膠質(zhì)瘤異檸檬酸脫氫酶基因型與影像學(xué)研究進(jìn)展

蔣健，張學(xué)凌，周俊林*

膠質(zhì)瘤是最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，約占顱腦腫瘤的50%～60%，其發(fā)生率有地域差異[1]，并呈逐年上升趨勢。2016 年世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類、分級標(biāo)準(zhǔn)修定版已納入基因型作為膠質(zhì)瘤的重要診斷依據(jù)，腫瘤的分子生物學(xué)特征是影響膠質(zhì)瘤患者治療及預(yù)后的關(guān)鍵因素。目前，膠質(zhì)瘤與影像學(xué)表型相關(guān)的基因?qū)W研究中，以表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)最為多見，異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)的研究相對較少(16.7%)。筆者就膠質(zhì)瘤IDH基因型與影像學(xué)研究進(jìn)展予以綜述。

1 IDH基因在膠質(zhì)瘤中的突變類型及特征

1.1 IDH突變類型

IDH 基因是由三個基因編碼的三分子同工酶家族(IDH1、IDH2、IDH3)。IDH1、IDH2 形成同型二聚體，IDH3 形成異四聚體。IDH1存在于細(xì)胞質(zhì)和過氧化物酶體中，IDH2和IDH3位于線粒體，僅IDH3參與檸檬酸/三羧酸循環(huán)。研究[2]表明，IDH突變與染色體不穩(wěn)定性的增加相關(guān)。膠質(zhì)瘤中發(fā)生IDH1 突變比IDH2 突變更常見，約90% IDH1 突變涉及錯義突變，即在氨基酸殘基132 處將精氨酸聚合為組氨酸。IDH2 在精氨酸172 處(類似于IDH1 中的R132)也可發(fā)生類似的錯義突變。IDH 的其他突變亞型(例如，IDH1-R132C、R132S、R132G、R132L和IDH2-R172K、R172M、R172W)在膠質(zhì)瘤中也有表達(dá)，所占比例約8%～11%[3]。膠質(zhì)瘤中IDH1 和IDH2 突變主要是體細(xì)胞基因和雜合形式的突變，導(dǎo)致突變IDH 不能結(jié)合異檸檬酸鹽使其產(chǎn)生正常催化活性，并誘導(dǎo)代謝重編程，這種異常代謝途徑在原發(fā)性腦腫瘤發(fā)病和進(jìn)展中起作用[4]。IDH 突變會阻礙細(xì)胞新陳代謝、降低抵抗氧化應(yīng)激的能力。因此，IDH 突變被認(rèn)為是膠質(zhì)瘤發(fā)生的早期遺傳事件。

1.2 膠質(zhì)瘤中IDH突變頻率

研究[5]表明，約54%～100%彌漫性星形細(xì)胞瘤(WHO Ⅱ級)、66.1%間變性星形細(xì)胞瘤(WHO Ⅲ級)、64%～93%少突膠質(zhì)細(xì)胞腫 瘤(WHO Ⅱ～Ⅲ級)、50%～88% 繼 發(fā) 性 膠 質(zhì) 母 細(xì) 胞 瘤(Glioblastoma，GBM)及5%的原發(fā)性GBM (WHO Ⅳ級)發(fā)生IDH突變，因此認(rèn)為IDH突變是低級別膠質(zhì)瘤(low grade glioma，LGG)和繼發(fā)性GBM所特有的基因突變類型；而在毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤、室管膜腫瘤，神經(jīng)元和混合性神經(jīng)元-膠質(zhì)腫瘤(如節(jié)細(xì)胞膠質(zhì)瘤)等其他原發(fā)性腦腫瘤中并不占主導(dǎo)地位，甚至是罕見的。小兒膠質(zhì)瘤的IDH突變發(fā)生率與成人原發(fā)性GBM相當(dāng)。

1.3 IDH突變腫瘤部位特征

IDH 突變的腫瘤多位于單側(cè)大腦半球、單葉，如額葉、顳葉、島葉等，額葉最為常見[6]，額葉內(nèi)側(cè)面皮質(zhì)是發(fā)生IDH1/2突變伴有TERT 啟動子突變的少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤的特定位置[7]。原發(fā)于幕下IDH 突變型星形細(xì)胞腫瘤的臨床和分子病理具有獨(dú)特性，其中約80%的IDH 突變是非IDH1-R132H 變異，最常見的是IDH1-R132C/G和IDH2-R172S/G突變，而這在幕上星形細(xì)胞瘤中很少見。此外，在幕下腫瘤中，ATRX 缺失和MGMT 啟動子甲基化的頻率(通常與幕上星形細(xì)胞腫瘤的IDH 突變相關(guān))顯著降低。少部分腫瘤具有IDH1-R132C/H3F3A-K27M 共突變。IDH野生型星形細(xì)胞瘤優(yōu)先定位于白質(zhì)而非大腦皮層[8]。

