏，这些动物的肺转移的数量减少，这种现象类似于已知的电离辐射的远端效应。
7. 增加细胞膜渗透
TTFields的应用也增加了肿瘤细胞的膜通透性。生物荧光成像显示，TTFields处理胶质瘤细胞（U87）6 h后可增加其对5-氨基乙酰丙酸和萤火虫荧光素酶的融合蛋白的吸收。扫描电镜也显示了膜孔的数量和大小的增加。诱导的膜孔增大是有上限的，只允许最大分子量为40 kDa的蛋白质的扩散。该过程在TTFields终止后24 h内也是可逆的。研究还发现TTFields可增加胶质瘤细胞的膜通透性，这一机制有助于解释TTFields与化疗药之间的协同作用。
8. 抑制DNA的修复
尽管TTFields主要影响细胞质蛋白，但也会影响细胞的基因组完整性。这可能由于在细胞质和细胞核之间来回穿梭的调节蛋白被破坏。事实上，在一系列非小细胞肺癌细胞系中，由于BRCA1信号的下调，TTfields导致DNA双链断裂修复减少，其中一些细胞系（H157和H4006）比其他细胞系（A549、H1650和H1299）更敏感。基因表达分析显示TTFields作用下有丝分裂重要调控因子和复制应激基因的表达减少。当TTFields和电离辐射同时作用于胶质瘤细胞系（U118和LN18）时，会导致DNA损伤修复延迟。
影响肿瘤电场治疗效果的因素
TTFields的试验表明，中频交变电场诱导分裂的肿瘤细胞产生变化，与电场频率、强度、作用时间和交变电场的方向以及治疗对象的解剖结构等因素密切相关。
1. TTFields的效果与频率
不同频率的交流电场具有不同的生物学效用，当使用特殊的低强度（1~3 V/cm）和中频（100~300 kH）电场，肿瘤细胞在有丝分裂过程中被破坏，不同的癌细胞系需调节为其特定的频率，而静止的细胞不受影响。TTFields治疗大鼠胶质瘤细胞（F98）干预时间6 d，实验结果显示TTFields组的核磁共振图像所测量治疗组肿瘤的大小，其最大直径大约仅为对照组的1/2。TTFields治疗皮下恶性黑色素瘤的小鼠实验，采用不同频率干预，治疗时间为3~6 d。研究发现频率在100 kH左右，其生长抑制作用最强，接受TTFields的小鼠皮下肿瘤大小为对照组的62.7%，病理切片显示小鼠皮下炎症反应，并有大量凋亡坏死的肿瘤细胞。虽然体内的频率依赖实验结果没有统计学意义，但表现出达到最大肿瘤抑制率时所需的最佳频率。
2. TTFields的效果与场强
研究表明，在一定区间内随着电场强度增加，对肿瘤细胞抑制效应也逐步加强，具有强度依赖效应。为了达到最佳疗效，通常需对电场作用强度进行量化。首先对患者进行头部磁共振扫描，再应用软件对头部的头皮、脑膜和颅骨等重要组织结构进行分割，网状结构表示不同组织。每个网状结构对应的组织有对应的参数，然后利用Maxwell方程计算不同组织部位的相互作用，这样就可以得到不同组合排列下对应的脑内强度，选择最佳的排列方式，使TTFields治疗效果达到最大化。同时，通过对TTFields电场强度进行量化，将每个个体分析得到的电场强度作为变量，用适当的模型评估TTFields治疗的效果。目前还需对计算机模拟的数据进行临床验证，以进一步更好指导TTFields的临床应用。
3. TTFields的效果与作用时间
