Phương pháp nhiệt-từ trị sử dụng trong chữa trị ung thư được Gilchrist và các cộng sự đề xuất lần đầu tiên cách đây khoảng 50 năm [11]. Ý tưởng của ông là tập trung các hạt từ trong vùng khối u và sau đó đốt nóng chúng dưới tác dụng của một từ trường xoay chiều, do vậy chỉ những vùng mô tế bào nào có chứa hạt từ mới chịu tác dụng của nhiệt (hình 1.5). Trong thí nghiệm của Gilchrist, các hạt Fe3O4 với kích thước 0,02 0,1 μm được tiêm vào dưới màng thanh dịch trong thành ruột của chó
để chúng có thể tập trung trong vùng các hạch bạch cầu. Sau đó các hạch này được cắt ra khỏi cơ thể và đưa vào vùng từ trường xoay chiều có cường độ 200
240 Oe. Kết quả cho thấy nồng độ 5 mg hạt từ trên mỗi gam hạch bạch cầu có thể đạt được tốc độ tăng nhiệt 14 oC/3 phút. Hai năm sau đó, cũng nhóm này tiếp tục thực hiện nghiên cứu thử nghiệm trên thỏ và thu được kết quả tốt khi các hạch đã bị hoại tử hoàn toàn sau 3 phút đốt nóng trong từ trường 470 Oe. Kể từ các thành công ban đầu này, nhiệt-từ trị sử dụng hạt từ đã được coi như một trong những phương pháp triển vọng nhất trong cuộc chiến chống lại ung thư. Phương pháp này sau đó được phát triển theo ba hướng, phân loại bởi các cách đưa hạt từ vào vùng khối u [43]:
- Nhiệt trị theo đường động mạch (AEH – arterial embolization hyperthermia): cơ sở của phương pháp dựa vào đặc điểm là các khối u gan được nuôi bởi hệ động mạch gan, trong khi các mô tế bào gan bình thường lại nhận được nguồn cung cấp máu từ hệ tĩnh mạch chủ. Khi tiêm các hạt từ vào đường động mạch gan, người ta thấy rằng chúng tập trung ở vùng khối u với nồng độ cao hơn hẳn những vùng khác. Phương pháp này rất phù hợp với việc chữa trị ung thư gan ác tính và cũng là cơ sở của một số phương pháp được sử dụng hiện
khối u hạt từ
từ trường xoay chiều
Hình 1.5. Minh hoạ về quá trình đốt nhiệt sử dụng hạt nanô từ.
nay như xạ trị lựa chọn (selective internal radiation therapy), hoá trị động mạch gan (hepatic arterial chemotherapy) và hoá trị liên động mạch (transaterial chemoembolization). Cho đến nay chưa có thí nghiệm nhiệt trị động mạch nào được thực hiện trên cơ thể bệnh nhân nhưng đã có một số thí nghiệm thực hiện trên cơ thể thỏ và lợn [42]. Thí nghiệm đầu tiên sử dụng các hạt magnemite (Fe3O4) kích thước dưới micromet (đường kính 150 nm) phân tán trong lipiodol (một hỗn hợp của iốt với dầu thực vật). Trong từ trường xoay chiều (53 kHz; 30 kA/m), nhiệt độ đốt các tế bào đã tăng lên đến 48 oC trong 5 phút. Do lipiodol gây ra một số tác dụng phụ với các mô tế bào nên sau đó các hạt Fe3O4 này được bọc trong một hạt polymer nền (SIR-Sphere của công ty Sirtex Medical Ltd – Úc, đường kính hạt nền vào khoảng 32 μm) và phân tán trong dung dịch Tween 1%. Các hạt nền này là an toàn và tồn tại tốt, không gây ảnh hưởng đáng kể cũng như không mất tính sắt từ sau 28 ngày được tiêm vào cơ thể cũng như làm thay đổi mức iôn serium hoặc ferritin, cho thấy các hạt không mất trạng thái sắt từ.
- Nhiệt trị tiêm trực tiếp (DIH – direct injection hyperthermia): đây là phương pháp tiêm trực tiếp dung dịch của các hạt sắt từ có kích thước tương đối lớn vào vùng khối u và sau đó sử dụng từ trường xoay chiều để đốt nóng chúng. Ngược lại với nhiệt trị động mạch, trong đó nhiệt bắt nguồn từ các hạt sắt từ trong mạch máu, nhiệt tạo ra ở nhiệt trị tiêm trực tiếp xuất phát từ các hạt tập trung ở ngoài tế bào.