1.4 膠質(zhì)瘤IDH突變與其他基因突變的共存及互斥

63%彌漫性星形細(xì)胞瘤和80%的間變性星形細(xì)胞瘤、GBM中IDH 突變可與p53 突變共存；LGG、間變性少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤、間變性少突星形細(xì)胞瘤IDH 突變和1p/19q 聯(lián)合缺失顯著相關(guān)[9]。IDH 突變先于其他譜系特異性遺傳變化發(fā)生，包括TP53、ATRX、1p/19q聯(lián)合缺失、CIC和TERT突變等。IDH突變型LGG可能因后續(xù)發(fā)生KRAS、PIK3CA、PDGFRA、MET、PTEN和N-Myc等突變而發(fā)生惡變[10]。在兒童和成人高級別膠質(zhì)瘤(high grade glioma，HGG)中，IDH1/2 突變與H3 突變互斥[11]。在IDH野生型彌漫性星形細(xì)胞瘤中也觀察到TERT 啟動子突變。IDH和TERT 啟動子野生型GBM 存在不同亞型，并伴有頻繁的PDGFRA突變。

1.5 IDH突變組織學(xué)特征

免疫組織化學(xué)染色顯示IDH 突變型膠質(zhì)瘤微血管周細(xì)胞覆蓋率顯著降低，微血管密度(microvessel density，MVD)略降低。此外，癌癥基因組圖譜(the cancer genome atlas，TCGA)數(shù)據(jù)庫顯示血管生成因子(包括ANGPT1、PDGFB 和VEGFA)的mRNA 水平被下調(diào)及啟動子高度甲基化[12]。IDH 突變型星形細(xì)胞瘤由于腫瘤代謝物的抗血栓形成作用，其壞死率遠(yuǎn)低于野生型腫瘤。IDH野生型星形細(xì)胞瘤腫瘤血管生成更多，核異型性更顯著，腫瘤實(shí)體部分細(xì)胞密度更高，因而具有更強(qiáng)的侵襲性。彌漫性膠質(zhì)瘤腦組織浸潤和反應(yīng)性膠質(zhì)增生的鑒別對患者預(yù)后意義重大，當(dāng)遇到形態(tài)學(xué)上難以準(zhǔn)確區(qū)分的病例(尤其是年齡＞50 歲的患者)，單純依賴IDH 突變進(jìn)行判斷存在困難時，IDH 及TERT 啟動子突變可能有助于提示存在腦組織浸潤[13]。

2 IDH突變與膠質(zhì)瘤影像征象

2.1 常規(guī)MRI征象

除了前述的IDH突變腫瘤存在部位特征以外，其他MRI特征還包括皮層受累、腫瘤少強(qiáng)化、瘤體信號均質(zhì)、腫瘤邊界清晰、瘤周水腫較輕、較高的腫瘤鈣化發(fā)生率等[14]。初診時年齡小于40 歲，腫瘤大于6 cm，以及T2-FLAIR 不匹配征對IDH 突變型星形細(xì)胞瘤具有高度特異性[15]。具有IDH1 突變的GBM 傾向位于左額葉，診斷時腫瘤體積可能更大，腫瘤無強(qiáng)化，囊性和彌漫浸潤性成分增多，腫瘤更易靠近腦室，壞死和瘤周水腫程度、血管異常發(fā)生率降低，少突膠質(zhì)形態(tài)增加，代謝產(chǎn)物也發(fā)生變化。

年齡超過45 歲、多灶性、多中心性或腦膠質(zhì)瘤病模式被認(rèn)為是IDH 野生型WHO Ⅱ/Ⅲ級膠質(zhì)瘤的預(yù)測指標(biāo)[16]；野生型GBM 腫瘤強(qiáng)化部分體積更大。其他影像特征還包括腫瘤囊變率低，腫瘤強(qiáng)化(環(huán)形強(qiáng)化)、瘤周水腫更常見，F(xiàn)LAIR 上信號異質(zhì)性更大及邊緣對比度較低、T1-FLAIR 信號比值較低等[8]。病變壞死強(qiáng)化比例、腫瘤大小是預(yù)測低級別膠質(zhì)瘤IDH 突變的中度指標(biāo)[17]。也有文獻(xiàn)指出腫瘤強(qiáng)化程度不能區(qū)分IDH狀態(tài)[18]。

