[文献]胶质母细胞瘤瘤周脑区(PBZ)异质性研究进展 | 王军 杨晨 漆松涛等 | 转化医学电子杂志

胶质母细胞瘤容易复发,90%以上的胶质母细胞瘤在瘤周脑区复发,即肿瘤周边的脑水肿区域。

由于目前手术治疗的效果直接决定了患者的生 存期和其生活质量,所以评估 PBZ 中的肿瘤浸润范围来优化手术方案非常重要.

寻找 PBZ 中具有肿瘤高复发风险的 区域将为临床中的手术治疗提供更为特异的切除范围. 

胶质母细胞瘤瘤周脑区异质性研究进展

本文作者：南方医科大学南方医院神经外科王军,杨晨,龙浩,杨开军,王海,俞磊,李志勇,漆松涛；本文发表在2017年第7期《转化医学电子杂志》上；神外前沿转载此文已获该杂志授权；基金项目:国家自然基金面上项目(81372692);南方医科大学留学回校扶持项目(LX2016N006);“科技开发培育计划” 项目( KJ20161102)；作者简介:王军博士. 研究方向:小胶质细胞在神经炎症中的作用与机制.E⁃mail:smuwangjun@ 163.com；通讯作者:漆松涛博士,教授. 研究方向:神经外科基础与临床研究.E⁃mail:qisongtaosjwk@ 163.com

摘要：

胶质母细胞瘤是颅内最常见的原发恶性肿瘤,最大安全范围的手术切除联合术后放化疗是目前标准治疗方案. 但是,胶质母细胞瘤容易复发,90%以上的胶质母细胞瘤在瘤周脑区复发,即肿瘤周边的脑水肿区域. 肿瘤本身及遗传特性 的异质性导致胶质母细胞瘤的个体差异较大. 研究发现,瘤周脑区同样具有异质性,且瘤周脑区的异质性可能与肿瘤的复发有密切的联系. 本文重点介绍胶质母细胞瘤瘤周脑区异质 性的研究进展,尤其是其在影像组学、细胞构成和分子生物学 的特征性表现,探讨瘤周脑区的异质性对优化手术切除以及 靶向治疗的可能性.

前言

胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme, GBM)是中枢神经系统最常见的原发恶性肿瘤,患者中位生存 期为 14~16 个月,只有 10%GBM 患者确诊后的生存 期可以超过 36 个月. 

GBM 的治疗主要是通过最大 安全范围的手术切除联合术后放化疗来延长患者生 存时间. 然而,术后 GBM 的复发率高,90%以上的 GBM 在脑肿瘤的周边脑组织,即瘤周脑区(peritumor⁃ al brain zone, PBZ)中复发. 在影像学上,PBZ 通常被定义为是在钆对比剂的 MR 增强扫描的 T1 加权像下 没有对比增强的肿瘤周边脑区 . 

研究发现,最大安全范围切除肿瘤包括 PBZ,可以改善患者的预后. 但 是,PBZ 很多时候是具有重要生理功能的部位,受损 后会对患者的生活质量造成极大影响. 肿瘤复发部 位在 PBZ 中的分布特点及其在 GBM 预后中的作用尚未明确,本文将探讨 PBZ 异质性在 GBM 中的研究 进展,重点介绍 PBZ 影像组学,细胞构成和分子生物 学的特征性表现,探讨 PBZ 的异质性对优化手术切 除以及靶向治疗的可能性.

1、肿瘤异质性与胶质母细胞瘤

研究表明,GBM 异质性在临床上具有重大意义.一方面,Burger 等所做的开创性研究表明 GBM 在 不同个体之间存在较大异质性. 另一方面,有研究证 实同一个体中 GBM 瘤体内部存在细胞和分子水平上 的差异,即瘤体内部同样存在异质性. 肿瘤内部存在 的异质性可能会导致来源于相同肿瘤内部的两个不 同样本的病理分型的不同,可能会影响肿瘤的侵袭性 及肿瘤对化疗药物如替莫唑胺的反应 .

