膠質瘤異檸檬酸脫氫酶基因型與影像學研究進展

蔣健，張學凌，周俊林*

膠質瘤是最常見的中樞神經系統腫瘤，約占顱腦腫瘤的50%～60%，其發生率有地域差異[1]，并呈逐年上升趨勢。2016 年世界衛生組織(World Health Organization，WHO)中樞神經系統腫瘤分類、分級標準修定版已納入基因型作為膠質瘤的重要診斷依據，腫瘤的分子生物學特征是影響膠質瘤患者治療及預后的關鍵因素。目前，膠質瘤與影像學表型相關的基因學研究中，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%)。筆者就膠質瘤IDH基因型與影像學研究進展予以綜述。

1 IDH基因在膠質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存在于細胞質和過氧化物酶體中，IDH2和IDH3位于線粒體，僅IDH3參與檸檬酸/三羧酸循環。研究[2]表明，IDH突變與染色體不穩定性的增加相關。膠質瘤中發生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)在膠質瘤中也有表達，所占比例約8%～11%[3]。膠質瘤中IDH1 和IDH2 突變主要是體細胞基因和雜合形式的突變，導致突變IDH 不能結合異檸檬酸鹽使其產生正常催化活性，并誘導代謝重編程，這種異常代謝途徑在原發性腦腫瘤發病和進展中起作用[4]。IDH 突變會阻礙細胞新陳代謝、降低抵抗氧化應激的能力。因此，IDH 突變被認為是膠質瘤發生的早期遺傳事件。

1.2 膠質瘤中IDH突變頻率

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

1.3 IDH突變腫瘤部位特征

IDH 突變的腫瘤多位于單側大腦半球、單葉，如額葉、顳葉、島葉等，額葉最為常見[6]，額葉內側面皮質是發生IDH1/2突變伴有TERT 啟動子突變的少突膠質細胞瘤的特定位置[7]。原發于幕下IDH 突變型星形細胞腫瘤的臨床和分子病理具有獨特性，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(通常與幕上星形細胞腫瘤的IDH 突變相關)顯著降低。少部分腫瘤具有IDH1-R132C/H3F3A-K27M 共突變。IDH野生型星形細胞瘤優先定位于白質而非大腦皮層[8]。

1.4 膠質瘤IDH突變與其他基因突變的共存及互斥

63%彌漫性星形細胞瘤和80%的間變性星形細胞瘤、GBM中IDH 突變可與p53 突變共存；LGG、間變性少突膠質細胞瘤、間變性少突星形細胞瘤IDH 突變和1p/19q 聯合缺失顯著相關[9]。IDH 突變先于其他譜系特異性遺傳變化發生，包括TP53、ATRX、1p/19q聯合缺失、CIC和TERT突變等。IDH突變型LGG可能因后續發生KRAS、PIK3CA、PDGFRA、MET、PTEN和N-Myc等突變而發生惡變[10]。在兒童和成人高級別膠質瘤(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突變組織學特征

免疫組織化學染色顯示IDH 突變型膠質瘤微血管周細胞覆蓋率顯著降低，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)數據庫顯示血管生成因子(包括ANGPT1、PDGFB 和VEGFA)的mRNA 水平被下調及啟動子高度甲基化[12]。IDH 突變型星形細胞瘤由于腫瘤代謝物的抗血栓形成作用，其壞死率遠低于野生型腫瘤。IDH野生型星形細胞瘤腫瘤血管生成更多，核異型性更顯著，腫瘤實體部分細胞密度更高，因而具有更強的侵襲性。彌漫性膠質瘤腦組織浸潤和反應性膠質增生的鑒別對患者預后意義重大，當遇到形態學上難以準確區分的病例(尤其是年齡＞50 歲的患者)，單純依賴IDH 突變進行判斷存在困難時，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突變與膠質瘤影像征象

2.1 常規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、腫瘤少強化、瘤體信號均質、腫瘤邊界清晰、瘤周水腫較輕、較高的腫瘤鈣化發生率等[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、血管異常發生率降低，少突膠質形態增加，代謝產物也發生變化。

