腦脊液生物學標志物在中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤診斷中的研究進展

楊 帆，張劍寧

解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學中心 神經(jīng)外科研究所，北京 100048

中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤發(fā)病率高，對傳統(tǒng)治療不敏感且易復發(fā)，預后極差。核磁共振成像和腦脊液細胞學檢驗對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的診斷和病情監(jiān)測特異性和敏感度均較低。目前中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤治療療效評價和隨訪主要通過臨床癥狀、影像學和組織病理特征等因素綜合評估，分子病理能更加準確地描述膠質(zhì)瘤的特征，但不能完全區(qū)分腫瘤復發(fā)和假性進展[1-4]。因血腦屏障等因素，血液相關(guān)腫瘤標志物作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤診斷和病情監(jiān)測指標具有一定的局限性[5-6]。腦脊液與中樞神經(jīng)系統(tǒng)直接接觸，腦脊液中的循環(huán)生物標志物，包括循環(huán)腫瘤DNA(circulating tumor DNA，ctDNA)、微RNA(microRNA，miRNA)和代謝物，有望對中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤進行準確評估。本文對上述腦脊液循環(huán)生物學標志物在中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤診斷中 的研究進展和潛在臨床應用作一綜述。

1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者腦脊液中的ctDNA

1994年，Rhodes等[7]首次通過聚合酶鏈式反應技術(shù)檢測到中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者腦脊液ctDNA存在酪氨酸和表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)基 因 擴 增 異 常。Shingyoji等[8]通過檢測29例可疑肺腺癌腦膜轉(zhuǎn)移患者腦脊液中EGFR突變情況，在31%腦脊液脫落細胞陰性患者中檢測到了腦脊液ctDNA EGFR突變。因此，檢測中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤患者腦脊液ctDNA較脫落細胞具有更高的敏感度和準確性。如彌漫中線腫瘤位于腦深部功能區(qū)，不能行手術(shù)切除，且定向活檢手術(shù)風險性極高，開發(fā)一種微創(chuàng)低風險診斷方法將具有重要的臨床應用價值。彌漫中線膠質(zhì)瘤常存在組蛋白H3高突變率，研究人員在兒童H3K27M突變型彌漫中線膠質(zhì)瘤中發(fā)現(xiàn)，通過腦脊液ctDNA檢測H3F3A c.83A > T突變，敏感度為87.5%，特異性達100%[9]。腦脊液ctDNA檢測獲取彌漫中線膠質(zhì)瘤分子學特征，將有助于促進靶向及細胞治療[10-11]。另外，Hiemcke-Jiwa等[12]在原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤中發(fā)現(xiàn)約1/3患者腦脊液ctDNA中可檢測到MYD88 p.L265P突變。通過二代測序技術(shù)檢測腦脊液ctDNA可全面了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的所有類型基因改變，包括點突變、基因融合、基因拷貝擴增異常和小的基因插入或缺失等。Pentsova等[13]對53例懷疑中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者腦脊液ctDNA進行341靶點腫瘤相關(guān)基因二代測序發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性腦腫瘤患者體細胞突變陽性率為50%(6/12)，繼發(fā)性轉(zhuǎn)移瘤患者體細胞突變陽性率為63%(20/32)，而非腫瘤患者未見基因突變(0/9)。雖然腦脊液ctDNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤診斷方面具有一定的應用前景，但尚不能應用于每一例臨床病患。一項35例原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤患者腦脊液樣本研究發(fā)現(xiàn)，僅74%的患者腦脊液中檢測到ctDNA，但在室管膜瘤、髓母細胞瘤和毗鄰腦室的高級別膠質(zhì)瘤中均檢測到ctDNA[14]。目前考慮腦腫瘤與腦脊液的位置關(guān)系和腦脊液ctDNA檢測技術(shù)的敏感度決定其在臨床應用中的潛在價值。

2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者腦脊液中的miRNA

miRNA為小片段非編碼RNA，參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后翻譯過程，腫瘤中的異常表達促使其發(fā)揮促癌或抑癌作用。miRNA作為新型分子標志物，在腫瘤早期診斷、預后判斷和靶向治療等方面的臨床應用具有廣闊的前景[15]。多項研究發(fā)現(xiàn)miRNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的發(fā)生與進展中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，如膠質(zhì)母細胞瘤、髓母細胞瘤和彌漫大B細胞淋巴瘤[16-19]。由于血腦屏障的緣故，腦脊液中的miRNA較血液中的miRNA能夠更好地反映大腦的病理生理過程。盡管目前對腦脊液中發(fā)現(xiàn)的miRNA起源尚不清楚，但細胞外囊泡中的miRNA被認為高度穩(wěn)定且不易被降解。已有多項研究發(fā)現(xiàn)腦脊液中miRNA差異表達有助于中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的診斷和臨床預后評估[20-21]。miR-21作為重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的生物學標志物，在膠質(zhì)瘤和原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤腦脊液中高度表達，通過抑制下游B細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，BCL2)、磷酸化張力蛋白同源基因(phosphate and tensin homologue，PTEN)、程序性細胞死亡因子4(programmed cell death 4，PDCD4)和組織金屬蛋白酶抑制因子3(tissue inhibitors of metalloproteinase 3，TIMP3)等多個靶基因表達調(diào)節(jié)多種生物學行為[22-23]。腦脊液中miR-19b和miR-92a有助于原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤的診斷與病情監(jiān)測[22]。Zhou等[24]通過Meta分析發(fā)現(xiàn)檢測腦脊液和腦組織中的miRNA表達可提高膠質(zhì)瘤診斷的準確性，miR-21對膠質(zhì)瘤的診斷特異性達94%，敏感度達86%，而且同時檢測多個miRNA表達可提高敏感度。但也發(fā)現(xiàn)同一種miRNA在不同的原發(fā)性或繼發(fā)性惡性腫瘤中表達升高或降低，有利于對中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的鑒別。Drusco等[21]發(fā)現(xiàn)同時檢測miR-125b、miR-223和miR-711表達，有助于鑒別膠質(zhì)母細胞瘤與髓母細胞瘤。因此，通過建立不同中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者腦脊液miRNA表達譜數(shù)據(jù)庫，有望形成一種基于腦脊液miRNA的診斷方法。腦脊液miRNA還可應用于評估疾病治療療效、監(jiān)測腫瘤復發(fā)和指導臨床預后等。

