【中国声音】为何电场治疗对部分胶质母细胞瘤患者效果不佳？电场治疗胶质母细胞瘤疗效提升的最新探索：体内外试验及多模态个体化治疗策略

作者：吴浩（共同第一作者），杨霖（共同第一作者），刘汉杰（共同第一作者），周单，陈迪康，郑晓缺，杨慧，李翀，常九生，吴安华，王知非，任年军，吕胜青，刘羽阳，贾牧原，卢健，刘鸿宇，孙国臣，刘志雄（共同通讯作者），刘嘉霖（共同通讯作者），陈凌（共同通讯作者）

作者单位：解放军总医院第一医学中心，中南大学湘雅三医院，中南大学湘雅医院，首都医科大学附属北京天坛医院等

REF：Wu H, Yang L, Liu H, Zhou D, Chen D, Zheng X, Yang H, Li C, Chang J, Wu A, Wang Z, Ren N, Lv S, Liu Y, Jia M, Lu J, Liu H, Sun G, Liu Z, Liu J, Chen L. Exploring the efficacy of tumor electric field therapy against glioblastoma: An in vivo and in vitro study. CNS Neurosci Ther. 2021 Oct 28. doi: 10.1111/cns.13750. Epub ahead of print.

PMID: 34710276.

研究背景

2004年KIRSON等^[1]在针对多种肿瘤细胞系以及恶性肿瘤动物模型与电场的一项研究中首次报道：低强度（1-3V/cm）、中频（100-300kHz）、交变电场具有选择性的影响分裂中的肿瘤细胞，而静止细胞保持完整的独特作用。自此肿瘤电场逐渐走进基础研究者和临床医生的视野，受到广泛的关注。

肿瘤电场治疗是以低强度、中频、交变电场对各种极性分子施加物理作用力，产生一系列生物效应的新型治疗方法^[2]。其发挥可靠安全的疗效依赖于其特殊的参数-中频（100~300kHz）、低强度（1~3V/cm）。最早的研究表明不同肿瘤细胞系其最适抑瘤频率不一样^[3]，且最适频率与细胞的大小成负相关^[1]，此外，电场的有效作用依赖于细胞有丝分裂长轴方向，在单向电场中当细胞分裂长轴与电场方向一致时，对肿瘤细胞损伤可增加5倍^[1]。

肿瘤电场治疗作为一种新兴的物理治疗方式，目前已在胶质瘤的治疗中取得突破性进展，但即使联合传统治疗方式，如联合替莫唑胺化疗，胶质母细胞瘤患者的中位无进展生存期也只有6.7月（单纯替莫唑胺化疗组4.0月），而中位总体生存时间为20.9月（单纯替莫唑胺组16.9月）^[4]。为进一步提升电场治疗的效果，团队利用国产电场治疗系统（TEFT，型号：CL-301A），对肿瘤原代细胞进行个体化电场治疗研究，并在体内和体外验证了多方向、随机顺序输出（TEFT-R）模式提升电场治疗效果。

研究方法

在体外研究中， U251胶质瘤细胞系以及来自于20例胶质母细胞瘤患者的原代肿瘤细胞经电场处理（TEFT）系统处理。在不同频率（100、150、180、200、220 kHz）、持续时间（24、48、72 h）、场强（1.0、1.5、2.2V/cm）和输出模式（固定或随机序列输出）下TEFT处理，测量细胞数量、体积和增殖。transwell系统用于评估TEFT对原发性胶质母细胞瘤细胞侵袭性的影响。在体内研究中，通过计算肿瘤体积和生存时间以及肿瘤组织免疫组化分析，评估随机序列电场治疗胶质母细胞瘤移植大鼠的疗效。

研究结果

肿瘤电场治疗有效抑制具有不同遗传特征原代细胞增殖

研究收集20例组织标本，其中有12例术后完成了肿瘤基因6项检测。结果表明，MGMT甲基化，IDH、TERT、BRAF突变及1p/19q共缺失水平不同的原代细胞均对TEFT敏感，而没有治疗抵抗的发生。具体的说，在100-220kHz的频率范围内，均有一个或多个特定频率对具有特异性遗传特征的原代细胞敏感，但200kHz可能并不是敏感频率。