GBM 的 PBZ 同样存在异质性,PBZ 的异质性不 仅存在于不同患者之间,同一患者的 PBZ 也不是完全均匀的,即肿瘤在 PBZ 中的浸润也是随机分布 的. PBZ 的异质性可能导致不同患者间预后的巨 大差异. 同时,PBZ 肿瘤浸润范围的确定也直接决定 了患者的治疗方案. 此外,PBZ 与肿瘤组织和正常脑 组织之间都存在差异,这些差异可以提供 GBM 患者 术后辅助治疗的靶点. 因此,PBZ 异质性的确定在临 床诊断与治疗中就显得十分必要.

2、瘤周脑区异质性

2.1  影像组学特征  42 34967 42 14941 0 0 3719 0 0:00:09 0:00:04 0:00:05 3720an>

狭义 PBZ 主要是指在反应肿瘤周边的血管源性水肿,提示肿瘤浸润范围的 T2 或 FLAIR 加权相中的高信号区域;广义而言,PBZ 的范 围不仅局限于影像学上肿瘤周边 T2 或 FLAIR 的高 信号区域,围绕着肿瘤周边具有特异分子、细胞改变 的几公分的区域都可能是肿瘤高发风险的部位,PBZ 实际范围可能远远超过 T2 或 FLAIR 高信号区域 . PBZ 在增强 MRI 中无强化,并不一定表明该区没有 肿瘤细胞,因为在 PBZ 中肿瘤细胞数量很少,对血脑 屏障、脑组织影响有限,导致无法再增强 MRI 上显 示. 

目前,已经有多种 MRI 序列可以被用于寻找 PBZ 中的肿瘤浸润. 例如,用来测量水分子扩散幅度的表 观弥散系数( apparent diffusion doefficient, ADC) 的增 加已被证明与肿瘤细胞的浸润有密切联系. 

此 外,在 动 态 对 比 增 强 ( dynamic contrast enhancement, DCE)的 MRI 分析中与胶质瘤微血管通透性相关的 容积传质系数 Ktrans 被认为是最敏感与特异的脑肿 瘤浸润和组织学分级的预测指标 . 最近也有两项 研究表明,DCE MRI 的参数在包括 PBZ 在内的一些 胶质瘤的特定区域内与缺氧的标志和患者总生存期 有关. 弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)的作用也在最近的研究中得到证实,该研究说 明了 PBZ 中的部分各向异质性和肿瘤浸润性之间存 在反比关系.

由于目前手术治疗的效果直接决定了患者的生 存期和其生活质量,所以评估 PBZ 中的肿瘤浸润范围来优化手术方案非常重要. 目前,通常是使用临床组织病理学的涂片方法来确定 PBZ 中肿瘤浸润情 况,但是这种方法敏感性差,标本不能代表整个需要 切除的范围,因此,急需新的可以确定 PBZ 中肿瘤浸 润的技术. 上文提到的术前 MRI 序列判断肿瘤浸润 还是会存在一些局限. 但是通过术中 MRI 来判断最 优的手术切除区域,GBM 切除率可以达到 96%,而这 个数据在经典的切除术中只有 27% ~ 35%. 然 而,研究认为术中 MRI 对患者的生存期影响不大,因 此 MRI 在手术中是否必需仍存在争议. 

除了通过MRI 来确定 PBZ 中的肿瘤浸润,最近有文献报道了 在 5⁃氨基酮戊酸(5⁃ALA) 的荧光引导下手术也可以 有效切除脑功能区中的胶质瘤,从而有效提高患者的 无进展生存期.

2.2  细胞构成

2.2.1  肿瘤细胞  

PBZ 的大体特征与正常脑组织基 本一致,但是 GBM 细胞浸润已经明确超出影像学上 划分的肿瘤界限,进入了大体特征相对正常的 PBZ 中,这种现象表明 GBM 应被认为是一种全脑性的疾病,而不仅是具有限定范围的肿瘤. GBM 可以通过使 用和神经细胞相同的细胞外途径,即沿着固有结构如 血管和白质束进行脑内的侵袭 . 在显微镜下,通过 特殊染色或者使用抗 p⁃53 和抗 ki67 抗体进行免疫组 化的方法可以识别 PBZ 中的肿瘤细胞.

