胶质母细胞瘤是成人中最常见且最具侵袭性的原发性脑恶性肿瘤,大多数肿瘤在初始治疗后会复发。肿瘤电场治疗(Tumor Treating Fields, TTFields)是胶质母细胞瘤的最新治疗方式。本文介绍了TTFields换能器阵列在患者身上的正确应用方法,并讨论了该治疗的理论基础及相关治疗要点。
方法文章
胶质母细胞瘤是成人中最常见且最具侵袭性的原发性脑恶性肿瘤,大多数肿瘤在初始治疗后会复发。肿瘤电场治疗(Tumor Treating Fields, TTFields)是胶质母细胞瘤的最新治疗方式。本文介绍了TTFields换能器阵列在患者身上的正确应用方法,并讨论了该治疗的理论基础及相关治疗要点。
胶质母细胞瘤是最常见且致死性最高的脑癌类型,目前标准治疗下的中位生存期为诊断后15个月,5年生存率仅为5%。肿瘤通常在初次手术、放疗和化疗后的9个月内复发,此时治疗选择极为有限。这凸显了迫切需要开发更有效的治疗方法,以延长患者生存期并提高其生活质量。
肿瘤治疗电场(TTFields)疗法利用低频交变电场对细胞的作用,用于癌症治疗。研究表明,TTFields 可在有丝分裂过程中干扰细胞,从而减缓肿瘤生长。越来越多的证据还表明,TTFields 可通过刺激暴露肿瘤内的免疫反应发挥作用。TTFields 疗法的优势包括其非侵入性特点,以及相较于细胞毒性化疗等其他治疗方式,能提高患者生活质量。美国食品药品监督管理局(FDA)于2011年批准 TTFields 疗法用于复发性胶质母细胞瘤的治疗,并于2015年批准其用于新诊断的胶质母细胞瘤。本文报告了 TTFields 在有丝分裂期间的作用、电场建模的结果以及换能器阵列的正确放置方法。本方案概述了使用第二代设备在术后患者中实施 TTFields 的临床应用。
胶质母细胞瘤
胶质母细胞瘤是成人中最常见的原发性恶性脑肿瘤。由于其具有细胞学恶性、有丝分裂活跃、血管生成增殖以及易发生坏死等特征,通常伴随术前和术后疾病的快速进展以及几乎普遍的致命性结局,世界卫生组织已将其归类为IV级肿瘤1。尽管在基础研究和转化研究方面已做出诸多努力,目前仍无治愈胶质母细胞瘤的方法。被诊断为胶质母细胞瘤的患者五年生存率仍约为5%,凸显了开发更有效治疗手段的迫切需求2。
肿瘤治疗电场的作用机制:电场
肿瘤治疗电场(TTFields)是一种低强度、中频(100–300 kHz)的交变电场,通过贴附于患者皮肤表面的绝缘电极产生,并穿透含肿瘤的组织3。TTFields 被认为可在有丝分裂期间对具有高偶极矩的细胞内分子施加电磁力,从而干扰肿瘤细胞的生物学过程。在有丝分裂期间暴露于 TTFields 会导致异常的有丝分裂退出,进而引起染色体错误分离、细胞多核化以及子代细胞的caspase依赖性凋亡4。这些效应具有频率依赖性,并取决于电场方向相对于受影响细胞有丝分裂面的入射方向。有丝分裂面与电场方向垂直的细胞表现出最严重的损伤。中频范围具有独特性,因其构成一个过渡区域,在该区域中,细胞内电场强度(在较低频率下被屏蔽)显著增强5。这种增强发生的阈值取决于细胞膜的介电特性5。对于胶质瘤细胞,无论是在细胞培养计数还是克隆形成实验中,TTFields 的最佳频率均为 200 kHz6。
通过结合大脑中不同组织结构的体积、电导率和相对介电常数,可利用患者特异性的磁共振成像(MRI)测量数据构建个性化的电场分布图7,8。此外,还可采用端到端的半自动分割工作流程,生成个性化的有限元模型,用于描绘颅内交变电场(TTFields)的分布9。显示患者脑内电场分布的电场图可能有助于指导换能器阵列的最佳放置位置,以在肿瘤区域内实现最大电场强度。
肿瘤治疗电场的作用机制:细胞生物学
TTFields 导致有丝分裂紊乱的确切机制尚未完全阐明,但已有两种可能的机制被提出,用于解释电场如何影响有丝分裂。其一是电场对具有高偶极矩的蛋白质产生直接作用,导致其功能紊乱;其二是离子的介电电泳现象,引起分裂细胞内离子定位异常,从而干扰胞质分裂沟的内陷3。已有研究提出两种具有高偶极矩的蛋白质可能为作用靶点,分别为 α/β-微管蛋白单体和 Septin 2、6、7 异源三聚体,其偶极矩分别为 1740 D10 和 2771 D11。有研究表明,TTFields 可降低聚合态微管蛋白与总微管蛋白的比例,阻碍有丝分裂纺锤体的正常组装,并干扰细胞从中期向后期的过渡4。