图1. TEFT对原发性胶质母细胞瘤细胞的抑瘤作用。来自20例胶质母细胞瘤患者的肿瘤原代细胞，采用5种不同频率(100、150、180、200、220kHz)和2.2V/cm场强的TEFT处理72h。红色*表示各细胞的最适频率，黑色*表示有效频率。

原代肿瘤细胞具有差异的最适频率

同一株原代肿瘤细胞具有多个有效频率即敏感频率（抑制肿瘤增殖的频率）和一个最适频率（敏感频率中抑瘤效果最好的频率）。也就是说，200kHz频率可能并不是所有原代细胞的最适频率，甚至存在该频率下治疗不敏感的病例。

图2. TEFT抑制原代胶质瘤增殖。在频率为200kHz、场强为2.2V/cm的固定电场序列下，用TEFT处理培养的原代细胞72h。（A）不同频率的TEFT对不同原发性胶质母细胞瘤细胞（T12、T13、T19、T20）的增殖抑制程度不同，如图红色列所示为最适频率。（B）柱状图为T9（220 kHz）、T8（180 kHz）、T14（150 kHz）细胞的最适TEFT频率及其与200 kHz抗增殖效果的比较。（C）左图的饼状图显示了总共20例胶质母细胞瘤患者在各自最适频率（150、180、200和220 kHz）下的百分比；右边饼状图显示,最适而非200 kHz的频率与200 kHz作统计学比较，没有统计差异者归类于200 kHz最适频率组,而具有统计学差异的归类于原有最适频率组，重新绘制饼图后不同最适频率的细胞占比。

电场治疗导致原代肿瘤细胞体积显著增大

在对持续处理72小时后的细胞进行观察时发现：敏感频率处理后的原代细胞形态发生变化，如突触减少，出现气泡，凋亡发生以及体积发现变大，而在采用最适频率干预时这种体积增大的趋势更加显著。

图3. TEFT治疗后原发性胶质母细胞瘤细胞大小的变化。在频率为200 kHz、场强为2.2V/cm的固定电场序列下，用TEFT处理原代胶质母细胞瘤细胞72h。（A）典型的相差显微镜图像，TEFT后培养细胞增大，黑色箭头为触须，红色箭头为凋亡，黄色箭头为细胞气泡。（B）分别在220 kHz和180 kHz TEFT或对照处理后细胞悬液的代表性图像。（C）分别在220 kHz和180 kHz TEFT或对照处理后，在细胞悬浮液中使用细胞计数器测量单个细胞的大小。根据所示的不同直径将所有细胞分为15组，数据以每一直径下细胞总数的百分比表示。（D）三种实验条件下细胞大小的统计分析; 细胞大小分组在三个大小范围，包括小尺寸（直径12.9-18.9μm），中等尺寸（直径20.5-26.5μm），和大尺寸（直径28.1-34.1μm）。

随机顺序输出显著抑肿瘤增殖

固定顺序输出较对照显著抑制了肿瘤细胞增殖，但这种抑制效果并没有时间依赖性。而随机顺序随着处理时间延长，抑制作用进一步加强。两种不同的输出方式比较，随机顺序输出体现了更好的抑瘤效果。

图4. 随机顺序输出具有更显著的抑瘤效果。（A）200 kHz，2.2V/cm固定顺序电场持续处理72小时，在不同时间点固定顺序输出较对照均有效抑制了肿瘤细胞增殖；（B）相同条件下，随机顺序输出较对照组同样有显著的抑瘤效果，且该效果存在显著的时间相关性；（C）相同条件下处理24小时，随机顺序较固定顺序抑瘤效果更显著。

随机顺序输出有效抑制荷瘤大鼠肿瘤生长并延长生存时间

研究表明：TEFT-R较TEFT-F更显著的抑制了肿瘤生长，生存分析同样提示， TEFT-R组较TEFT-F组更为显著。机制方面，两种输出方式均显著抑制了肿瘤细胞增殖并促进了其凋亡，同时还进一步增加了CD8+T细胞在肿瘤组织中的浸润。令人印象深刻的是，TEFT-R较TEFT-F进一步抑制了肿瘤的增殖并促进了其凋亡。