3 中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者腦脊液中的代謝物

代謝物是細胞生化反應的中間體或產(chǎn)物，腫瘤細胞需要大量能量來維持細胞增殖生長，腫瘤細胞通過改變細胞代謝過程獲取能量，并且其代謝產(chǎn)物亦可影響其他代謝途徑，如糖酵解、三羧酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑、脂肪酸代謝和氨基酸代謝[25]。人類代謝組學數(shù)據(jù)庫已包含約114 000種水溶性和脂溶性代謝產(chǎn)物，代謝物一旦產(chǎn)生，可在血液、血漿和腦脊液等體液中被檢測到，可反映機體的病理生理過程，因此檢測腦脊液中代謝物有助于各種腦內(nèi)病變的早期診斷和預后提示。有氧條件下，正常細胞氧化磷酸化為腺嘌呤核苷三磷酸的主要來源，腫瘤細胞不同于正常細胞能量代謝，腫瘤細胞更依賴于有氧糖酵解這種低效能的能量代謝方式，提高了乳酸含量。葡萄糖和谷氨酰胺是腫瘤產(chǎn)生能量的主要底物，腫瘤細胞通過乳酸脫氫酶將葡萄糖和谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為乳酸鹽，已有文獻報道在腦腫瘤患者中發(fā)現(xiàn)其腦脊液葡萄糖水平降低和乳酸鹽濃度增高[26-28]。異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase 1，IDH1)是一種位于細胞質(zhì)和過氧化物酶體中的催化酶，轉(zhuǎn)化異檸檬酸為α-酮戊二酸，在膠質(zhì)瘤中常發(fā)生IDH1突變。IDH1/2突變膠質(zhì)瘤中積累代謝產(chǎn)物D-2-羥戊二酸(D-2-hydroxyglutarate，D-2-HG)導致組蛋白和DNA富甲基化，致下游促癌基因活化或抑癌基因失活，引起腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。IDH1/2突變膠質(zhì)瘤患者腦脊液中D-2-HG、檸檬酸和異檸檬酸濃度明顯升高[29]。在膠質(zhì)瘤和轉(zhuǎn)移瘤患者腦脊液中也發(fā)現(xiàn)了更多代謝物，包括三羧酸循環(huán)產(chǎn)物，必需氨基酸色氨酸、蛋氨酸等[30-31]。但后續(xù)研究仍需了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤患者腦脊液中代謝物差異的原因和臨床應用價值。腦腫瘤常伴有缺血壞死和炎性反應，炎癥相關(guān)標志物可在腦脊液中被檢測到，其有可能輔助中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤診斷。在原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤腦脊液中發(fā)現(xiàn)多個炎性標志物含量升高，如白細胞介素-10和可溶性白細胞介素受體[32-33]。在臨床應用中，代謝組學分析較基因組學分析具有簡便、可組間對比等優(yōu)勢，且核磁共振波譜分析是一種快速、無創(chuàng)、可重復、敏感度較高的分析技術(shù)，對于膠質(zhì)瘤及腦膿腫等疾病的診斷具有一定指導意義。但代謝組學研究仍存在一定的挑戰(zhàn)，因為檢測小分子物質(zhì)與年齡、性別、飲食、生活方式和伴隨疾病等因素相關(guān)。

4 結(jié)語

臨床獲取腦脊液相對容易和安全，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤患者的腦脊液進行綜合研究分析，才有望使腦脊液循環(huán)生物學標志物應用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤診斷和病情監(jiān)測。特異性腦脊液生物學標志物還有助于避免高風險的活檢手術(shù)和不必要的開顱手術(shù)，甚至根據(jù)腦脊液生物學標志物信息指導術(shù)前手術(shù)規(guī)劃、術(shù)后個體化治療和臨床預后隨訪。越來越多的中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤腦脊液循環(huán)標志物被報道，但多數(shù)都是小樣本研究，腦脊液循環(huán)生物學標志物還不能完全應用于每一例臨床患者，將來的研究需制定標準化腦脊液收集、儲存和生物標志物分離流程，提高檢測方法的敏感度和準確性，并分析和驗證特異性腦脊液腫瘤生物標志物，開展多中心合作、縱向隊列研究，使腦脊液循環(huán)生物學標志物更好地應用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤診療。