肿瘤热疗生物学原理及肿瘤治疗学定位（1）[教案]

东南大学临床医学院肿瘤教研室（南京  210009）

李苏宜

热物理治疗是一项抗恶性肿瘤新技术，正处于发展初期的初期阶段，被认为是一项发展前景明确，广阔的治疗方法和临床肿瘤学的一个分支学科。

热疗的分类

肿瘤热物理治疗，简称肿瘤热疗（hyperthermia），是利用物理疗法包括电磁波，超声波，远红外线等热源，使组织加热，达到杀灭恶性肿瘤的目的。肿瘤的热疗目前尚无统一的规范，习惯按其加热的范围，作用的部位，加热源的不同和导入方式来分类。

一：按加热范围分类

1.      全身加热  全身各部位都得到加热，体温被动升高至41.3~41.8℃,或轻度热疗下体温维持在39.5～41.5℃，4～6h之间。同时监测心率，血压的变化。全身加热的热源一般都采用红外线以热传导的方式或热辐射的方式加热，包括远红外线辐射，全身热水浴（热传导），体外循环加热法（热传导）和局部区域性加热致全身体温升高的加热方法等。

2.      区域加热  这是一种比局部加热范围更大的一种热疗方法。区域加热的范围约占机体体积的1/5～1/3，加热时体温有明显的升高，并伴心率加快，血压降低。区域性加热的热源一般采用射频环形阵列（电极）经体表进行加热，能对深部的病变进行有效的加热。

3.      局部加热  热作用的范围局限于体表投影最大直径≤30cm的加热，由于热作用的范围小，加热时不会引起体温的明显升高，是最安全有效的一种热疗方法，也是肿瘤热疗最常用的加热方法。局部加热常用热源有超声波局部加热，微波局部辐射加热，射频电感式局部透热和射频电容式局部透热，其中前三种加热方法适于较表浅病灶，射频电感式局部透热适用于深部及表浅病灶。

4.      单病灶加热  热作用范围局限于单个病灶。这种方法的特点是局部热量较高，病灶多达到凝固性坏死或变性的程度，对全身体温几乎无任何影响。单病灶加热常用热源有聚焦超声，射频和微波。有体外式，自然腔道插入式或组织间介入式。主要治疗目的是靶病灶的灭活或靶病灶的加热增敏放疗。

二：按热量导入体内方式分类

1.    体外（表）加热  无论采用任何热源和作用方式，主要是热源经过体表作用于病变的方法，统称经体表加热法。这种方法系非损伤的治疗方法。其中，对体表表浅部位的加热热源多采用微波，远红外线，超声波等，称为体表加热。而对于可以达到深部组织加热目的的电容式射频加热方式，习惯上称为深部组织透热。聚焦超声的单病灶灭活性热固化加热也是表外加热方式，但通常不用“透热”一词来表示。

2.    自然腔道加热  通过自然腔道途径将电极或辐射器插入进行加热的方法，多用于直肠癌，鼻咽腔病变，宫颈癌，食道癌的治疗。这种方法避免了热源的能量被体表，深层组织吸收而消弱对体腔内病变的加热，使热源能直接对体腔病变进行加热。此方法多与放疗合用，以对放疗增敏。

3.    组织间加热  这是一种损伤性的加热方法，就是将针状电极或微波针状辐射器直接刺入病变组织，使病变组织直接加热。此种方法多达到热固化坏死的地步，多用于单病灶灭活的治疗。

三 按加热热源分类

1. 超声波加热  超声波是一种机械波，它本身没有热辐射，它的加热作用是通过超声波作用于机体组织细胞的微粒，是微粒按超声波的频率产生运动，互相摩擦产生热，这种热也称内源热。超声波对机体组织有较强的穿透能力，但要求组织均一性强。由于人体组织结构的非均一性，当超声波从一个媒介质进入另一个媒介质时，会产生被组织部分吸收，部分反射，从而使超声波在组织间传导时迅速衰减。利用凹面超声探能器将超声波聚焦成点（通常为纺锤体）导入人体靶组织，通过由点成线，由线成面，由面成体来完成对整个瘤体的热固化。

2. 高频电波  由长波，中波，短波，超短波和分米波，厘米波，毫米波组成，即射频和微波组成，射频的高频端（短波，超短波）采用电容式局部加热的方法导入人体。长波，中短波则多用于组织间加热。微波对组织的穿透能力与其频率有关，频率越高，深度越浅。电磁波系无线电波，本身不发热，作用于人体，使组织中常电荷离子，偶极子在高频磁场下随之震动，而摩擦生热。