一项有 28 例 PBZ 活检样本的研究发现,肿瘤细 胞在三分之一的样本中都有浸润. 进一步的研究通过流式细胞仪对其中的 25 个样本中的细胞进行了 DNA 分析,结果显示 8 个(32%)样本的 PBZ 出现非 整倍体细胞,这些非整倍体细胞的数量占整个样本细 胞数量的比例在 3% ~ 44%. 有趣的是,有 4 名患者的 PBZ 中包含一些在他们相应肿瘤区域中才存在的非 整倍体细胞. 这些结果表明不是所有的肿瘤细胞都能从肿瘤核心中迁移到外周. 因此,PBZ 中浸润的 GBM 细胞的特点与原代培养的细胞相似,而与那些 从相应肿瘤组织中分离出来的 GBM 细胞不同. 

2.2.2  炎症细胞  

大量研究已经证实了 GBM 的肿 瘤核心中存在炎症细胞,其中比较重要的是肿瘤相关 巨噬细胞( tumor⁃associated macrophages, TAMs) 和小胶质细胞. 在 IV 级胶质瘤中可以观察到比 II 级或 者 III 级胶质瘤中存在更多的 TAMs,并且 TAMs 的数 量与肿瘤内血管的密度密切相关. 虽然瘤内的 TAMs 数量与不同的胶质瘤患者的存活时间无关,但 是通过判断 TAMs 属于哪一亚型( M1,M2) 还是可以 作为患者预后的参考. 当 TAMs 分化为 M2 型巨 噬细胞时,他们具有促进肿瘤进展的作用. 因此, TAMs 也成为了对胶质瘤患者进行辅助治疗的一个 有前景的靶点 .

现在许多研究都把关注点放在了存在于 GBM 中 的炎症细胞,只有极少的研究把关注点放在存在于 PBZ 中的炎症细胞. Parney 等的研究证明了 PBZ 中炎症细胞的存在. 并且,他们还发现巨噬细胞样细 胞是 PBZ 中最常见的炎症浸润细胞,其次是小胶质 细胞和淋巴细胞. 虽然炎症细胞被证明存在于 PBZ 中,但 PBZ 中炎症细胞的数量要少于肿瘤瘤体内部 存在的炎症细胞,并且,目前也还不清楚 PBZ 中的巨噬细胞样细胞与瘤体内的 TAMs 是否具有相同的 特征.

2.2.3  反应性星形胶质细胞  

星形胶质细胞在中枢神经系统中发挥了多种重要的功能,包括突触的传递 和信息的处理. 虽然已经有研究报道了反应性星形胶质细胞存在于 GB 细胞周围,并且反应性星形胶 质细胞会产生 TGF⁃a, CXCL12, S1P, 和 GDNF 等神 经营养因子来增强 GB 细胞的侵袭能力,但他们在促 进胶质瘤进展过程中所扮演的角色仍未完全清 楚. 在其他类型的肿瘤中,反应性星形胶质细胞 已被证明可以促进肿瘤的生长与存活,并且可以分泌 多种细胞因子来促进肿瘤转移至脑部.

2.2.4  其他间质细胞  

从组织学上相对正常的 PBZ 中可以分离出另一类的间质细胞,即胶质母细胞瘤相 关的间质细胞(GB⁃associated stromal cells, GASCs), 不像典型的胶质瘤细胞总是存在基因的改变,GASCs 是正常的双倍体,并与肿瘤间质中存在的癌相关成纤 维细胞( cancer⁃associated fibroblasts, CAFs) 有共同的 表型与功能特征. GASCs 会表达与 CAFs 相关的分 子标志,如平滑肌肌动蛋白(smooth⁃muscle actin, a⁃SMA),血小板源性生长因子 β 受体(platelet⁃derived growth factor receptor⁃beta, PDGFRβ),S100A4/ FSP1, 还有 CD146. 在体内外对胶质母细胞瘤的研究中,这 些分子被证明具有促血管生成特性以及促肿瘤的效果 . 

