Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии Минздрава России им. акад. Н.Н. Бурденко
Российский научный центр рентгенорадиологии Минздрава России
Молекулярные биомаркеры астроцитом головного и спинного мозга
Н.А. Коновалов, Д.С. Асютин,
Е.Г. Шайхаев, С.В. Капровой, С.Ю. Тимонин
РЕФЕРАТ
Астроцитомы спинного мозга относятся к редким заболеваниям центральной нервной системы. Локализация этих опухолей и их инфильтративный характер осложняет хирургическую резекцию и повышает риск послеоперационных осложнений, а также требует более осторожного применения радиои химиотерапии. Знание генетических мутаций, связанных с возникновением и развитием астроцитомы, обеспечивает более точную диагностику и классификацию новообразования и в ряде случаев позволяет определить оптимальные методы терапии, а также прогнозировать исход лечения и риски рецидивов. К настоящему времени выявлен и описан ряд молекулярных маркеров, ассоциированных с астроцитомами головного мозга и обладающих прогностическим значением. Астроцитомы спинного мозга встречаются существенно реже, поэтому данные об аналогичных маркерах этих астроцитом присутствуют в гораздо меньшем объеме и с меньшей степенью систематизации. Однако благодаря активно проводимым за рубежом ретроспективным исследованиям клинического материала началось формирование статистически значимых генетических ландшафтов опухолей различного типа, включая и интрадуральные опухоли спинного мозга. В связи с этим целью настоящего обзора стал анализ и систематизация информации о наиболее значимых генетических мутациях, ассоциированных с различными типами астроцитом, а также обсуждение перспектив диагностического и прогностического применения соответствующих молекулярных маркеров. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА астроцитома спинного мозга, глиобластома, мутации, диагностика, молекулярные маркеры, механизмы возникновения новообразований, прогностическое значение.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ЦНС - центральная нервная система; IMSCT - интрамедуллярные опухоли спинного мозга; ПА - пилоидная астроцитома; АСМ - астроцитома спинного мозга; ДА - диффузная астроцитома; АА - анапластическая астроцитома; ГБ - глиобластома; ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения.
ВВЕДЕНИЕ
астроцитома мутация головной мозг
Первичные опухоли спинного мозга относятся к редким заболеваниям и составляют всего 2-4% от всех опухолевых заболеваний центральной нервной системы (ЦНС) [1, 2]. Симптомы, связанные с развитием таких опухолей, могут значительно варьировать в зависимости от типа и расположения опухоли и включают болевой синдром, вегетативные, двигательные и чувствительные нарушения, нарушения функции тазовых органов [3]. В отсутствие терапии они могут привести к серьезным нарушениям в функционировании нервной системы и смерти пациента.
Исторически выделяют три основные группы опухолей спинного мозга: экстрамедуллярные экстрадуральные, интрадуральные экстрамедуллярные и интрамедуллярные (рис. 1). Последняя группа (интрамедуллярные опухоли спинного мозга, IMSCT) представляет собой наиболее редкие неопластические образования ЦНС (5-10% от всех первичных опухолевых заболеваний спинного мозга) [4, 5].
Наиболее частыми вариантами IMSCT считаются эпендимомы и астроцитомы, суммарно составляющие около 90% (60 и 30% соответственно) диагностируемых IMSCT у взрослых; остальные 10% прихо дятся на долю гемангиобластом и метастатических опухолей [6, 7]. У детей до 10 лет, наоборот, астроцитомы в сумме встречаются чаще, чем эпендимомы (рис. 2) [8].
Рис. 1 Типы опухолей спинного мозга: экстрамедуллярная экстрадуральная (А), интрадуральная экстрамедуллярная (Б), интрадуральная интрамедуллярная (В). 1 - Тело позвонка, 2 - опухоль, 3 - твердая мозговая оболочка, 4 - спинной мозг
Рис. 2 Встречаемость интрадуральных интрамедуллярных первичных опухолей спинного мозга у детей до 19 лет (n = 1238) и взрослых пациентов (n = 14822) по данным статистического отчета Central Brain Tumor Registry (CBTRUS) США за период 2007-2011 гг. Данные приведены по [15] (с изменениями)
Астроцитомы развиваются из астроцитов - клеток глиальной ткани, и, следовательно, относятся к классу глиальных опухолей. Согласно классификации ВОЗ, выделяют четыре типа астроцитом [9]. пилоидная астроцитома (ПА, I степень) представляет собой доброкачественную медленно растущую опухоль, отграниченную от здоровых тканей и включающую параллельно расположенные волосовидные пучки глиальных волокон. Встречается в основном у пациентов в возрасте до 20 лет; 10-летняя выживаемость превышает 90% [10, 11]. Диффузная, или низкостадийная астроцитома (II степень), - это инфильтративная опухоль без четких границ, характеризующаяся медленным инвазивным ростом и постепенно прогрессирующая до анапластической формы. Анапластическая астроцитома (III степень) представляет собой инфильтративную злокачественную опухоль гетерогенного строения, способную либо возникать независимо, либо развиваться из опухолей более низкой градации злокачественности. Анапластическая астроцитома характеризуется быстрым прогрессом и неуклонным понижением дифференцировки клеток до степени атипии глиобластомы. Глиобластома (IV степень) - опухоль высокой степени злокачественности с быстрым инфильтративным ростом. Глиобластомы могут возникать de novo или развиваться из опухолей более низкой градации, они диагностируются преимущественно у пациентов старшего возраста [12].