2.2 MR功能成像特征

擴(kuò)散磁共振成像：IDH 突變型膠質(zhì)瘤表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)高于IDH 野生型腫瘤[8,14]。最小表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient minimum，ADCmin)、相對最小表觀擴(kuò)散系數(shù)(relative apparent diffusion coefficient minimum，rADCmin)對鑒別LGG與HGG IDH突變狀態(tài)具有參考價值[19]。結(jié)合ADC 值、年齡和腫瘤形態(tài)學(xué)特征的預(yù)測模型可預(yù)測WHO Ⅱ/Ⅲ膠質(zhì)瘤IDH狀態(tài)。也有文獻(xiàn)指出DWI不能區(qū)分IDH狀態(tài)[18]。

研究表明IDH野生型膠質(zhì)瘤存在各向同性擴(kuò)散(p)和各向異性擴(kuò)散(q)受抑制的現(xiàn)象。神經(jīng)突方向分散度和密度成像(neurite orientation dispersionand density imaging，NODDI)、擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)等發(fā)現(xiàn)，WHO Ⅱ～Ⅲ級IDH 野生型膠質(zhì)瘤具有更高的各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、峰度各向異性(kurtosis fractional anisotropy，KFA)及更低的平均擴(kuò)散率(mean diffusivity，MD)[20]，這都反映出IDH 野生型腫瘤細(xì)胞密度增加、浸潤性生長的比例更高的特征。

磁共振波譜成像：IDH1/2 突變的腫瘤細(xì)胞會積累IDH 突變代謝產(chǎn)物2-羥基戊二酸鹽(2-hydroxyglutarate，2-HG)，術(shù)前無創(chuàng)檢測2-HG提示腫瘤的IDH1/2突變，有助于制定手術(shù)計劃[1]，因此MRS 被認(rèn)為是一種有價值的技術(shù)，有研究表明MRS能夠檢出2-HG 的存在，但是研究所使用的技術(shù)并不能在臨床中常規(guī)應(yīng)用[21]。一項膠質(zhì)瘤全腦MRS 研究發(fā)現(xiàn)，與IDH 野生型膠質(zhì)瘤相比，IDH 突變型膠質(zhì)瘤瘤體和瘤周區(qū)域的Cho 增加[22]。IDH突變HGG MRS 出現(xiàn)更高的流動磷脂峰(mobile lipids，Mls)。肌醇/總膽堿比值或脂質(zhì)20 (lipid20)也是區(qū)分IDH 突變狀態(tài)的重要參數(shù)。31P MRS 采用3D 化學(xué)位移成像(chemical shift imaging，CSI)檢測磷脂代謝產(chǎn)物的研究提示其不能鑒別膠質(zhì)瘤的IDH突變狀態(tài)。

磁共振灌注成像：一項基于動態(tài)磁敏感增強(qiáng)MRI 的研究顯示與IDH 野生型腫瘤相比，IDH1/2 突變的WHO Ⅱ～Ⅲ級腫瘤局部腦血容量和腦血流量更低[14]；基于DCE-MRI 的研究發(fā)現(xiàn)，Ktrans和TTP 值是區(qū)分HGG IDH 突變狀態(tài)的最佳方法[23]。IDH 野生型星形細(xì)胞瘤的平均灌注量和最大灌注量均高于IDH 突變型星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤。灌注比例系數(shù)(F)、快速表觀擴(kuò)散系數(shù)(fast ADC)等體素內(nèi)不相干運(yùn)動成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)的參數(shù)[19]也有較高的預(yù)測率；膠質(zhì)瘤瘤體及瘤周區(qū)域相對最小表觀擴(kuò)散系數(shù)(rADCmin)和相對最大腦血容量(rCBVmax)聯(lián)合應(yīng)用可能產(chǎn)生最大的IDH基因型預(yù)測能力[24]。

其他磁共振技術(shù)：酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移加權(quán)(amide proton transfer weighted，APTw)成像研究發(fā)現(xiàn)IDH 野生型WHO Ⅱ級膠質(zhì)瘤通常有較高的APTw 信號強(qiáng)度[25]，提示APTw 信號可能是有價值的生物標(biāo)志物。7.0 T MRI 弛豫補(bǔ)償多池化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像(relaxation-compensated multipool chemical exchange saturation transfer)技術(shù)可以鑒別IDH突變及LGG與HGG[26]。

2.3 影像組學(xué)