图5. 随机顺序输出在荷瘤大鼠体内体现更好的抑瘤效果。（A）接种肿瘤后9、11、13、15、17天大鼠接受TEFT-F、TEFT-R或对照组增强磁共振扫描的代表性图像。最后一列照片显示肿瘤发生后20天的脑大体视图。箭头指向肿瘤部位。（Bab）TEFT-F、TEFT-R或对照组大鼠接种肿瘤后9、11、13、15和17天MRI定量肿瘤体积。（Bc）接受TEFT-F、TEFT-R或对照治疗的荷瘤大鼠生存曲线。（C）跨肿瘤切片中Ki-67、Caspase-3和CD8免疫组化染色的代表性显微镜图像。（D）免疫组化定量分析直方图。

结　论

以上研究表明：肿瘤电场治疗是一种极具潜力的新型物理治疗，它对临床常见基因特征的胶质瘤患者的原代肿瘤细胞均具有良好的效果，但是这种疗效的提升将建立在敏感频率基础上，我们的研究表明，不同患者来源胶质瘤原代细胞具有差异性的敏感频率，而目前临床上常用的电场治疗仪为固定参数（固定频率及方向），因此，某些胶质瘤患者对于电场治疗不敏感也就不难理解。另外，肿瘤细胞在电场处理后体积的变化是否对后期的电场治疗造成一定的影响，如Turner^[5]等人曾经报道经电场联合替莫唑胺治疗后胶质瘤缓慢进展病例，病检发现肿瘤组织中出现了巨细胞样肿瘤细胞，因此推测治疗可能导致肿瘤细胞体积变化而影响后续的疗效，在再次切除并调整电场治疗野后得到良好的效果。因此在治疗过程中可能需要调整电场参数或治疗方案，以恢复治疗敏感性。这些问题都需要在将来的研究及实践中进一步探索，并实施胶质瘤电场治疗过程中的个体化多模态治疗方案。

此外，研究中首次采用的随机顺序输出方式是一种创新的电场治疗模式，其通过产生3个互成一定夹角的有效矢量场，在治疗周期内按照随机数原则依次施加三个方向电场，以求达到对肿瘤细胞的最大化杀伤。结果表明随机顺序输出模式较原有电场治疗模式显著提升了体内、体外的抑瘤效果，这种创新的治疗模式也为将来电场治疗的发展提供新的思路。

原文链接DOI: 10.1111/cns.13750

参考文献

1.Kirson ED, Gurvich Z, Schneiderman R, et al. Disruption of cancer cell replication by alternating electric fields. Cancer research. 2004;64(9):3288-3295.

2.Rominiyi O, Vanderlinden A, Clenton SJ, Bridgewater C, Al-Tamimi Y, Collis SJ. Tumour treating fields therapy for glioblastoma: current advances and future directions. Br J Cancer. 2021;124(4):697-709.

3.Kirson ED, Dbalý V, Tovarys F, et al. Alternating electric fields arrest cell proliferation in animal tumor models and human brain tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(24):10152-10157.

4.Stupp R, Taillibert S, Kanner A, et al. Effect of Tumor-Treating Fields Plus Maintenance Temozolomide vs Maintenance Temozolomide Alone on Survival in Patients With Glioblastoma: A Randomized Clinical Trial. Jama. 2017;318(23):2306-2316.

5.Turner SG, Gergel T, Wu H, Lacroix M, Toms SA. The effect of field strength on glioblastoma multiforme response in patients treated with the NovoTTF™-100A system. World journal of surgical oncology. 2014;12:162.

团队简介

吴浩主治医师

中南大学湘雅三医院

中南大学湘雅三医院主治医师
解放军总医院第一医学中心神经外科学部博士后
中国生命关怀协会精准医疗与细胞治疗专业委员会会员，湖南省癫痫协会会员
从事颅脑创伤，颅内肿瘤及功能神经外科研究及临床工作，擅长颅内肿瘤诊治，尤其是脑胶质瘤综合治疗（电场治疗、免疫治疗等）
参与湖南省科技厅面上研究2项，发表学术论文11篇，其中第一作者及通讯作者发表SCI论文发表5篇。主编论著一本，参与编写论著二本