采用TTFields作用于4种常见的肿瘤细胞，以细胞相对数和绝对数为实验的观察指标，间隔24 h观察一次，随着作用时间的延长，未作用的对照组细胞数量每24 h增加一倍，然而实验组在暴露期间，细胞数量骤减，增殖速率明显减慢，并且在一定的时间内，呈时间数量依赖效应。临床前研究表明，TTFields的抗有丝分裂作用与暴露时间（小时）之间密切相关。对EF-14临床试验的回顾性分析证实，OS随着患者积极治疗时间的减少而降低，这种有益的效果与MGMT甲基化水平和年龄无关。由于TTFields的作用机制涉及纺锤体微管的断裂，从而导致有丝分裂的突变，研究结果表明通过延长暴露于TTFields的时间，慢分裂细胞可以受到与快分裂细胞相似程度的影响，随着治疗的继续，细胞存活率和克隆形成率逐渐下降，治疗时间的延长被证明能显著提高治疗效果。
4. TTFields的效果与交变电场的方向
当电场方向与细胞分裂轴平行时，TTFields的作用效果最强，但肿瘤细胞处于分裂周期时的极性是无规则的，所以在为患者治疗时，施加不同方向的电场是有效增加疗效的途径。与此同时，当电场方向与分裂轴线垂直时，TTFields作用的疗效最差。研究发现单方向的TTFields平均治疗效果很小，而增加两个方向时，实验组较对照组的肿瘤组织直径减少约42.6%，三个方向时电极放置互相夹角在45°~ 90°，实验组较对照组肿瘤组织直径减少53.4%，且该差异具有统计学意义。
5. TTFields的效果与解剖因素
TTFields用于治疗复发性胶质母细胞瘤，通过计算机模拟确定了TTFields在患者颅内的分布，使用T1W、T2和MP-RAGE图像，以及预先指定大脑结构的电导率和相对介电常数值。研究发现接受该TTFields治疗的患者，大脑内部的电场分布是不均匀的，高场强聚集在脑室附近，尤其是前额和枕骨大孔处。复发肿瘤远离原发性胶质母细胞瘤，位于电场强度较低的部位。因此未来TTFields治疗的改进方向需要考虑到因大脑内部的解剖结构不同，从而导致电场分布的不均匀性。在一项TTFields治疗多形性胶质母细胞瘤研究报道中，通过靶向颅骨切除术能增强肿瘤组织内的感应电场。结果显示，对于浅表肿瘤，切除标准的开颅骨瓣可使肿瘤的电场强度提高60%~70%，病理区域组织生长停滞值增加30%~50%，而不会严重损害脑部的健康组织。另一项研究报道，TTFields作用于多形性胶质母细胞瘤患者的肿瘤周围水肿时，肿瘤内的平均电场强度降低，瘤周水肿≥6 mm时，电场降低52%；在特定患者模型中，瘤周水肿使肿瘤内的电场强度平均降低26%。该结果表明瘤周水肿对电场分布的影响在空间上是不均匀的，在未来的TTField治疗计划中应考虑水肿的存在。
小结
TTFields是一种新兴的非侵入性肿瘤治疗方法，通过对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。相比于传统的手术、放化疗，TTFields拥有许多新的特点和优势，比如仅在局部进行，能最大限度地降低系统性不良反应。目前已经证实的TTFields的直接作用机制包括干扰微管和隔膜蛋白的形成与定位，在治疗过程介电电泳的形成，间接作用包括抑制肿瘤细胞的迁移、侵袭和肿瘤血管的生成，影响肿瘤免疫微环境、细胞膜的通透性和抑制DNA修复等。同时影响肿瘤电场治疗效果的相关因素，如电场频率、强度、作用时间和交变电场的方向以及治疗对象的解剖结构等。在临床上，TTFields使肿瘤患者的PFS和OS有所提升，但在某些方面也存在不足，亟需进一步研究以开拓更广泛的应用前景。在机制研究方面，TTFields应该进一步挖掘具体的生物学分子机制，比如上下游信号通路的相互联系和作用的具体靶点，以探明协同治疗的作用机制。在设备研发方面，还需进一步改进，如需要局部备皮，穿戴要求较多，定期更换电极片等，还需解决携带不方便，费用较昂贵等问题。在临床应用方面，期待TTFields可以应用于全身转移的肿瘤，而不局限于某一个区域内肿瘤。相信未来TTFields具有更广阔的临床应用前景，为肿瘤患者带来曙光。
来源：医世象