3. 红外线  近红外线是通过热辐射而加热，不推荐用于恶性肿瘤的热物理治疗中。远红外线由于通过谐共振原理使得组织表皮下5mm深度发生离子，偶极子振动而带动了微血管血液温度升高，进而致使全身体温被动升高。因而用于全身亚高温加热。

四 按温度分类

1. 炭化 瞬间200℃及以上温度，达到靶点炭化，多不用于恶性肿瘤的热疗之中。例如肠道内镜的高频电刀等。

2. 固化 65～100℃的温度，可使组织凝固性坏死。多见于组织间加热和聚焦超声加热。

3. 高温 以体外射频电容式加热为代表，局部温度多为43.5℃左右，配合放疗和/或化疗，以提高疗效。

4. 亚高温 39.5～40.5℃，或41.5℃，多用于全身性加热。例如远红仑式加热，应配合化疗使用。

机体生物热效应机制

一 关于温度指标

多数肿瘤细胞致死温度的临界值在42.5～43℃，在此温度范围延长加温时间，可加重肿瘤细胞的损伤和抑制增生。不同类型的恶性肿瘤细胞对温度的敏感性差别较大。杀灭恶性肿瘤细胞的最低限被认为式42℃×2h，正常组织能耐受42～43℃高热。

在恶性肿瘤热物理治疗中，多围绕两个变量来进行量化评定热量的大小，即时间和温度。被加热的靶组织温度越高，杀灭靶细胞所需时间就越短。两者关系是升高1～2℃，加热持续时间可缩短1/2。临床上多数情况下为了保证安全和降低痛苦，多采用延长时间的方法。

二 高热对正常组织的影响

器官组织的热敏感性以睾丸，晶状体对热特别敏感，容易产生热损伤。其次是那些组织代谢更新率较高的器官包括胃肠，骨髓，肝，肾。而那些组织代谢更新率较低的器官则耐受性相对较强，包括膀胱，食管，骨皮质，周围神经等。

动物试验表明，42～45℃加热时，可导致狗致命性心动过速的发生，并发生心肌局灶性缺血坏死和出血。食管对热的耐受性相对于胃肠来说较高，比较适于腔内近距表面加热。由于肠内容物可大量吸热而不能散热，腹部局部加热至43.5℃左右时易发生胃肠壁的坏死而发生胃溃疡，十二指肠球部溃疡甚至穿孔，后者尤多见于微波体外辐照。过热可引起肝脏显著充血，肝细胞肿胀变性。子宫颈对热耐受性较好。

三 对实体瘤作用机制

1.微血管及血流

正常组织与恶性肿瘤组织的微血管结构与血流速度不同，造成两者内环境存在差异，是高热对肿瘤组织有选择性损伤的基础。肿瘤组织由于其动脉和回流静脉不是在胚胎阶段完成的完善配置，因而有以下特点：1.血管神经感受器不健全，对温度的感受性差；2.形态异常，呈线圈样扩张扭曲，血管极为丰富，但杂乱且有动静脉瘘，血流阻力大；3.毛细血管由单层内皮细胞和缺乏弹性基膜的外膜组成，脆弱易破裂；4.血管内皮细胞间隙大，部分由肿瘤细胞衬覆，细胞增生向管腔突出，一起阻塞；5.肿瘤组织的血流量低于邻近的正常组织。加温后可致肿瘤组织血流量进一步减少，原因可能与加温直接造成瘤组织微血管内皮细胞热损伤和红细胞柔性减弱，使瘤组织微循环发生障碍，血流阻力增加；和加温时周围正常组织血管扩张，血流发生“改道”现象有关。

2.温度差现象

由于以上原因，恶性肿瘤组织在透热时局部温度要高于周边邻近的正常组织，其温度差则高达5～10℃，并且肿瘤组织中央温度高于周边温度。因此，当临近正常组织被加热至43℃时，瘤体内部温度可高达48～53℃，而组织对热耐受的最高极限温度也只有45℃。越过此界限值，则组织细胞将发生变性坏死。这种巧妙地运用了温度差现象加热治疗恶性肿瘤的方法称为高频透热选择性加热作用。