杨霖博士研究生

解放军医学院研究生院

解放军总医院神经外科博士研究生在读
主要研究方向为神经肿瘤与颅脑外伤

吴安华教授

中国医科大学附属第一医院

现任中国医科大学创新学院院长，附属第一医院神经外科主任，科技部重点领域创新团队负责人
辽宁省脑疾病与脑科学重点实验室主任
沈阳市脑重大疾病临床医学研究中心主任
中华医学会神经外科学分会委员
中国医师协会神经外科分会常委
辽宁省医学会神经外科学分会主任委员
长江学者特聘教授
国家万人计划科技创新领军人才，百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，教育部新世纪优秀人才，享受国务院特殊津贴
牵头荣获教育部科技进步一等奖，辽宁省科技进步一等奖等省部级科技奖励4项
荣获“国之名医”优秀风范奖、王忠诚中国神经外科医师奖

刘志雄教授

中南大学湘雅医院

医学博士，一级主任医师，博士生导师，中南大学湘雅医院神经外科主任
湖南省保健会诊专家，中华医学会神经外科分会全国委员，中国医师协会神经外科医师分会常务委员，中国医师协会脑胶质瘤专业委员会副主任委员，中国胶质瘤协作组副组长，中国医师协会内镜医师分会常务委员，湖南省医学会神经外科学专业委员会候任主任委员，湖南省医学会内镜分会副主任委员，《国际神经病学神经外科学杂志》主编
采用分子影像技术开展功能区脑胶质瘤的精准诊断以及视觉传导通路评估和视觉功能预后评价体系的建立；运用术中多模态技术实施功能区的脑胶质瘤微创手术及脑功能保护技术；开展垂体瘤诊断及治疗MDT模式，对疑难复杂垂体瘤开展多学科诊疗；建立中枢神经系统肿瘤临床样本数据库
以脑肿瘤、脑功能保护为研究重点，针对脑肿瘤的病因、发病机制、诊断和治疗展开系统基础研究：发现胶质瘤、脑转移瘤的治疗靶点和垂体瘤侵袭性、复发相关的分子标记物；发现外泌体是垂体瘤对周围靶器官作用的重要途径
国内外顶级杂志发表70余篇文章，以第一项目人牵头主持国家自然科学基金、省部及校级各类课题15项。获教育部科技进步二等奖、全国医药科技进步奖一等奖等

刘嘉霖副主任医师

解放军总医院第一医学中心

解放军总医院第一医学中心神经外科医学部副主任医师
美国哈佛医学院附属McLean医院基因组学研究室博士后
现任中国生命关怀协会理事，中国生命关怀协会精准医疗与细胞治疗常务委员兼副秘书长，北京抗癌协会青年委员会委员，北京医学会神经外科分会神经外科转化医学学组委员
擅长颅内肿瘤诊治，尤其是脑胶质瘤的各种手术及术后综合治疗（电场治疗、免疫治疗、靶向治疗等）
获得军队科技进步二奖1项、解放军总医院科技进步三等奖1项。主持国家自然科学基金面上项目1项，军队重点课题1项、吴阶平医学基金会课题1项、中国人民解放军医院课题1项，参与多项省部级、军队及国家课题研究。发表学术论文24篇，其中以第一作者发表SCI论著7篇，拥有发明专利1项。参编《中国中枢神经系统胶质瘤免疫和靶向治疗专家共识》、《医学混合现实》等书籍著作

陈凌教授

解放军总医院第一医学中心

解放军总医院第一医学中心神经外科医学部神经肿瘤外科主任
主任医师，博士研究生导师，博士后合作导师
德国汉诺威国际神经外科研究所（INI）高级访问学者
曾任亚洲神经外科医师协会（ACNS）副主席，世界神经外科联合会（WFNS）神经外科技术委员会委员
现任中国生命关怀协会常务理事，中国生命关怀协会精准医疗与细胞治疗专业委员会主任委员，中国抗癌协会脑胶质瘤专业委员会常务委员，北京医学会神经外科学会神经外科转化医学学组副组长
教育部“新世纪优秀人才”、北京市科技新星，北京市高层次卫生技术人才、北京市“十百千”卫生人才
入选“科技部脑胶质瘤研究重点领域创新团队”
承担国家、军队等省部级以上课题35项
获国家科技进步二等奖等省部级以上奖项4项，在国际国内期刊发表文章108篇，主编、主译、参编著作9部
获“人民好医生学术成就奖”；获同行认可入选“胡润-平安中国好医生榜”
擅长颅脑肿瘤的外科手术治疗，以及脑胶质瘤的创新综合治疗（免疫治疗、电场治疗等）

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