IDH基因突變與膠質(zhì)瘤相關(guān)性的研究進(jìn)展

李銳，馬林

1.解放軍總醫(yī)院放射診斷科，北京 100853；2.南開(kāi)大學(xué)醫(yī)學(xué)院，天津 300071；*通訊作者 馬林 cjr.malin@vip.163.com

膠質(zhì)瘤是腦內(nèi)最常見(jiàn)的腫瘤之一，約占所有顱內(nèi)腫瘤的40%～50%。既往世界衛(wèi)生組織（WHO）的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類中，膠質(zhì)瘤的分型一直沿用病理形態(tài)學(xué)分類，即分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)，隨著級(jí)別增加，其惡性程度也相應(yīng)地增加；2016 版中樞神經(jīng)系統(tǒng)WHO 腫瘤分類在腫瘤組織病理形態(tài)學(xué)分類的基礎(chǔ)上引入分子遺傳信息，從而形成“整合診斷”的新模式，即組織病理學(xué)分類和分子遺傳學(xué)診斷模式[1]。在過(guò)去十幾年中，對(duì)膠質(zhì)瘤的潛在遺傳原因的研究取得了重要進(jìn)展：異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）是細(xì)胞能量代謝的重要限速酶，IDH基因突變改變了IDH 酶的活性，使得膠質(zhì)瘤的代謝和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響患者的治療和預(yù)后。本文就IDH基因突變對(duì)膠質(zhì)瘤的發(fā)生、發(fā)展、診斷、治療和預(yù)后等方面的影響進(jìn)行綜述。

1 IDH基因及其突變基因的發(fā)現(xiàn)

IDH是參與細(xì)胞代謝、表觀遺傳調(diào)節(jié)、氧化還原和DNA 修復(fù)的關(guān)鍵酶，其可催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）。IDH突變后可導(dǎo)致其下游產(chǎn)物 D-2 羥基戊二酸（D-2-hydroxyglutarate，D-2-HG）的積累，D-2-HG與α-KG結(jié)構(gòu)類似，從而D-2-HG可競(jìng)爭(zhēng)性地抑制α-酮戊二酸依賴酶[2-3]。

Parsons 等[4]通過(guò)外顯子基因測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中存在IDH1突變，其幾乎存在于所有繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，但極少見(jiàn)于原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中。Yan 等[5]發(fā)現(xiàn)IDH突變不僅存在于WHO Ⅳ級(jí)繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤內(nèi)，也存在于大多數(shù)WHO Ⅱ/Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤中。此外，IDH突變也存在于其他腫瘤性病變中[6-7]，如大腸癌、急性髓系白血病、黑色素瘤、肝內(nèi)膽管細(xì)胞癌等。人類基因組中含有5種不同的IDH，編碼3種不同的酶產(chǎn)物，即IDH1、IDH2和IDH3。在人類膠質(zhì)瘤中，主要為IDH1和IDH2突變，而IDH3突變較少見(jiàn)[8]。

2 IDH基因突變的常用分子檢測(cè)方法

膠質(zhì)瘤的IDH基因檢測(cè)不僅有助于術(shù)前膠質(zhì)瘤的診斷分型，還有助于膠質(zhì)瘤患者治療方案的選擇和預(yù)后判斷，故IDH突變的檢測(cè)具有重要的臨床意義。IDH1的檢測(cè)位點(diǎn)位于第4 外顯子的R132位點(diǎn)，以精氨酸-組氨酸（R132H）位點(diǎn)最常見(jiàn)[5]，約占所有IDH突變的80%～90%。IDH2的檢測(cè)位點(diǎn)位于第4 外顯子的R140和R172，以精氨酸-賴氨酸（R172K）位點(diǎn)最常見(jiàn)[5]，約占3%，且極少同時(shí)發(fā)生IDH1和IDH2突變，因此臨床上以檢測(cè)IDH1突變?yōu)橹?，主要檢測(cè)IDH1R132H位點(diǎn)，同時(shí)可行IDH2突變檢測(cè)。目前IDH突變基因的檢測(cè)方法主要有免疫組化檢測(cè)和基因測(cè)序。IDH1R132H 單克隆抗體免疫組化法檢測(cè)IDH1突變結(jié)果與PCR 檢測(cè)結(jié)果具有較好的一致性[9]，因此，臨床上IDH1R132H 單克隆抗體免疫組化分析可作為檢測(cè)膠質(zhì)瘤IDH基因突變的一線檢測(cè)方法，PCR 技術(shù)可作為補(bǔ)充手段用于檢測(cè)IDH1的其他突變和IDH2突變。