基于DWI 和PWI 的多參數(shù)MRI 影像組學(xué)模型、基于DKI 和DTI 的全腫瘤影像組學(xué)分析、基于DSC 灌注MRI 建立的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、深度半監(jiān)督學(xué)習(xí)(deep semi-supervised learning)等均可以預(yù)測膠質(zhì)瘤IDH 基因型及評估腫瘤的分級。用影像組學(xué)評分、瘤周水腫程度和年齡構(gòu)建的聯(lián)合模型可進(jìn)一步提高對IDH 的預(yù)測能力，第90 百分位值(影像組學(xué)特征)和MK 圖中“熱點(diǎn)”值(影像學(xué)特征)與IDH 基因型顯著相關(guān)[27]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的腦腫瘤基因研究發(fā)現(xiàn)無強(qiáng)化或輕度強(qiáng)化、腫瘤中心區(qū)域在T1W 和FLAIR 呈低信號，以及清晰的腫瘤邊緣是IDH 突變最重要的特征[28]。利用包含MRI、PET 和CT 等多模態(tài)數(shù)據(jù)建立的深度學(xué)習(xí)模型區(qū)分IDH 突變的預(yù)測準(zhǔn)確率顯著優(yōu)于僅MRI、MRI 和PET、MRI 和CT 模型組[29]?；谛g(shù)前T1W 數(shù)據(jù)中的連接體特征，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型的連接組學(xué)(connectomics)方法可以預(yù)測IDH基因型，并為腫瘤基因型在大規(guī)模腦網(wǎng)絡(luò)組織中的潛在機(jī)制提供了獨(dú)特的見解。紋理分析是預(yù)測膠質(zhì)瘤基因分型的方法之一，紋理參數(shù)的最佳選擇會受到序列選擇、腫瘤形態(tài)和分割方法的影響。DSC-MRI、DCE-MRI 直方圖分析表明第10 百分位數(shù)的曲線下面積(AUC)、第90 百分位數(shù)血管外細(xì)胞空間的體積分?jǐn)?shù)(Ve)、以及速率常數(shù)(Kep)對預(yù)測膠質(zhì)瘤IDH、MGMT 和TERT 啟動子突變等有良好的預(yù)測價值[30]?；贔LAIR 序列的Haralick 紋理參數(shù)的初步研究發(fā)現(xiàn)同質(zhì)性參數(shù)可以區(qū)分腫瘤IDH 狀態(tài)。在IDH 基因型預(yù)測能力方面，基于影像組學(xué)標(biāo)簽和年齡的影像組學(xué)列線圖表現(xiàn)優(yōu)于臨床影像學(xué)模型。此外，生存分析也顯示影像組學(xué)列線圖和IDH基因型的預(yù)后值相似。

2.4 其他影像學(xué)方法

具有IDH基因突變的LGG腦氧代謝率(cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)降低，IDH突變的WHO Ⅲ級膠質(zhì)瘤中微血管型指標(biāo)(microvessel type indicator，MTI)顯著增加[31]。11C-MET 腦PET 顯像半定量參數(shù)SUVmax作為單一參數(shù)對IDH1 基因突變的預(yù)測效能最佳，SUVmax＋SUVpeak的多參數(shù)預(yù)測效能最好，同時也指出膠質(zhì)瘤中含少突成分會使11C-MET 攝取值增高，這在一定程度上影響了11C-MET 對膠質(zhì)瘤級別的判斷效能[32]。靶向成纖維細(xì)胞活化蛋白(targeting fibroblast activation protein，F(xiàn)AP) PET-CT 成像是一種能夠可視化腫瘤基質(zhì)的新型診斷方法，研究發(fā)現(xiàn)IDH 野生型WHO Ⅲ～Ⅳ級膠質(zhì)瘤較IDH 突變型、WHO Ⅱ級膠質(zhì)瘤有更高的示蹤劑攝取，表明FAP PET-CT 成像有無創(chuàng)鑒別IDH 基因型及腫瘤分級的潛在價值[33]。動態(tài)18F-FET PET 最短達(dá)峰時間(minimal time-to peak，TTPmin)可以很好地預(yù)測膠質(zhì)瘤的IDH 野生型狀態(tài)，特別是對無強(qiáng)化效應(yīng)的膠質(zhì)瘤有較高的預(yù)測能力。18 kDa易位蛋白(translocator protein 18 kDa，TSPO)在腦腫瘤中過表達(dá)，是膠質(zhì)瘤PET 成像的靶標(biāo)之一。18F-GE-180 是一種新型TSPO配體，其在GBM中攝取最高，而WHO Ⅱ級膠質(zhì)瘤不攝取，表明攝取特征與WHO分級高度相關(guān)，同時也發(fā)現(xiàn)IDH野生型膠質(zhì)瘤攝取趨勢更高，可反映IDH突變狀態(tài)。IDH1突變型膠質(zhì)瘤具有對缺氧不敏感、糖酵解水平低等代謝特征，通過pH和氧敏磁共振成像(simultaneous pH and oxygen sensitive MRI)可以區(qū)分IDH1突變狀態(tài)，從代謝和微環(huán)境特征為診斷提供新思路。