最近的研究还发现,GBM 患者中存在两类肿瘤微环境,其分别是包含 GASCs 具有促癌特性的 微环境和另一种包含 GASCs 但没有促癌特性的微环 境 . 类似的情况在 Rom n⁃Pérez 等针对人类乳 腺癌的研究中也被观察到,该研究证实了有两类不同 的肿瘤微环境会影响肿瘤的侵袭性及患者的预后. 因此,切除术后患者组织中 GASCs 表现出的亚型种 类可能具有预测 GBM 复发的可能性与复发时间的功 能. 虽然目前 GASCs 的起源还不是特别清楚,但是, 有研究证明了这些细胞具有和间充质干细胞类似的 特性,所以 GASCs 可能是来源于间充质干细胞. 

2.3  分子生物学

2.3.1  组织学研究  

经典的免疫组织化学的研究提 示,PBZ 的分子生物学特征不是一成不变的,实际上 PBZ 中会发生大量的有关血管形成和其他生物分子 特征的改变. 例如,无论 PBZ 中是否存在肿瘤细胞, 其内仍可检测到有表达新血管形成的标志物[例如 CD105、巢蛋白、磷酸化细胞外信号调节激酶、c⁃Jun NH2 末端激酶(JNKs)],CD105、JNK 和巢蛋白在 PBZ 中的表达也与不良预后有关 . Jensen 等[通过分析 PBZ 中低氧的分子标志发现低 VEGF 表达预示着更长的无进展生存期. PBZ 中腺苷 A1 受体和 STAT1 表达水平也比 GBM 和正常脑组织样本中更 高 . 这些修饰可能可以阻止 GBM 的进展而具有 神经保护功能. 实际上,STAT1 是一种通过 JAK⁃ STAT 通路起作用的肿瘤抑制基因,而腺苷 A1 受体 同样具有肿瘤抑制作用. 实验证明缺乏腺苷 A1 受体的小鼠体内胶质瘤的生长速度比对照组小鼠快很多. 此外,PBZ 中铜和锌浓度较高,但是这些特 性在 GBM 中的作用尚待进一步研究.

2.3.2  组学研究  

“ 组学” 分析包括基因组学、转录 组学和蛋白组学,其正随着分子生物学的进步而不断地发展和成熟. 通过这些组学分析,目前已经出现了 几种针对 GBM 亚型的分类系统. 这些分类系统可以 鉴别具有不同临床特征,不同疾病预后和对辅助疗法 具有不同反应的 GBM 亚型. 

目前较为公认的 Ver⁃ haak 分类系统,是基于 840 个基因而将 GBM 划分为 4 个亚型,包括为神经型、原神经型、间充质型和经典 型. 此外,Sturm 等 也提出了一个基于 IDH1 和 H3F3A 突变的 GBM 分类系统. 但是,这些分子水平 的分析基本都是针对 GBM 的瘤体,而针对 PBZ 的组 学分析目前还比较少. 

Lemée 等的研究是目前为数 不多的针对 PBZ 的组学研究之一,该研究分析了 10 个 PBZ 样本,对这 10 个 PBZ 样本的基因组分析发 现,在组织病理学分析中被认为没有肿瘤浸润的 6 个 PBZ 样本中没有基因组改变,而其相应的肿瘤区域的 基因组分析呈现 GB 典型的基因组变异,即出现了 10 号染色体的缺失或者部分缺失, CDKN2A / B 基因的 部分删除突变,以及 7 号染色体出现多体型和 EGFR 基因的局灶扩增. 而在病理分析中出现肿瘤细胞浸润的 4 个 PBZ 样本则被发现存在基因组变异,这些 PBZ 样本中的部分变异类似于 GBM 中发现的经典改 变,如 7 号染色体出现了多体型,EGFR 基因的扩增 和10号染色体的缺失,但是CDKN2A/2B的删除突 变则出现的比较少. 这些结果说明了 7 号及 10 号染 色体的改变是 GB 肿瘤发生的下游事件,同时也证明 了部分肿瘤细胞能够从肿瘤瘤体的核心迁移到 PBZ. 