3 IDH基因突變?cè)谀z質(zhì)瘤中的應(yīng)用價(jià)值

3.1IDH基因突變?cè)谀z質(zhì)瘤診斷中的意義IDH突變被認(rèn)為是膠質(zhì)瘤發(fā)生和發(fā)展的早期事件[10]，IDH基因的突變狀態(tài)已成為彌漫性膠質(zhì)瘤的最重要的分子學(xué)特征之一[11]，其發(fā)生早于P53 突變和1p/19q的共同缺失。多項(xiàng)研究表明，IDH突變的膠質(zhì)瘤在臨床和遺傳背景上不同于IDH野生型膠質(zhì)瘤[5]，與WHO Ⅱ、Ⅲ級(jí)IDH野生型膠質(zhì)瘤及膠質(zhì)母細(xì)胞瘤相比，IDH突變的患者更為年輕。對(duì)于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者，IDH突變見(jiàn)于90%以上的繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，患者較為年輕且有低級(jí)別膠質(zhì)瘤病史[12-13]，而罕見(jiàn)于原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。除彌漫性膠質(zhì)瘤外，IDH突變少見(jiàn)于腦內(nèi)其他腫瘤或非腫瘤性病變，如毛細(xì)胞型星形細(xì)胞瘤、節(jié)細(xì)胞膠質(zhì)瘤、室管膜腫瘤和髓母細(xì)胞瘤均未發(fā)現(xiàn)IDH突變。另外，IDH的檢測(cè)可有助于鑒別低級(jí)別膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)增生[14]。

3.2IDH基因突變?cè)谀z質(zhì)瘤治療和預(yù)后中的意義IDH突變后引起膠質(zhì)瘤的代謝和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響膠質(zhì)瘤的生物學(xué)特性。病理組織學(xué)特征相同或相似的膠質(zhì)瘤可以表現(xiàn)為不同的分子遺傳學(xué)背景，導(dǎo)致WHO 分級(jí)相同的膠質(zhì)瘤患者表現(xiàn)為不同的預(yù)后。研究表明，存在IDH突變的低級(jí)別膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的總體生存率和無(wú)進(jìn)展生存期更好[10]。此外，對(duì)于WHO Ⅱ、Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤，IDH突變的患者較具有相同WHO 分級(jí)但I(xiàn)DH為野生型的膠質(zhì)瘤的預(yù)后更好[15]。Zhang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變可影響膠質(zhì)瘤術(shù)后放化療的敏感性，與IDH野生型患者相比，IDH突變患者手術(shù)后進(jìn)行放療和化療可明顯延長(zhǎng)無(wú)進(jìn)展生存期（P＜0.001）。季玉陳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，IDH和（或）1p/19q 聯(lián)合缺失的間變型少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤患者的臨床預(yù)后較好；在1p/19q 完整而IDH突變的Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤患者中，對(duì)其進(jìn)行烷基化療后聯(lián)合放療可提高患者的生存率，表明不僅1p/19q的突變狀態(tài)對(duì)患者預(yù)后有影響，IDH的狀態(tài)也有助于篩選能從化療和放療中獲益的患者[18]。

4 IDH基因突變?cè)贛RI上的表現(xiàn)

MRI是腦腫瘤診斷的首選檢查方法。傳統(tǒng)的MRI主要從腫瘤的部位、形態(tài)、邊界、異質(zhì)性及強(qiáng)化方式等對(duì)腫瘤進(jìn)行判斷。隨著MRI 新技術(shù)的發(fā)展，一些功能成像已廣泛應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的術(shù)前診斷、鑒別診斷及術(shù)后復(fù)發(fā)、放療壞死的評(píng)估等，如動(dòng)脈自旋標(biāo)記灌注成像、動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比MRI、動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)MRI及磁共振波譜成像（MRS）等。然而，隨著分子基因分型的引入，如何利用現(xiàn)有的影像學(xué)檢查方法對(duì)這些新分類的“整合診斷”進(jìn)行歸納總結(jié)，找到合適的影像學(xué)標(biāo)記，在術(shù)前對(duì)IDH的突變狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，是目前神經(jīng)影像學(xué)的研究熱點(diǎn)。