В большинстве случаев выявляемые астроцитомы относятся к I или II степеням злокачественности (85-90%); на долю наиболее опасных III и IV степеней приходится около 10-15% случаев, причем частота диагностирования глиобластомы составляет всего 0.2--1.5% [4]. В целом, встречаемость первичных астроцитом спинного мозга (АСМ) составляет около 2.5 на 100000 человек в год [4]. Клинические проявления АСМ в значительной степени зависят от их расположения и стадии и чаще всего представляют собой боль (~70%), нарушения чувствительности (~65%) и двигательной функции (~50%) [13].
За последние 10 лет представления о молекулярной биологии интракраниальных астроцитом существенно расширились, что, в частности, отражено в добавлении некоторых молекулярных параметров в классификацию опухолей ЦНС, предложенную ВОЗ в 2016 г. [14]. В то же время изучение механизмов возникновения и развития злокачественных астроцитом спинного мозга, а также разработка эффективных методик их терапии продвигается достаточно медленно, а количество публикаций, посвященных опухолям этого типа, очень невелико в сравнении с накопленным массивом данных по интракраниальным астроцитомам. Это связано, в первую очередь, с редкостью данного вида опухолей и, следовательно, сложностью получения статистически значимого количества образцов для анализа. Кроме того, гетерогенность клинической картины и различные стратегии терапии осложняют проведение рандомизированного исследования в стандартизированных условиях [15]. Наконец, небольшой размер, локализация этих опухолей в паренхиме и степень их инфильтрации в окружающие здоровые ткани, существенно повышающая риск осложнений, связанных с их хирургической резекцией, сильно затрудняет задачу получения достаточного для проведения исследований количества ткани. Между тем, данные о генетических изменениях в клетках АСМ дают информацию о патофизиологическом происхождении новообразования и возможных опухолевых маркерах, а также могут определять выбор методов терапии, прогноз состояния пациентов и риск рецидивов [16]. Генетические исследования интракраниальных астроцитом обеспечили базу для идентификации генов-кандидатов, ответственных за возникновение АСМ, однако онкогенез этих двух типов астроцитом имеет и определенные различия [14].
Целью настоящего обзора стало обобщение данных о некоторых генетических мутациях, связанных с возникновением и развитием астроцитом и глиом различной степени злокачественности, и возможностях их применения для прогнозирования и диагностики новообразований этого типа, включая АСМ.
Генетические маркеры, ассоциированные с астроцитомами
Существует множество свидетельств ведущей роли генетических аберраций в возникновении и прогрессировании первичных злокачественных опухолей ЦНС [17-20]. Такие аберрации могут включать полную потерю или частичную делецию хромосомы, потерю специфических аллелей, инактивирующие мутации и метилирование промотора-гена. Далее мы подробно опишем некоторые из важнейших генетических маркеров, ассоциированных с астроцитомами, а также потенциальные гены-маркеры, рассмотрим перспективы их применения в диагностических и прогностических целях.
BRAF. Ген BRAF, кодирующий серин/треониновую протеинкиназу семейства белков RAF, представляет собой протоонкоген, участвующий в регуляции пролиферации и роста клеток [21]. Мутации в этом гене способны привести к развитию разных типов опухолей. Так, дупликацию гена BRAF и его активацию обнаруживают при ювенильной ПА, локализованной в мозжечке (80%) и гипоталамо-хиазмальном отделе мозга (62%) [22]. В некоторых случаях ПА выявлена также гибридная форма гена BRAF, образованная слиянием с ранее неохарактеризованным геном KIAA1549 и отличающаяся конститутивной активацией BRAF-киназы [23, 24]. Известна также точечная активирующая мутация - замена валина на глутамат в позиции 600 (BRAF V600E) [25], а также несколько других инсерционных мутаций [26, 27]. Поскольку эта мутация практически не встречается при других глиомах и неглиальных опухолях, ее можно использовать для дифференциальной диагностики и таргетной терапии ПА [28]. Следует, однако, отметить, что мутации в гене BRAF могут иногда обнаруживаться и в диффузных глиомах и злокачественных астроцитомах в комбинации с мутациями в других генах, таких, как CDKN2A или IDH [29, 30]. Согласно ряду исследований, точечную мутацию BRAF V600E чаще находят в супратенториальных ПА, в то время как гибридные онкогены ассоциированы в большей степени с ПА, локализованными у основания черепа и в спинном мозге [31]. По данным мультицентрового исследования АСМ более 80% ПА содержат мутации в гене BRAF - из них в 40% случаев это мутация BRAF-KIAA1549, а остальные 60% - варианты дупликации гена BRAF [32].
