Sviluppo delle applicazioni cliniche dell'elettroporazione nel trattamento delle metastasi cutanee e dei tumori dei tessuti molli

Introduction. The principle of cell electroporation (EP) (the temporary permeabilization of the cytoplasmatic membrane by means of electric fields) has been applied to the treatment of tumors with the intent of increasing the concentration of anticancer drugs (cisplatin and bleomycin) within the tumor cell and hence their cytotoxic effect. Until 2006, the year of standardization of the electrochemotherapy (ECT) procedure, clinical experience was limited to small heterogeneous series, mainly focused on local activity data in patients with superficial metastases. Aims. The aim of this project was to investigate the efficacy of ECT in homogeneous populations of cancer patients of different histotypes (patients with skin metastases from malignant melanoma, recurrent breast cancer on the chest wall, recurrent soft tissue sarcomas and tumors of the head and neck area). Furthermore, it was investigated the feasibility and efficacy of a new device (electric pulse generator and dedicated needle electrodes), capable of applying homogeneous electric fields also to deep tumors. Finally, we investigated, both at clinical and preclinical level, the possibility of improving the effectiveness of ECT by, respectively, the evaluation of some immune effect of treatment (i.e., the induction of the Toll-like receptors, TLRs) and the evaluation of the tumor sensitizing action to ECT of buthionine sulfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione biosynthesis. Methods. Overall, four prospective, phase-II, clinical trials were designed, three of them have been concluded and a fourth is still ongoing and patients’ enrollment is open. Moreover, a retrospective study was performed on head and neck cancer patients. In some patients, tissue samples were analyzed before and after ECT, to evaluate the expression of TLRs. Finally, some in vitro tests were conducted on tumor cell lines to assess the sensitizing effect of BSO pre-treatment to BLM + EP administration. Results. All the histotypes showed high local response rates and ECT activity was more pronounced than standard chemotherapy regimens employed in current oncology practice. Local response translated in an appreciable local control of the treated tumors, while toxicity was limited and mainly local. TLRs levels in post-ECT tumor biopsies was not significantly different, compared with pre-ECT samples. However, the immune reaction seems to play a role since a high lymphocytic infiltrate into the electroporated lesions was associated with higher response rates. In vitro tests, BSO pretreatment enhanced the cytotoxicity of BLM + EP. Of note, we also found an increased toxicity of melphalan, a drug currently used in the treatment of locoregional melanoma, in association with EPs. Thanks to the multi-disciplinary collaboration and clinical case management, we have individuated some technical aspects that deserve further improvement in order to increase the effectiveness of treatment application and the number of patients who can benefit from it. Conclusions. ECT has proved a highly active treatment in recurrent melanoma, breast cancer, soft tissue sarcomas and cancers of the head and neck region. The preliminary clinical experience with a new device and dedicated electrodes indicates the feasibility to treat percutaneously even large, deep-seated tumors. Although ECT treatment do not seem to raise the levels of TLRs in the electroporated tumors, however the levels of lymphocytic infiltration were associated with better local response. In vitro, BSO pre-treatment is able to sensitize tumor cells to the combined treatment of BLM and EP. Electroporation deserves further investigation also in combination with melphalan, which is currently used in locoregional chemotherapy of in transit metastases from melanoma. In conclusion, ECT has the potential to be implemented in the oncology field through the multidisciplinary collaboration of oncologists, surgeons, radiation oncologists, biologists and engineers.

Introduzione. Il principio fisico dell'elettroporazione (EP) cellulare (la temporanea permeabilizzazione della membrana citoplasmatica per mezzo di campi elettrici) è stato applicato al trattamento dei tumori con l'intento di aumentare la concentrazione dei farmaci antiblastici (bleomicina e cisplatino) all'interno della cellula tumorale e, di conseguenza, la loro azione citotossica. Fino al 2006, anno di standardizzazione della procedura dell'elettrochemioterapia (ECT), l'esperienza clinica con questo tipo di trattamento era limitata ad alcuni studi di efficacia. Scopo. Lo scopo del progetto è stato quello di indagare l'efficacia dell'ECT in popolazioni omogenee di pazienti oncologici (pazienti con metastasi cutanee da melanoma, recidiva da carcinoma mammario sulla parete toracica, recidiva di sarcoma dei tessuti molli, tumori del distretto capo-collo). Inoltre, è stata indagata la fattibilità  e l'efficacia di una nuova apparecchiatura, in grado di applicare il trattamento anche a tumori profondi. Infine, è stata indagata, a livello clinico e preclinico la possibilità  di migliorare l'efficacia del trattamento tramite, rispettivamente, la valutazione degli effetti immunologici del trattamento (induzione dei Toll-like receptors, TLRs) e la valutazione dell'effetto sensibilizzante della butionina sulfossimina (BSO) all'azione della bleomicina. Metodi. Complessivamente, sono stati disegnati quattro studi clinici prospettici di fase II, di cui tre conclusi ed uno attualmente in corso di arruolamento, ed uno retrospettivo. Inoltre, sono stati analizzati i campioni tessutali di alcuni pazienti prima e dopo il trattamento per analizzare i livelli di espressione dei TLRs. In fine, sono stati condotti degli studi su linee cellulari per valutare l'effetto sensibilizzante della BSO al trattamento con BLM + EP. Risultati. In tutti gli istotipi tumorali trattati l'ECT ha dimostrato, a livello locale, un livello di attività  superiore a quello dei regimi di chemioterapia attualmente impiegati. Questo si è tradotto in un apprezzabile controllo locale dei tumori trattati, a fronte di una tossicità  limitata e perlopiù locale. Nei campioni tissutali prelevati prima e dopo il trattamento, la variazione dei livelli dei TLRs non è risultata significativa, ma un elevato infiltrato linfocitario nella lesione è risultato correlato con il grado di risposta locale. In vitro, il pretrattamento con BSO aumenta la citotossicità  del trattamento con BLM + EP. Un risultato ancillare è stato anche il riscontro di un aumento della tossicità  del melphalan, un farmaco attualmente impiegato nella terapia loco regionale del melanoma, in associazione all'EP. La applicazione clinica dell'ECT ha permesso di rilevare (anche grazie alla collaborazione multidisciplinare) alcuni aspetti tecnici (applicazione e gestione del campo elettrico sui tessuti) meritevoli di essere migliorati per aumentare l'efficacia del trattamento ed il numero di pazienti che possono beneficiarne. Conclusioni. L'ECT si è dimostrata un trattamento dotato di un'elevata attività  nel trattamento delle recidive di melanoma, carcinoma mammario, sarcomi dei tessuti molli e tumori del distretto capo-collo. L'esperienza clinica iniziale con una nuova apparecchiatura ed elettrodi dedicati ha rilevato la possibilità  di trattare efficacemente anche i tumori profondi. Il trattamento di ECT sembra non ha innalzato significativamente i livelli di TLRs nei tumori dei pazienti trattati, ma livelli elevati di infiltrato linfocitario nel tumore sono risultati correlati con livelli maggiori di risposta locale. La BSO è in grado di sensibilizzare in vitro i tumori al trattamento combinato con BLM ed EP. L'EP merita di essere ulteriormente indagata, anche in associazione al melphalan nei pazienti con melanoma. In conclusione, l'ECT ha la potenzialità  di essere implementata in campo oncologico attraverso la collaborazione multidisciplinare di oncologo, chirurgo, radioterapista, biologo ed ingegnere.