4.1IDH基因突變?cè)诔Ｒ?guī)MRI上的表現(xiàn) 常規(guī)MRI對(duì)預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤IDH的突變狀態(tài)有一定的價(jià)值，主要通過(guò)病變的部位、大小、強(qiáng)化方式及是否存在囊變進(jìn)行判斷。既往研究回顧WHO Ⅱ、Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤發(fā)現(xiàn)，IDH突變的膠質(zhì)瘤更常局限于累及單個(gè)腦葉，尤其是側(cè)腦室前部周圍的額葉和左側(cè)海馬周圍區(qū)域，而Ⅱ、Ⅲ級(jí)IDH野生型膠質(zhì)瘤更常累及多個(gè)腦葉，如額葉、顳葉和島葉[19-20]。Qi 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變的膠質(zhì)瘤腫瘤邊界更加清晰銳利，信號(hào)更加均勻，增強(qiáng)掃描后強(qiáng)化更加均勻或較少出現(xiàn)強(qiáng)化，但瘤周水腫和占位效應(yīng)在IDH突變型和野生型間無(wú)顯著差異。Ellingson[21]對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤最 常累及額葉，尤其是側(cè)腦室前部延伸區(qū)域，這種腫瘤分布的模式與廣泛認(rèn)為的假設(shè)一致，即IDH突變的膠質(zhì)瘤起源于室管膜下區(qū)的特殊前體細(xì)胞。Carrillo 等[22]對(duì)202例膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（包括IDH突變型14例、IDH野生型188例）進(jìn)行回顧性研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合腫瘤的部位、大小、強(qiáng)化方式以及有無(wú)囊變和衛(wèi)星灶等MRI 特點(diǎn)預(yù)測(cè)IDH的突變狀態(tài)，準(zhǔn)確率可達(dá)97.5%，特異度為99%，敏感度為73%。盡管IDH突變型與野生型膠質(zhì)瘤在常規(guī)影像學(xué)上有相當(dāng)一部分重疊，但病灶單個(gè)腦葉分布和大部分無(wú)強(qiáng)化的膠質(zhì)瘤，往往提示為IDH突變型的特征[11]。

4.2IDH基因突變?cè)诠δ躆RI上的表現(xiàn) DWI和擴(kuò)散張量成像（DTI）在預(yù)測(cè)IDH基因突變狀態(tài)方面有一定的價(jià)值。Tan 等[23]對(duì)112例WHO Ⅱ、Ⅲ級(jí)星形膠質(zhì)瘤進(jìn)行DTI，發(fā)現(xiàn)IDH1R132H 突變組與非突變組的膠質(zhì)瘤最大各向異性分?jǐn)?shù)（FA）值和最小表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）存在差異（P＜0.05），表明FA值和ADC值可用于預(yù)測(cè)IDH的突變狀態(tài)。Zhao 等[24]采用擴(kuò)散峰度成像、DTI 對(duì)膠質(zhì)瘤的級(jí)別、IDH突變狀態(tài)以及腫瘤細(xì)胞增殖指數(shù)（Ki-67）進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)高級(jí)別膠質(zhì)瘤的平均擴(kuò)散峰度（MK）、軸位擴(kuò)散峰度（Ka）和FA值明顯高于低級(jí)別膠質(zhì)瘤，而平均擴(kuò)散系數(shù)低于低級(jí)別膠質(zhì)瘤。擴(kuò)散峰度成像和DTI可以用于區(qū)分IDH1突變狀態(tài)與非突變狀態(tài)（P≤0.03），Ka值可以作為預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤級(jí)別、Ki-67及IDH-1突變狀態(tài)的有用指標(biāo)。此外，灌注加權(quán)成像對(duì)預(yù)測(cè)IDH的突變狀態(tài)也有一定的價(jià)值，IDH突變后的代謝產(chǎn)物對(duì)低氧誘導(dǎo)因子和新生血管的生成具有抑制作用，降低了腫瘤的增殖能力和新生血管生成，從而引起IDH突變腫瘤腦血流量（cerebral blood flow，CBF）較IDH野生型低。Yamashita 等[25]對(duì)66例膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（包括IDH野生型55例和IDH突變型11例）進(jìn)行常規(guī)MRI及動(dòng)脈自旋標(biāo)記成像，發(fā)現(xiàn)IDH野生型腫瘤組織內(nèi)CBF、相對(duì)腦血流量（rCBF）、最大壞死區(qū)域均明顯高于IDH突變型，表明腫瘤的CBF和腫瘤壞死區(qū)域的測(cè)量可以預(yù)測(cè)IDH的突變狀態(tài)。