- Nhiệt trị nội tế bào (IH – intracellular hyperthermia): đây là phương pháp nhiệt-từ trị sử dụng các hạt từ phức tạp hơn. Các hạt có thể được bọc với các kháng thể đặc tính và được đưa đến khối u qua đường động mạch hoặc tiêm trực tiếp. Một số nghiên cứu cho thấy các hạt từ này sau đó có thể chui vào tế bào ung thư nên người ta thường gọi đây là phương pháp nhiệt trị nội tế bào. Ngoài ra các hạt từ vẫn được tập trung ở bên ngoài tế bào và đóng góp vào quá trình đốt nóng khối u cũng như những vùng xung quanh khối u.
Các kết quả nghiên cứu trên liệu pháp nhiệt-từ trị chữa trị ung thƣ:
Nghiên cứu trên động vật:
Thí nghiệm tiên phong của Gilchrist và các cộng sự thực hiện vào năm 1957 đã mở ra nhiều vấn đề nghiên cứu, không chỉ trên lĩnh vực y sinh cơ bản mà còn là các vấn đề về từ học hạt nanô và kĩ thuật điều trị. Sau đó, có nhiều thí nghiệm đã được thực hiện trên cơ thể các động vật như chuột, thỏ, chó và lợn [43]. Nhìn chung, hầu hết các nghiên cứu này đều cho thấy có thể đạt được nhiệt độ đủ cao để tiêu diệt các khối u trên cơ thể động vật. Năm 1979, Gordon và các
cộng sự lần đầu tiên sử dụng chất lỏng từ gồm các hạt magnetite được bọc dextran để chữa khối u vú trên chuột. Khác biệt chính trong thí nghiệm của Gilchrist và Gordon là các hạt từ Gilchrist sử dụng có phân bố kích thước rộng, trong khi các hạt trong thí nghiệm của Gordon có phân bố kích thước tương đối hẹp với kích thước trung bình 6 nm. 100 mg magnetite đã được tiêm chậm vào ven đuôi của chuột trong hơn 10 phút và sau đó 48 tiếng, chuột được đặt vào trong một từ trường xoay chiều (tần số 450 kHz và không đề cập đến giá trị cường độ) trong 12 phút. Nhiệt độ vùng khối u không được đo trực tiếp trong quá trình điều trị nhưng Gordon đã xác định công suất toả nhiệt của các hạt từ qua các thí nghiệm ex-vivo với các khối u đã được cắt ra ngoài. Tốc độ tăng nhiệt được ghi nhận trong thí nghiệm này là 8 oC trong 12 phút. Chuột đã chết sau thí nghiệm 1 tuần, và hầu hết các hạt magnetite được tìm thấy trong gan, lách và thận. Qua các ảnh hiển vi điện tử, Gordon đã phát hiện thấy có một số hạt từ đã bị “nuốt” bởi các tế bào trong khối u ung thư. Từ kết quả này, Gordon đã đề xuất khái niệm về phương pháp “nhiệt trị nội tế bào” với nguyên lý đốt nóng từng tế bào ung thư đơn lẻ bằng việc đưa các hạt từ vào bên trong chúng, sau đó tác dụng từ trường xoay chiều [14].
Sau đó vào những năm 1986-1989, Lerrch và Pizzarello đã cố gắng lặp lại và tìm hiểu kĩ hơn thí nghiệm của Gordon trong các điều kiện thí nghiệm tương tự, nhưng kết quả thu được lại rất khác biệt [35]. Khả năng bắt các hạt magnetite của các tế bào trong gan, lách và phổi là đáng kể, nhưng hầu như điều này không xảy ra trong vùng khối u. Các nghiên cứu cho thấy khối u đã phát triển với thể tích gấp đôi theo thời gian. 60 ngày sau thí nghiệm, chỉ có một số khối u không thay đổi, tuỳ theo số lượng lần áp dụng điều trị trong từ trường xoay chiều. Các phép đo nhiệt độ ngay sau thí nghiệm chữa trị cũng cho thấy nhiệt độ không tăng lên trong vùng khối u, mặc dù cường độ từ trường là rất cao (40 kA/m).