暴露于 TTFields 的细胞可正常进展至中期,但随后表现出 Septin 在后期纺锤体中线及胞质分裂沟处定位减少11。这些细胞出现不受控制的膜出泡现象,导致异常的有丝分裂退出12。所产生的有丝分裂后细胞表现出异常的核结构,如微核、细胞应激迹象,以及细胞增殖整体下降,包括进入 G0 期停滞并最终发生凋亡11。研究显示,经 TTFields 处理的细胞中钙网蛋白(calreticulin)表达上调,并分泌 HMGB1,二者均为免疫原性细胞死亡的标志性特征13,14。Kirson 等发现,对肿瘤进行治疗可降低其转移潜能,且在经 TTFields 处理的动物体内,转移灶中 CD8+ 细胞数量增加15。综合这些数据表明,TTFields 的作用机制不仅限于对有丝分裂的直接影响,还可能引发抗肿瘤的炎症反应。
TTFields 设备及治疗选择
第一代和第二代 TTFields 设备均可向幕上脑区输送交变电场,用于治疗胶质母细胞瘤。该设备于 2011 年首次获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准,用于治疗复发性胶质母细胞瘤患者,并于 2015 年获批用于治疗新诊断的胶质母细胞瘤患者16,17。胶质母细胞瘤的治疗应采取多模式综合治疗,包括神经外科手术干预、放射肿瘤学治疗以及化疗药物的应用。由于 TTFields 是一种毒性反应较少的额外抗癌治疗方式,神经肿瘤学专家应考虑将该疗法纳入新诊断及复发性胶质母细胞瘤现有的治疗方案中18,19。
在新确诊的情况下,标准治疗方案包括同步放疗与替莫唑胺治疗,随后进行替莫唑胺维持治疗。2004年,一项随机III期临床试验显示,接受放疗联合同步及辅助替莫唑胺治疗的胶质母细胞瘤患者,其中位生存期和2年生存率均得到改善20。放疗联合辅助替莫唑胺的生存获益在至少5年的随访期间持续存在21。然而,患者的O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT)启动子甲基化状态可识别出最有可能从替莫唑胺治疗中获益的人群22。在另一项针对已接受标准放疗联合同步替莫唑胺化疗的胶质母细胞瘤患者的随机临床试验中,与仅接受替莫唑胺维持化疗的患者相比,在维持治疗阶段加用TTFields可带来更优的治疗结局23。此外,研究显示TTFields的疗效不受患者MGMT启动子甲基化状态的影响;因此,TTFields可能成为对MGMT未甲基化状态患者同样有效的临床干预手段24。综上所述,这些研究提示TTFields在胶质母细胞瘤治疗中具有广泛的临床应用前景。具体而言,在放疗后联合TTFields与替莫唑胺,为新确诊的胶质母细胞瘤患者提供了一种有效的治疗选择。
在复发情况下,目前尚无标准治疗方案。然而,贝伐珠单抗和肿瘤治疗电场(TTFields)疗法是两种经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的治疗方式25,26。EF-11 III期临床试验比较了TTFields单药治疗(每日使用20-24小时)与活性化疗在复发性胶质母细胞瘤患者中的疗效,结果显示两者总体生存期相当,但TTFields在毒性和生活质量方面更具优势27。因此,单独使用贝伐珠单抗、TTFields单药治疗,或两者联合使用,均可作为复发性胶质母细胞瘤患者的治疗选择。
临床应用
此前一项 JoVE 发表的研究展示了第一代设备在人体头部塑料模型上的应用25。本文中,我们展示了第二代设备在一名接受治疗的胶质母细胞瘤患者身上的应用。使用该设备的方案首先需通过 MRI 测量和治疗计划系统,确定换能器阵列在头皮上的布局位置。换能器阵列布局图明确了四个阵列在患者头部的方位和具体位置。这些阵列设计为可贴合头皮,使换能器能够将来自电场发生器的 200 kHz 频率肿瘤治疗电场(TTFields)传递至脑部。患者需持续接受治疗,阵列通常每 3 至 4 天更换一次。本文展示了 TTFields 对有丝分裂细胞的影响、电场在脑内的分布情况,以及第二代设备在人头模型上应用的逐步操作方法,以演示对胶质母细胞瘤患者的治疗过程。
本方案的实施遵循贝斯以色列女执事医疗中心的伦理准则,并已获得患者的书面授权。
1. 第二代TTFields设备的应用