此外,Mangiola 等的研究也在 PBZ 中鉴定出了具 有 EGFR 扩增的细胞,其结论与上述结果一致. 而 Gill 等的研究则表明原神经亚型的 GBM 旁的 PBZ 会高表达少突胶质细胞祖细胞基因,而间质细胞 亚型旁的 PBZ 则会高表达星形细胞和小胶质细胞基 因. Piwecka 等在不久前的研究中比较了成人恶性 胶质瘤组织、肿瘤周围组织,和非肿瘤的正常脑组织 三者之间的总 microRNA(miRNA)的表达差异,他们 发现 GBM 和正常脑组织之间有 97 个 miRNAs 存在显著差异,而肿瘤边界与正常脑组织之间则只有 22 个 miRNAs 存在显著差异. 值得注意的是,miR⁃625 在肿瘤边界脑组织中的表达被下调,但在 GBM 样品 中却不下调,这个结果提示了 PBZ 中会存在一些 GB 组织中不存在的特异性改变. 

此外,还有一些研究表 明 miRNAs 可以通过影响干细胞行为而在 GB 的生长 中发挥一定作用,并且这些 miRNA 参与到细胞适应 代谢应激的过程 . 最近的研究也证明了 PBZ 中 特异表达的这些基因可能会导致 PBZ 中的细胞产生 对辅助疗法的抵抗. 因此,验证 PBZ 特异性的 miRNA 改变显得尤为重要,这些特异性的 miRNAs 将 成为开发基于 miRNA 疗法的基础. 目前对 PBZ 异质 性的研究主要还是局限在基因组学和转录组学,由于 不同患者的组织间本身存在较大的差异,这些差异使 得鉴定 PBZ 特异性蛋白存在的过程变得十分复杂.

3 、瘤周脑区异质性与胶质瘤母细胞瘤

有 90%GBM 复发都发生在 PBZ,但是,复发的肿 瘤也并不是随机出现在 PBZ 中的. PBZ 中部分区域 可能有肿瘤的大量浸润,而部分区域可能肿瘤浸润的 程度较小. 因此,寻找 PBZ 中具有肿瘤高复发风险的 区域将为临床中的手术治疗提供更为特异的切除范 围. 

目前,临床上常通过扩大切除肿瘤周边的脑区起 到防止肿瘤复发的作用. Brown 等的 meta 分析也 证实了肿瘤的切除范围与预后的相关性. 而最新的 一项有 110 名患者参与的研究也得出了同样的结 论. 然而,这种非特异性的切除可能会导致严重的 并发症,并对患者术后的生活质量产生严重的影响, 所以,如果可以找出肿瘤周边脑区里具有肿瘤高复发 风险的区域,并用损伤较小的肿瘤加高复发风险区的 联合切除取代现在临床上具有较大损伤的非特异性 切除,不仅有助于减少胶质瘤的复发,还可以减少手 术并发症,提高术后患者的生活质量. 

此外,不同患 者之间 PBZ 的异质性也可以用来预测患者的预后, 而 PBZ 与正常脑组织和肿瘤组织之间存在的差异分子也可能成为靶向治疗的靶点之一.

4、结语与展望

我们还需要对 PBZ 进行大量的研究才能明确其与 GBM 复发的关系,PBZ 可能含有可以促进 GBM 生 长与侵袭的特异性的肿瘤细胞和间质细胞. 考虑到 患者之间存在的 PBZ 异质性,现有研究的样本数量 还是较少,我们需要深入研究 PBZ 特征,从而发现针 对 PBZ 的靶向分子来对 GBM 患者进行治疗. 同时, 我们需要新的技术去评估在 PBZ 中肿瘤浸润的具体范围,从而有利于手术方案的制定,在减少胶质瘤复发的同时减少手术的并发症.

参考文献：略

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《转化医学电子杂志》，每月28日出版，本刊由第四军医大学出版社主办，第四军医大学唐都医院承办，杂志网址：http://www.ejotm.com

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