Cho đến nay đã có một số thí nghiệm cho thấy khả năng sống sót ổn định sau điều trị của động vật. Năm 1983, Luderer và các cộng sự đã điều trị chuột với khối u sarcoma Meth-A bằng các hạt sắt gốm - thuỷ tinh kích thước 1,5 µm trong từ trường 10 kHz và 40 kA/m. 50 % động vật đã hoàn toàn không còn khối u sau 5 ngày chữa trị và sau 497 ngày, tỉ lệ sống sót giảm xuống còn 12 % [35]. Sau đó vào năm 1997, nhóm của Jordan tiến hành thí nghiệm trên chuột được cấy khối u vú C3H và đã công bố kết quả với tỉ lệ 44 % sống sót và có khối u nhỏ đi hoặc biến mất sau 2 tháng kể từ khi điều trị [34]. Kết quả tốt nhất được công bố bởi Yanase và các cộng sự vào năm 1998, cho thấy 87,5 % số chuột với các khối u không tái phát triển trong vòng ba tháng [55] (hình 1.6). Sử dụng các magnetoliposome (một loại hạt từ bao gồm lõi là hạt Fe3O4 được bọc bởi một
lớp mỡ bên ngoài) được bọc bởi các phân tử kháng thể, Le và các cộng sự đã công bố thành công trong việc khống chế các khối u [19]. Và cho đến nay, song song với các thí nghiệm trên động vật còn có một số bằng phát minh sáng chế về phương pháp nhiệt trị sử dụng hạt từ đã được đăng kí [17, 49].
Hình 1.6: Quá trình phát triển của khối u trên cơ thể chuột (mỗi đường số liệu tương ứng với một chuột thí nghiệm) theo thời gian sau các lần áp dụng điều trị trong từ trường xoay chiều trong thí nghiệm của Yanase và các cộng sự. Sự tái phát triển của khối u không còn xuất hiện sau 3 tháng [55].
Nghiên cứu trong tế bào cấy
Nhiều nghiên cứu về nhiệt-từ trị cũng được thực hiện với các thí nghiệm ngoài cơ thể (in-vitro), sử dụng các tế bào được nuôi cấy nhân tạo (cell culture). Mục đích chính của các thí nghiệm này là thử nghiệm tính tương hợp sinh học của các hạt ôxít sắt đã được bọc các polymer bề mặt và khảo sát tương tác của các hạt từ với các loại tế bào khác nhau trong dung dịch. Các lớp bọc thường được sử dụng là dextran, carboxydextran, citrate, polyethleneglycol hoặc starch. Độc tính của các lớp bọc này đã được nghiên cứu bởi Hafeli và Pauer [15].
Thời gian điều trị (ngày) Thời gian điều trị (ngày)
Thời gian điều trị (ngày) Thời gian điều trị (ngày)
T hể tí ch k hối u ( m m 3 ) T hể tí ch k hối u ( m m 3 ) T hể tí ch k hối u ( m m 3 ) T hể tí ch k hối u ( m m 3 )
Không chiếu từ Chiếu từ 1 lần
Vào năm 1993, Chan và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm đốt nhiệt-từ in-vitro với các hạt Fe3O4 (magnetite) bọc dextran (được gọi là các hạt ôxít sắt từ tính dạng keo, CMIO – colloidal magnetic iron oxide). Không có độc tính nào của các hạt CMIO dextran được phát hiện sau 24 giờ ủ bệnh với nồng độ hạt 10 mg/ml. Sau thí nghiệm đối với các tế bào u adenocarcinoma A549 phổi người, Chan đã đưa ra kết luận rằng sự tiêu diệt tế bào ung thư hoàn toàn là do tác dụng của nhiệt [8]. Cũng vào năm này, nhóm nghiên cứu của Jordan đã thử nghiệm khả năng bắt hạt từ của các tế bào carcinoma người khi đặt các khối u vào môi trường chất lỏng từ (các hạt ôxít sắt được bọc dextran) trong nhiều ngày. Qua các ảnh chụp hiển vi điện tử, Jordan nhận thấy lớp bọc dextran của nhiều hạt đã bị hyđrát hoá bởi các enzyme tiêu hoá. Quá trình mất mát của lớp bọc dextran khiến các hạt bị kết tụ lại thành chuỗi bên trong tế bào, và các chuỗi hạt này không được quan sát thấy bên ngoài tế bào. Dựa vào các kết quả trên, Jordan đã đưa ra kết luận rằng trên thực tế các tế bào ung thư có thể bắt đủ lượng hạt từ, nhưng do lớp bọc dextran bị phá huỷ và các hạt từ kết tụ lại với nhau nên nhiệt lượng toả ra từ bên trong tế bào thấp hơn yêu cầu, do vậy hầu hết các tế bào đều có thể sống sót sau kích thích từ trường xoay chiều. Mặc dù không đạt được hiệu quả tốt trong nhiệt-từ trị nội tế bào với các hạt Fe3O4 bọc dextran nhưng Jordan vẫn rất tin tưởng vào khả năng ứng dụng của phương pháp này khi sử dụng một số vật liệu với lớp bọc khác.