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

2.2 MR功能成像特征

擴散磁共振成像：IDH 突變型膠質瘤表觀擴散系數(ADC)高于IDH 野生型腫瘤[8,14]。最小表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient minimum，ADCmin)、相對最小表觀擴散系數(relative apparent diffusion coefficient minimum，rADCmin)對鑒別LGG與HGG IDH突變狀態具有參考價值[19]。結合ADC 值、年齡和腫瘤形態學特征的預測模型可預測WHO Ⅱ/Ⅲ膠質瘤IDH狀態。也有文獻指出DWI不能區分IDH狀態[18]。

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

磁共振波譜成像：IDH1/2 突變的腫瘤細胞會積累IDH 突變代謝產物2-羥基戊二酸鹽(2-hydroxyglutarate，2-HG)，術前無創檢測2-HG提示腫瘤的IDH1/2突變，有助于制定手術計劃[1]，因此MRS 被認為是一種有價值的技術，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并不能在臨床中常規應用[21]。一項膠質瘤全腦MRS 研究發現，與IDH 野生型膠質瘤相比，IDH 突變型膠質瘤瘤體和瘤周區域的Cho 增加[22]。IDH突變HGG MRS 出現更高的流動磷脂峰(mobile lipids，Mls)。肌醇/總膽堿比值或脂質20 (lipid20)也是區分IDH 突變狀態的重要參數。31P MRS 采用3D 化學位移成像(chemical shift imaging，CSI)檢測磷脂代謝產物的研究提示其不能鑒別膠質瘤的IDH突變狀態。

磁共振灌注成像：一項基于動態磁敏感增強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 的研究發現，Ktrans和TTP 值是區分HGG IDH 突變狀態的最佳方法[23]。IDH 野生型星形細胞瘤的平均灌注量和最大灌注量均高于IDH 突變型星形細胞瘤和少突膠質細胞瘤。灌注比例系數(F)、快速表觀擴散系數(fast ADC)等體素內不相干運動成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)的參數[19]也有較高的預測率；膠質瘤瘤體及瘤周區域相對最小表觀擴散系數(rADCmin)和相對最大腦血容量(rCBVmax)聯合應用可能產生最大的IDH基因型預測能力[24]。

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

2.3 影像組學

基于DWI 和PWI 的多參數MRI 影像組學模型、基于DKI 和DTI 的全腫瘤影像組學分析、基于DSC 灌注MRI 建立的深度學習神經網絡模型、深度半監督學習(deep semi-supervised learning)等均可以預測膠質瘤IDH 基因型及評估腫瘤的分級。用影像組學評分、瘤周水腫程度和年齡構建的聯合模型可進一步提高對IDH 的預測能力，第90 百分位值(影像組學特征)和MK 圖中“熱點”值(影像學特征)與IDH 基因型顯著相關[27]?；谏疃葘W習的腦腫瘤基因研究發現無強化或輕度強化、腫瘤中心區域在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 等多模態數據建立的深度學習模型區分IDH 突變的預測準確率顯著優于僅MRI、MRI 和PET、MRI 和CT 模型組[29]?；谛g前T1W 數據中的連接體特征，建立機器學習模型的連接組學(connectomics)方法可以預測IDH基因型，并為腫瘤基因型在大規模腦網絡組織中的潛在機制提供了獨特的見解。紋理分析是預測膠質瘤基因分型的方法之一，紋理參數的最佳選擇會受到序列選擇、腫瘤形態和分割方法的影響。DSC-MRI、DCE-MRI 直方圖分析表明第10 百分位數的曲線下面積(AUC)、第90 百分位數血管外細胞空間的體積分數(Ve)、以及速率常數(Kep)對預測膠質瘤IDH、MGMT 和TERT 啟動子突變等有良好的預測價值[30]?；贔LAIR 序列的Haralick 紋理參數的初步研究發現同質性參數可以區分腫瘤IDH 狀態。在IDH 基因型預測能力方面，基于影像組學標簽和年齡的影像組學列線圖表現優于臨床影像學模型。此外，生存分析也顯示影像組學列線圖和IDH基因型的預后值相似。