值得一提的是，上述温度差现象在那些体积较小的病灶或片状生长的病灶中不明显，通常认为仅有1～2℃的温度差，这是由于血流量差别不大的缘故。

4.    酸化效应

恶性肿瘤组织中广泛存在低血运区，乏氧区和坏死区，导致细胞膜葡萄糖转运载体和糖酵解关键酶的基因表达上调，肿瘤细胞表现为以糖酵解途径为主要方式来利用能量，因此生成大量乳酸。加热时局部温度升高可继续通过血流减少－>乏氧加重->酵解增强->乳酸进一步增多的途径，加重局部的pH值下降。血运经加热后进一步下降，进一步加重了瘤内因血管系统相对不健全而导致的低灌注，后可低流入，代谢产物低排出“三低现象”的加重。酸化环境可以通过降低瘤细胞的热耐受性直接损伤瘤细胞等途径起作用。

5.    直接损伤肿瘤细胞

高热除了以上对瘤组织血管和血运系统，代谢等方面的影响外，对瘤组织细胞膜及DNA,RNA蛋白质的合成均有抑制或破坏作用。

有学者认为，热杀伤作用可能归结于细胞膜的损害，以及对细胞骨架和细胞分裂行为（包括染色体蛋白，DNA修复酶）的直接作用，或者可能与细胞膜通透性的继发性影响有关，例如影响Na+，K+,Ca2+,谷胱甘肽，ATP等的通透性。还有人推测瘤细胞膜的胆固醇含量较正常低，膜流动性强，温热可使细胞质膜的液晶相发生改变，引起膜的流动性和通透性发生改变，同时导致附着在膜上的蛋白质，特别是酶系统活性降低，失活，或膜蛋白脱落异位。

处于S期的细胞对热比较敏感，由此认为热对RNA,DNA合成存在负性影响，且RNA对热损伤早于DNA。高热可以使细胞溶酶体的活性升高，从而加速细胞的破坏，此外，还有线粒体的破坏。

四 热疗后瘤体病理变化

1.    变化过程

多数动物模型发现，在43℃左右时疗后的2－5H开始出现肿瘤细胞轻度收缩，胞浆染色加深，细胞核染色体聚集靠近核膜使核膜更清楚，核仁消失。疗后24小时肿瘤细胞核发生固缩，分裂相停滞在分裂前期。数天后，可发生细胞核碎裂和间质纤维组织增生，由少到多，并出现吞噬细胞。两周左右完成纤维化和吞噬死亡细胞过程。50℃及以上则可发生凝固性坏死。

2.    大体变化

43℃持续60min（一次治疗后），可见肿瘤组织轻度充血，呈粉红色，充血水肿，体积稍大，质地无变化；二次治疗后，肿瘤则呈暗红色，质软；三次治疗后，则可见中央区坏死病灶；四次及以上多次治疗后，瘤体中央区可见到奶黄色坏死灶，质脆。热固化治疗后可见到十分清晰的奶黄色坏死病灶，质脆，硬，可见到周边充血水肿，两周后可见到包膜形成。

3.    镜下观

高热下（43℃持续60分钟）瘤细胞和瘤组织微血管基质发生急性损伤，表现为微血管充血，扩张，瘤细胞肿胀，胞浆出现空泡，数次疗后可见到细胞萎缩，胞浆凝固，核缩和核裂。肿瘤边缘有肉芽组织和包膜形成，内有淋巴细胞及吞噬细胞反应。热固化后病灶区有大量坏死细胞，HE染色后呈红色，周边有大量肉芽纤维细胞包绕，内有大量吞噬细胞，聚焦超声热固化后的瘤细胞内可见到大量大的空泡。

五 导致细胞凋亡

高热杀伤肿瘤细胞的重要机制之一就是引起细胞凋亡。高温不仅能诱导正常细胞凋亡，而且能诱导肿瘤细胞凋亡，从凋亡的强度和持续时间来看，二者之间存在差异，以肿瘤细胞敏感性为高。由于细胞凋亡作为主动的受基因调控的细胞自杀过程，其诱导和抑制受遗传基因的控制。关于热诱导细胞凋亡现已证实与多种基因参与其调控有关；1.凋亡促进基因包括野生型p53基因和Fas基因等2.凋亡抑制基因包括bcl－2，突变型p53基因和ICE族的抗凋亡基因3.双重作用的基因包括c-myc,c-fos,c-jun等癌基因。这些促凋亡和抑制凋亡基因之间的调节因高热而失去平衡，直接或间接导致了肿瘤细胞的凋亡发生。高热诱导细胞凋亡发生的另一个机理就是DNA受到高热伤害后在功能和空间结构上发生了多种系列改变，启动促进凋亡基因而致凋亡发生。热休克蛋白因高热而产生，在肿瘤细胞凋亡方面起双重作用，既可诱导肿瘤细胞凋亡，又有抗细胞凋亡的作用。