注意: 该系统由便携式电场发生器、换能器阵列、连接电缆和连接盒、可充电电池、便携电池充电器以及电源插件组成。
2. 清除可能干扰抗肿瘤免疫反应的全身性药物
TTFields 会导致有丝分裂过程中染色体分布不均以及中期板排列错位(比较图1A与图1B)。人们认为 TTFields 通过干扰具有高偶极矩的蛋白质(如 α/β-微管蛋白或 septin)的功能而发挥作用。其中一种关于 TTFields 作用于有丝分裂细胞的假说模型认为,TTFields 会干扰 septin 的功能。正常情况下,septin 可组织收缩沟的形成,并加强皮层下肌动蛋白细胞骨架与上方质膜之间在结构上至关重要的相互作用,这种相互作用对于抵抗收缩沟内陷过程中产生的细胞内静水压力是必需的。TTFields 的作用导致分裂细胞内部结构完整性丧失,而这种完整性是正常有丝分裂所必需的,从而引起染色体分离和收缩沟功能的紊乱,最终导致异常的有丝分裂退出(图1C)。
接受TTFields治疗的患者脑内电场强度并非均匀分布32。不同组织类型的电导率和相对介电常数及其体积差异,导致脑内电场强度和分布存在变化,如图2A、B所示。因此,换能器阵列的放置位置可能影响肿瘤区域的电场强度。这种变异性的示例如图2C所示,该图预测了患者脑内相邻的轴向、冠状和矢状切面上的电场强度分布。
图3A展示了治疗计划软件针对患者个体化设计的阵列放置方案,该方案在图3B中进行了展示。头皮对阵列的敏感性可通过局部使用皮质类固醇以及按照图4所述调整阵列位置来缓解。
上述方案用于治疗一名56岁女性患者,该患者出现左侧额叶脑出血。她接受了血肿的肉眼全切手术,病理结果显示为IDH-1突变型胶质母细胞瘤,伴有细胞密度增高、细胞异型性、核分裂象及坏死。术后她接受了外照射放疗并每日服用替莫唑胺。在放疗第二周即早期停用地塞米松。由于辅助治疗阶段使用替莫唑胺,患者出现全血细胞减少,需给予生长因子支持以及血小板和输血治疗。诊断后5个月的头颅MRI显示钆增强信号增加,遂开始使用贝伐珠单抗治疗。诊断后8个月,又加用了肿瘤电场治疗(TTFields)。自胶质母细胞瘤诊断以来,该患者已持续接受贝伐珠单抗联合TTFields治疗超过48个月。该患者的MRI影像显示,自初次诊断胶质母细胞瘤后48个月内病情保持稳定,如图5所示。截至目前,她仍存活,卡氏评分保持在较高的80分。

图 1:TTFields 在细胞分裂过程中破坏有丝分裂。(A)采用相差显微镜观察 HeLa 细胞在有丝分裂过程中的形态。DRAQ5 是一种 DNA 染料,用于监测染色体行为。图像来自一段展示正常有丝分裂过程的视频,该视频作为附加补充材料提供。获取视频图像的实验方法已在先前的研究中描述11。(B)在 TTFields 作用下,相差显微镜与 DRAQ5 染色显示细胞出现膜出泡及异常有丝分裂。比例尺 = 20 µm。图像来自一段展示 TTFields 处理期间细胞进行有丝分裂的视频,该视频作为附加补充材料提供。获取视频图像的实验方法已在先前的研究中描述11。(C)TTFields 引发有丝分裂紊乱的假说模型。TTFields 干扰 septin 与胞质分裂沟及皮层下肌动蛋白细胞骨架的结合,导致分裂沟收缩力不足,并使细胞因内部细胞骨架作用而易于发生质膜破裂,从而引起膜出泡。这导致异常的有丝分裂退出,包括有丝分裂逃逸(未能分裂)和不对称细胞分裂。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:原位电场强度因组织的电导率和相对介电常数不同而在组织内发生变化。(A)电场-体积直方图(EVH)显示电场强度的大小。(B)比吸收率-体积直方图(SARVH)显示不同组织中能量吸收的速率。(C)一名左侧额叶胶质母细胞瘤患者的代表性场分布图,显示轴向、冠状和矢状切面上的电场强度分布。绿色箭头指示肿瘤位置。相对电场强度为任意单位。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:胶质母细胞瘤患者在手术、放疗和替莫唑胺治疗后的临床应用。(A)治疗计划软件输出结果,显示4个阵列的放置位置。(B)阵列在患者身上的实际放置情况。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:治疗过程中阵列放置位置的变化。(A)各个侧方阵列应作为一个整体从原始位置顺时针方向旋转移动2 cm,同时将额部和后部阵列从前述(B)原始阵列放置位置向前移动2 cm,该原始位置是根据个体患者治疗计划软件的输出结果确定的。(C)每个阵列中的单个电极应作为一个整体从原始位置逆时针方向旋转移动2 cm,同时将前部和后部阵列作为一个整体向后移动2 cm。请点击此处查看此图的放大版本。