MRS 成像可以無(wú)創(chuàng)地檢測(cè)活體組織代謝及生化的變化。由于突變IDH與底物競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，IDH 酶的活性下降，使得α-酮戊二酸生成下降，NADPH 依賴的還原反應(yīng)被催化，可導(dǎo)致其下游產(chǎn)物D-2-HG 積累[8]。在膠質(zhì)瘤中，突變IDH使得代謝產(chǎn)物2-HG 增加，是導(dǎo)致膠質(zhì)瘤超甲基化表型和腫瘤細(xì)胞表觀遺傳不穩(wěn)定的主要原因之一[8,26]。在IDH突變的膠質(zhì)瘤中D-2-HG 含量明顯高于野生型膠質(zhì)瘤[27]。正常情況下，由于2-HG 含量過(guò)低而無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，但在IDH突變的膠質(zhì)瘤內(nèi)，其濃度含量可以增加100 倍以上，達(dá)到可檢測(cè)的濃度水平。既往研究表明MRS可在2.25 ppm 處出現(xiàn)特征性的2-HG 峰，但由于谷氨酸、谷氨酰胺和γ-氨基丁酸、N-乙酰天門冬氨酸的波峰與2.25 ppm 非常接近甚至出現(xiàn)部分重疊，使得MRS 檢測(cè)和后處理識(shí)別2-HG 峰存在一定的挑戰(zhàn)性[11]。Nagashima 等[28]對(duì)47例膠質(zhì)瘤術(shù)前進(jìn)行MRS 成像，對(duì)MRS 成像體素區(qū)的組織進(jìn)行立體定向活檢，通過(guò)代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在IDH1突變的膠質(zhì)瘤和手術(shù)組織中2-HG 含量明顯增高，而谷氨酸水平降低；傳統(tǒng)的MRS 檢測(cè)谷氨酸和2-HG 對(duì)檢測(cè)IDH1突變具有較高的診斷準(zhǔn)確度，敏感度為72%，特異度為96%，提示MRS可用于術(shù)前預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤的IDH狀態(tài)。MRS可以直接而真實(shí)地反映腫瘤IDH突變后代謝物的改變，對(duì)檢測(cè)2-HG 有重要的應(yīng)用價(jià)值。

酰胺基質(zhì)子轉(zhuǎn)移（amide proton transfer，APT）成像是基于化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像的一種新的磁共振成像，可用于檢測(cè)內(nèi)源性可移動(dòng)蛋白質(zhì)和多肽的含量；且無(wú)需注射對(duì)比劑，是一種完全無(wú)創(chuàng)的檢查方法。APT 已初步用于膠質(zhì)瘤術(shù)前分級(jí)及鑒別診斷。Jiang 等[29]采用APT 成像對(duì)27例WHO Ⅱ級(jí)低級(jí)別膠質(zhì)瘤患者的IDH狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)與IDH突變型病變相比，IDH野生型病變?cè)贏PT 加權(quán)圖上表現(xiàn)為相對(duì)高信號(hào)，提示APT 成像術(shù)前預(yù)測(cè)WHO Ⅱ級(jí)膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)具有潛在的價(jià)值，為膠質(zhì)瘤更為精確的基因分型提供一種可能的非侵入性手段。

此外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法已應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的影像學(xué)研究，從常規(guī)MRI 中提取影像學(xué)特征來(lái)預(yù)測(cè)基因型和患者預(yù)后。Zhang 等[30]采用機(jī)器深度學(xué)習(xí)算法對(duì)120例WHO 分類的高級(jí)別膠質(zhì)瘤患者（包括WHO Ⅲ級(jí)35例和WHO Ⅳ級(jí)85例）的多模態(tài)MRI圖像（包括T1WI、T2WI、T1WI 增強(qiáng)掃描和ADC圖）提取的2970個(gè)圖像特征進(jìn)行回顧性分析，同時(shí)與患者IDH基因狀態(tài)進(jìn)行對(duì)照分析，結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)IDH的突變狀態(tài)，具有較高的準(zhǔn)確率，訓(xùn)練組約為86%，驗(yàn)證組約為89%。

綜上所述，IDH突變狀態(tài)作為一種重要的生物學(xué)標(biāo)記，其檢測(cè)對(duì)于膠質(zhì)瘤的分型、分級(jí)、判斷腫瘤的預(yù)后和指導(dǎo)臨床治療具有重要意義。同時(shí)，檢測(cè)IDH突變對(duì)膠質(zhì)瘤的發(fā)病機(jī)制和治療藥物的研發(fā)也具有 重要意義。此外，探索膠質(zhì)瘤多模態(tài)MRI與腫瘤基因表型之間的關(guān)系已成為目前神經(jīng)影像研究的熱點(diǎn)。