CDKN2A. Еще один ген, важный для онкогенеза АСМ и ПА в частности, - это CDKN2A, кодирующий циклинзависимую киназу, выполняющую функции супрессора опухолевого роста [31]. В когорте, включающей 140 случаев ПА, гомозиготные делеции в этом гене встречались намного чаще в ПА, локализованных в стволе головного мозга и спинном мозге, чем при локализации ПА в головном мозге или мозжечке [33]. Помимо ПА, делеции CDKN2A достаточно часто выявляются в глиобластомах у взрослых пациентов. Так, согласно результатам двух исследований, эта мутация обнаружена примерно в половине изученных глиобластом [34, 35]. Еще в одной работе мутация в этом гене обнаружена у трех из девяти пациентов с глиобластомами спинного мозга высокой степени злокачественности [36].
IDH1/IDH2. Одним из самых важных открытий в исследовании глиом (в том числе астроцитом) стало обнаружение в этих опухолях мутаций в генах IDH1 и IDH2, кодирующих NADP - -зависимые гомодимеры изоцитратдегидрогеназ 1 и 2, локализованные в цитоплазме и митохондриях соответственно и катализирующие окислительное декарбоксилирование изоцитрата до а-кетоглутарата (a-KG) [37]. Мутация в гене IDH1 редко встречается в первичных глиобластомах (<5%), однако отмечается в 70-80% случаев астроцитом II--III степени злокачественности и вторичных глиобластом [38, 39]. Мутацию в гене IDH2 обнаруживают гораздо реже (менее 3% глиом) и никогда не находят вместе с IDH1 [39]. В подавляющем большинстве случаев (>90%) мутация IDH1 представляет собой замену аргинина на гистидин в положении 132 (активный центр фермента). Мутантный фермент катализирует восстановление a-KG до 2-гидроксиглутарата (2-HG), конкурентного ингибитора a-KG-зависимых диоксигеназ, что приводит к гиперметилированию генома, предположительно, вследствие ингибирования метилцитозингидроксилазы TET [40, 41]. Кроме того, эти мутации могут изменять уровень метилирования гистонов, блокируя дифференцировку клеток [42], а также способствовать накоплению индуцируемого гипоксией фактора HIF-1a, влияющего на целый ряд процессов, таких, как ангиогенез, клеточный метаболизм, рост и дифференцировка клеток и апоптоз [43].
Опухоли с мутациями гена IDH, как правило, несут также мутацию в гене ТР53 либо коделецию 1p/19q. Эти дополнительные мутации являются взаимоисключающими, они характерны для астроцитом (TP53) и олигодендроглиом (1p/19q) [44]. Встречаемость мутации IDH1 в низкоуровневых диффузных астроцитомах и вторичных глиобластомах составляет 88 и 82% соответственно, причем в 63% случаев диффузных астроцитом обнаруживается мутация TP53 [44]. Лишь в нескольких процентах случаев в клетках с мутациями в генах IDH1 или IDH2 выявлены также изменения в генах PTEN, EGFR, CDKN2A и CDKN2B. В то же время в образцах с немутантными генами IDH1 и IDH2 встречаемость мутаций ТР53 была существенно ниже (18%), а мутации PTEN, EGFR, CDKN2A и CDKN2B присутствовали намного чаще (74%). Не обнаружено ни одного случая появления мутации IDH1 позже мутации TP53 или коделеции, что позволяет прийти к выводу о возникновении мутации IDH1 на самых начальных этапах онкогенеза и, возможно, является общим ранним событием в патогенезе глиом различных гистологических вариантов.
Мутации IDH ни разу не были выявлены в ПА, что соответствует чрезвычайно редкой трансформации ПА в злокачественные опухоли [44]. Кроме того, мутации IDH очень редко обнаруживаются в первичных глиобластомах [38]. Этот факт позволяет использовать маркеры IDH1 и IDH2 для дифференциации низкостадийных диффузных астроцитом и вторичных глиобластом от ПА и первичных глиобластом.