2.4 其他影像學方法

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級膠質瘤中微血管型指標(microvessel type indicator，MTI)顯著增加[31]。11C-MET 腦PET 顯像半定量參數SUVmax作為單一參數對IDH1 基因突變的預測效能最佳，SUVmax＋SUVpeak的多參數預測效能最好，同時也指出膠質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 對膠質瘤級別的判斷效能[32]。靶向成纖維細胞活化蛋白(targeting fibroblast activation protein，FAP) PET-CT 成像是一種能夠可視化腫瘤基質的新型診斷方法，研究發現IDH 野生型WHO Ⅲ～Ⅳ級膠質瘤較IDH 突變型、WHO Ⅱ級膠質瘤有更高的示蹤劑攝取，表明FAP PET-CT 成像有無創鑒別IDH 基因型及腫瘤分級的潛在價值[33]。動態18F-FET PET 最短達峰時間(minimal time-to peak，TTPmin)可以很好地預測膠質瘤的IDH 野生型狀態，特別是對無強化效應的膠質瘤有較高的預測能力。18 kDa易位蛋白(translocator protein 18 kDa，TSPO)在腦腫瘤中過表達，是膠質瘤PET 成像的靶標之一。18F-GE-180 是一種新型TSPO配體，其在GBM中攝取最高，而WHO Ⅱ級膠質瘤不攝取，表明攝取特征與WHO分級高度相關，同時也發現IDH野生型膠質瘤攝取趨勢更高，可反映IDH突變狀態。IDH1突變型膠質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)可以區分IDH1突變狀態，從代謝和微環境特征為診斷提供新思路。

3 IDH突變與腫瘤預后及手術可切除性

3.1 IDH突變與腫瘤預后

IDH 突變對膠質瘤患者預后的影響與腫瘤類型及其他基因突變狀態有關。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 突變是膠質瘤最有意義的預后因素之一。環形強化(ring enhancement，RE)對IDH 野生型GBM 具有很高的敏感性和特異性，是重要預測因子。對無環形強化、非IDH 野生型腫瘤而言，腫瘤內鈣化(intratumoral calcification，IC)是OS 良好的重要預測指標[35]。IDH 突變型彌漫性星形細胞瘤和間變性星形細胞瘤總體生存率更高。IDH突變型GBM預后好于IDH野生型WHO Ⅱ～Ⅳ級腫瘤。IDH 突變、1p/19q 未缺失WHO Ⅲ～Ⅳ級膠質瘤和IDH 野生型膠質瘤預后無差異。IDH 野生型伴有7p 增加、10q 缺失的間變性星形細胞瘤患者的無進展生存時間(progression-free survival，PFS)較其他患者短。平均或最大灌注量較低的IDH 野生型星形細胞腫瘤患者的1 年PFS 明顯短于高灌注組，早期進展風險顯著增高，這一發現與O6-甲基鳥苷DNA 甲基轉移酶的甲基化狀態和治療方法的變化無關。幕下IDH 突變星形細胞瘤的臨床療效明顯優于H3K27M 突變彌漫性中線膠質瘤，而明顯低于幕上IDH 突變星形細胞瘤。少突膠質細胞瘤IDH1 突變和染色體1p/19q 聯合缺失與化療和放療療效及提高生存率有關；對患者預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，術后效果更好。

3.2 IDH突變與手術可切除性

IDH 突變狀態可能對膠質瘤的手術切除性有影響。從臨床角度分析發現，膠質瘤預后與IDH 突變狀態和手術切除范圍有關，即IDH 野生型膠質瘤，盡量切除腫瘤強化部分，患者預后更好；對IDH 突變型強化少的膠質瘤，盡可能大范圍的切除病變，可改善患者預后。

IDH 基因突變狀態在原發性中樞神經系統膠質瘤的分類中起著越來越重要的作用。在先前膠質瘤生物學研究的基礎上，基于分子分型可以分出更多的亞型，以進一步觀察腫瘤患者預后，并依托影像組學方法實現對膠質瘤的預后分層預測；基于多種分子病理改變對膠質瘤進行再分組從而研究不同分子分組間腫瘤患者臨床及預后特征等是后續的研究方向。高級別星形細胞瘤并非同質腫瘤，其臨床表現、影像學特征和組織病理學表現存在異質性，腫瘤異質性的分子生物學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。