Ngược lại với quan điểm về nhiệt trị nội tế bào của Jordan, một số nhóm của Hergt [19], Rabin [48] và Neuberger [44] đã đưa ra các nghiên cứu cho rằng tác dụng nhiệt ở mức đột tế bào là không đáng kể và hoàn toàn không có lý do gì để phân biệt giữa “nhiệt trị nội tế bào” với “nhiệt trị ngoại tế bào”. Điều quan trọng trong việc điều trị là phải đạt được nồng độ hạt từ trong khối u đủ cao, bất chấp vị trí của hạt từ ở trong hay ở trên tế bào ung thư.
Một số thí nghiệm in-vitro cũng được tiến hành với mục đích nghiên cứu khả năng các hạt từ được gắn lên tế bào khối u. Năm 1995, Suzuki đã đạt được hiệu suất cao khi gắn các kháng thể đặc hiệu đơn tính lên trên các hạt magnetite bọc polyethylene glycol. Sau thời gian ủ, trên mỗi tế bào BM314 nguời ta đã phát hiện thấy một lượng 90 pg magnetite, cao gấp bốn lần so với trên các tế bào không được gắn. Tuy nhiên hiệu suất gắn hạt từ này vẫn là thấp để có thể tạo được tác dụng điều trị của nhiệt độ đối với các tế bào ung thư.
Ứng dụng với bệnh nhân
Mặc dù đã thu được một số kết quả khả quan nhưng việc tiến đến áp dụng thử nghiệm trên cơ thể người vẫn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu do kích
thước các thiết bị thường tương đối nhỏ và chỉ phù hợp với cơ thể động vật. Vào giữa những năm 1990, nhóm nghiên cứu của Jordan đã đẩy mạnh phát triển phương thức nhiệt-từ trị để bước đầu thử nghiệm trên cơ thể người. Mục tiêu của nghiên cứu là cố gắng đạt được lượng hạt từ có nồng độ đủ cao ở vùng khối u, và sau đó điều khiển chính xác nhiệt độ đốt bằng việc tính toán chính xác công suất toả nhiệt và phân bố hạt từ trong khối u. Trước tiên, các phân bố của các hạt từ phải được quan sát bằng các thiết bị như siêu âm, chụp xạ hoặc MRI sau khi tiêm vào trong cơ thể. Sau đó, sử dụng phân bố không gian và công suất toả nhiệt (SLP) của các hạt từ để tính chính xác khoảng tăng nhiệt độ trong vùng khối u. Nhiệt độ được đo tức thời với việc sử dụng các đầu dò quang học được đưa vào cơ thể. Quá trình đốt nóng có thể được điều khiển bởi các thông số như cường độ từ trường và thời gian chiếu. Tuy nhiên ngay cả với khối u có dạng hình cầu, đạt được sự phân bố đồng nhất các hạt từ cũng là rất khó khăn. Cho đến nay nhóm nghiên cứu của Jordan đã chế tạo một thiết bị tạo từ trường xoay chiều MFH – 300 F với tần số 100 kHz và cường độ 18 kA/m (hình 1.7) và bắt đầu thử nghiệm chữa trị một số loại ung thư trên cơ thể người [12, 13, 29-32].
Hình 1.7: Thiết bị MFH – 300 F (công ty MagForce) dùng trong nhiệt-từ trị.