图5:患者在TTFields治疗前后的MRI扫描。 诊断时的MRI扫描(左列),手术、放疗和替莫唑胺治疗后的MRI扫描(中列),以及TTFields治疗43个月后的MRI扫描(右列)。 请点击此处查看该图的放大版本。
本文展示了第二代TTFields设备用于治疗胶质母细胞瘤患者的正确应用方法。与替代疗法相比,TTFields治疗的重要意义在于其毒性更低、生活质量更高,尤其是与替莫唑胺化疗联合使用时,中位总生存期更长。此外,我们以逐步演示的方式展示了如何正确地将换能器阵列贴附于头皮,并避免可能导致并发症的常见错误。同时,我们还详细阐述了TTFields对细胞生物学的影响,以及电场在穿透脑组织过程中的电场分布映射情况。
在该方案中,有几个步骤对于设备的成功实施尤为关键。为了进行合理的治疗规划,患者的脑部 MRI 图像必须包含头皮边缘。为确保电极与头皮之间充分接触,必须将头皮上的毛发残根剃除至与头皮表面齐平,直至无任何毛发残留。应仔细定位任何手术疤痕,并避免将换能器阵列放置在疤痕上,以防止头皮破损引发并发症。每次更换时,应检查头皮是否出现皮炎、糜烂、溃疡或感染;如有必要,应暂停阵列的使用,直至溃疡愈合且感染得到控制33,34。
延长预期寿命在很大程度上取决于患者每日佩戴时间达到18小时或以上所带来的高依从性。对EF-11 III期试验数据的一项事后分析显示,依从率≥75%(即每日≥18小时)的肿瘤电场治疗患者,其中位总生存期显著长于依从率<75%的患者(7.7个月对比4.5个月,p = 0.042)35。依从性低于75%的患者似乎获益甚微,而依从性超过75%这一阈值的患者则表现出显著的临床获益。医生的指导和家庭支持在提高患者依从性方面起着重要作用,可通过提供使用建议,使患者在较长时间佩戴换能器阵列时更加舒适。佩戴阵列期间,环境温度应保持在舒适范围内。定期更换阵列、剃除头皮毛发,以及在头部佩戴透气网罩以固定阵列,也有助于提升舒适度,从而提高依从性。
越来越多的证据表明,肿瘤治疗电场(TTFields)联合其他疗法使用时效果更佳。在EF-11关键性III期临床试验中,TTFields作为单药治疗使用,其治疗组的中位总生存期为6.6个月,而化疗组为6.0个月。尽管最初的结果显示,与标准治疗相比,TTFields在总生存期上未达到统计学意义上的显著改善,但TTFields组的严重不良事件更少,且生活质量指标有所改善,这成为美国食品药品监督管理局(FDA)批准其用于复发性胶质母细胞瘤治疗的基础27。后续针对新诊断胶质母细胞瘤患者的EF-14 III期临床试验显示,TTFields联合替莫唑胺治疗组的中位总生存期为20.9个月,而单用替莫唑胺组为16.0个月36,37。另一项基于PRiDe注册研究的TTFields临床实践研究显示,中位总生存期为9.6个月,显著长于EF-11试验对照组的中位总生存期35。此外,临床前研究数据表明,在组织培养中加入替莫唑胺等烷化剂可增强对肿瘤细胞的杀伤作用24。PRiDe注册研究和EF-14试验的数据支持这一观点,因为接受TTFields联合替莫唑胺和/或其他治疗的患者预后更好。Wong等人通过比较单独使用TTFields和贝伐珠单抗,或将其与包含6-巯基嘌呤、洛莫司汀、卡培他滨和塞来昔布(TCCC方案)的联合方案进行对比,也得出了类似结果。TCCC组的总生存期更长,中位生存期为10.3个月,而单独使用TTFields和贝伐珠单抗组为4.1个月38。综合来看,这些数据支持在治疗胶质母细胞瘤时,联合辅助疗法可提高该设备的治疗效果。