3 IDH突變與腫瘤預(yù)后及手術(shù)可切除性

3.1 IDH突變與腫瘤預(yù)后

IDH 突變對膠質(zhì)瘤患者預(yù)后的影響與腫瘤類型及其他基因突變狀態(tài)有關(guān)。目前已知攜帶IDH 突變的腫瘤全基因組DNA 甲基化、侵襲性生物學(xué)行為惰性增加、總生存期(overall survival，OS)延長[34]。IDH野生型LGG基因組異常和生物學(xué)行為均與GBM 相似，被稱為GBM 前或類GBM 腫瘤，表明IDH 突變是膠質(zhì)瘤最有意義的預(yù)后因素之一。環(huán)形強(qiáng)化(ring enhancement，RE)對IDH 野生型GBM 具有很高的敏感性和特異性，是重要預(yù)測因子。對無環(huán)形強(qiáng)化、非IDH 野生型腫瘤而言，腫瘤內(nèi)鈣化(intratumoral calcification，IC)是OS 良好的重要預(yù)測指標(biāo)[35]。IDH 突變型彌漫性星形細(xì)胞瘤和間變性星形細(xì)胞瘤總體生存率更高。IDH突變型GBM預(yù)后好于IDH野生型WHO Ⅱ～Ⅳ級腫瘤。IDH 突變、1p/19q 未缺失WHO Ⅲ～Ⅳ級膠質(zhì)瘤和IDH 野生型膠質(zhì)瘤預(yù)后無差異。IDH 野生型伴有7p 增加、10q 缺失的間變性星形細(xì)胞瘤患者的無進(jìn)展生存時間(progression-free survival，PFS)較其他患者短。平均或最大灌注量較低的IDH 野生型星形細(xì)胞腫瘤患者的1 年P(guān)FS 明顯短于高灌注組，早期進(jìn)展風(fēng)險顯著增高，這一發(fā)現(xiàn)與O6-甲基鳥苷DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的甲基化狀態(tài)和治療方法的變化無關(guān)。幕下IDH 突變星形細(xì)胞瘤的臨床療效明顯優(yōu)于H3K27M 突變彌漫性中線膠質(zhì)瘤，而明顯低于幕上IDH 突變星形細(xì)胞瘤。少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤IDH1 突變和染色體1p/19q 聯(lián)合缺失與化療和放療療效及提高生存率有關(guān)；對患者預(yù)后的研究也提示對于年齡較小、IDH 突變及位于腦前部的腫瘤，術(shù)后效果更好。

3.2 IDH突變與手術(shù)可切除性

IDH 突變狀態(tài)可能對膠質(zhì)瘤的手術(shù)切除性有影響。從臨床角度分析發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤預(yù)后與IDH 突變狀態(tài)和手術(shù)切除范圍有關(guān)，即IDH 野生型膠質(zhì)瘤，盡量切除腫瘤強(qiáng)化部分，患者預(yù)后更好；對IDH 突變型強(qiáng)化少的膠質(zhì)瘤，盡可能大范圍的切除病變，可改善患者預(yù)后。

IDH 基因突變狀態(tài)在原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)膠質(zhì)瘤的分類中起著越來越重要的作用。在先前膠質(zhì)瘤生物學(xué)研究的基礎(chǔ)上，基于分子分型可以分出更多的亞型，以進(jìn)一步觀察腫瘤患者預(yù)后，并依托影像組學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對膠質(zhì)瘤的預(yù)后分層預(yù)測；基于多種分子病理改變對膠質(zhì)瘤進(jìn)行再分組從而研究不同分子分組間腫瘤患者臨床及預(yù)后特征等是后續(xù)的研究方向。高級別星形細(xì)胞瘤并非同質(zhì)腫瘤，其臨床表現(xiàn)、影像學(xué)特征和組織病理學(xué)表現(xiàn)存在異質(zhì)性，腫瘤異質(zhì)性的分子生物學(xué)研究也是重要的研究方向。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。