在EF-14试验中,接受TTFields治疗的实验组患者的总生存期较对照组长,但在EF-11试验中,实验组与对照组之间未观察到差异。EF-14试验中加入了已知的治疗药物替莫唑胺(temozolomide),该药物似乎与TTFields治疗具有协同作用。造成这一差异的另一个可能解释是新诊断患者未接受过化疗(chemotherapy naïve),这可能使其能够产生更有效的抗肿瘤免疫反应。尽管TTFields引发免疫反应的机制尚不明确,但作为免疫抑制剂的地塞米松(dexamethasone)可能会抵消这一益处,并且已有研究显示,地塞米松与TTFields联合使用会降低中位生存期39,40,41。综上所述,在接受TTFields治疗期间降低患者地塞米松剂量,可增加胶质母细胞瘤患者血液中的免疫细胞数量,从而可能增强治疗反应并改善治疗效果。TTFields还可能使肿瘤细胞对电离辐射的作用更加敏感42,43。然而,联合治疗方案的选择应根据患者的神经系统状况和整体医学状况进行个体化决策。
TTFields 设备已获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准,用于治疗22岁及以上成人复发性和新诊断的胶质母细胞瘤患者;该设备在22岁以下患者中的疗效尚不明确。此外,当患者同时使用TTFields与有源植入式医疗设备(如深部脑刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器、除颤器或心脏起搏器)时,其不良反应尚不明确。对于脑内含有金属碎片(例如子弹)或装置(例如动脉瘤夹)的患者,同样缺乏安全性数据。已知对电极凝胶过敏、存在开放性伤口、颅骨缺损以及妊娠状态也属于禁忌证。存在重大颅骨缺损的患者(例如因去骨瓣减压术导致颅骨大范围缺失)可能会增加TTFields的穿透程度44;然而,去骨瓣减压术在胶质母细胞瘤患者中并非常规手术操作。
患者依从性差是该治疗方式的主要局限之一。可能降低依从性的因素包括合并存在的内科或精神系统疾病(如抑郁症)45,46,47、照护者支持不足、因糜烂或感染导致的头皮破损、皮肤肿胀以及皮炎。
TTFields 对分裂的肿瘤细胞具有明确的抗有丝分裂作用。这种作用很可能也延伸至前体细胞,但目前尚缺乏关于正常组织的临床前或临床数据。尽管如此,TTFields 治疗在多种实体瘤类型中展现出潜力,包括一些侵袭性最强的癌症。在胰腺癌的临床前模型中,TTFields 作为一种有效的抗有丝分裂治疗手段,对这些癌细胞的长期存活具有负面影响。这些结果使 TTFields 成为胰腺癌患者一种颇具吸引力的治疗选择,值得进一步在临床中进行验证48。TTFields 在卵巢癌49和非小细胞肺癌15,50的临床前研究中也显示出令人鼓舞的效果。因此,TTFields 正被应用于正在进行的 III 期临床试验中,针对初发性(NCT02973789)和转移性(NCT02831959)肺癌、胰腺癌(NCT03377491)以及间皮瘤(NCT02397928)。希望 TTFields 能为这些难以治疗的恶性肿瘤提供更多的治疗选择。
Kenneth Swanson 博士和 Eric Wong 博士均获得了 Novocure 公司提供的无限制研究资助。
本研究部分得到了 A Reason To Ride 研究基金的资助。感谢 Allison Diep 制作了图1C中的三维艺术作品。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 婴儿油 | Johnson & Johnson | 产品编号 473542 | |
| 贝伐珠单抗 | Genetech, Inc. | 不适用 | |
| 弹性网 | Medline Industries | NET012 | |
| 温和洗发水 | Johnson & Johnson | 产品编号 108249 | |
| 70% 异丙醇 | The Betty Mills Company | MON 23222701 | |
| 医用胶带 | The Betty Mills Company | MON 38202201 | |
| 无菌纱布 | The Betty Mills Company | MON 71392000 | |
| 甲氧苄啶-磺胺甲噁唑 | Pfizer, Inc. | 不适用 | |
| TTFields 设备(Optune) | Novocure, Ltd. | 不适用 | 该系统由便携式电场发生器、换能器阵列、连接线缆和接线盒、可充电电池、便携电池充电器以及电源适配器组成。 |
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可