脑脊液生物学标志物在中枢神经系统恶性肿瘤诊断中的研究进展

杨 帆，张剑宁

解放军总医院第六医学中心 神经外科研究所，北京 100048

中枢神经系统恶性肿瘤发病率高，对传统治疗不敏感且易复发，预后极差。核磁共振成像和脑脊液细胞学检验对于中枢神经系统恶性肿瘤的诊断和病情监测特异性和敏感度均较低。目前中枢神经系统恶性肿瘤治疗疗效评价和随访主要通过临床症状、影像学和组织病理特征等因素综合评估，分子病理能更加准确地描述胶质瘤的特征，但不能完全区分肿瘤复发和假性进展[1-4]。因血脑屏障等因素，血液相关肿瘤标志物作为中枢神经系统恶性肿瘤诊断和病情监测指标具有一定的局限性[5-6]。脑脊液与中枢神经系统直接接触，脑脊液中的循环生物标志物，包括循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA，ctDNA)、微RNA(microRNA，miRNA)和代谢物，有望对中枢神经系统恶性肿瘤进行准确评估。本文对上述脑脊液循环生物学标志物在中枢神经系统恶性肿瘤诊断中 的研究进展和潜在临床应用作一综述。

1 中枢神经系统恶性肿瘤患者脑脊液中的ctDNA

1994年，Rhodes等[7]首次通过聚合酶链式反应技术检测到中枢神经系统恶性肿瘤患者脑脊液ctDNA存在酪氨酸和表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)基 因 扩 增 异 常。Shingyoji等[8]通过检测29例可疑肺腺癌脑膜转移患者脑脊液中EGFR突变情况，在31%脑脊液脱落细胞阴性患者中检测到了脑脊液ctDNA EGFR突变。因此，检测中枢神经系统肿瘤患者脑脊液ctDNA较脱落细胞具有更高的敏感度和准确性。如弥漫中线肿瘤位于脑深部功能区，不能行手术切除，且定向活检手术风险性极高，开发一种微创低风险诊断方法将具有重要的临床应用价值。弥漫中线胶质瘤常存在组蛋白H3高突变率，研究人员在儿童H3K27M突变型弥漫中线胶质瘤中发现，通过脑脊液ctDNA检测H3F3A c.83A > T突变，敏感度为87.5%，特异性达100%[9]。脑脊液ctDNA检测获取弥漫中线胶质瘤分子学特征，将有助于促进靶向及细胞治疗[10-11]。另外，Hiemcke-Jiwa等[12]在原发性中枢神经系统淋巴瘤中发现约1/3患者脑脊液ctDNA中可检测到MYD88 p.L265P突变。通过二代测序技术检测脑脊液ctDNA可全面了解中枢神经系统恶性肿瘤的所有类型基因改变，包括点突变、基因融合、基因拷贝扩增异常和小的基因插入或缺失等。Pentsova等[13]对53例怀疑中枢神经系统恶性肿瘤患者脑脊液ctDNA进行341靶点肿瘤相关基因二代测序发现，原发性脑肿瘤患者体细胞突变阳性率为50%(6/12)，继发性转移瘤患者体细胞突变阳性率为63%(20/32)，而非肿瘤患者未见基因突变(0/9)。虽然脑脊液ctDNA在中枢神经系统恶性肿瘤诊断方面具有一定的应用前景，但尚不能应用于每一例临床病患。一项35例原发性中枢神经系统肿瘤患者脑脊液样本研究发现，仅74%的患者脑脊液中检测到ctDNA，但在室管膜瘤、髓母细胞瘤和毗邻脑室的高级别胶质瘤中均检测到ctDNA[14]。目前考虑脑肿瘤与脑脊液的位置关系和脑脊液ctDNA检测技术的敏感度决定其在临床应用中的潜在价值。

2 中枢神经系统恶性肿瘤患者脑脊液中的miRNA

miRNA为小片段非编码RNA，参与调节转录后翻译过程，肿瘤中的异常表达促使其发挥促癌或抑癌作用。miRNA作为新型分子标志物，在肿瘤早期诊断、预后判断和靶向治疗等方面的临床应用具有广阔的前景[15]。多项研究发现miRNA在中枢神经系统恶性肿瘤的发生与进展中发挥调节作用，如胶质母细胞瘤、髓母细胞瘤和弥漫大B细胞淋巴瘤[16-19]。由于血脑屏障的缘故，脑脊液中的miRNA较血液中的miRNA能够更好地反映大脑的病理生理过程。尽管目前对脑脊液中发现的miRNA起源尚不清楚，但细胞外囊泡中的miRNA被认为高度稳定且不易被降解。已有多项研究发现脑脊液中miRNA差异表达有助于中枢神经系统恶性肿瘤的诊断和临床预后评估[20-21]。miR-21作为重要的中枢神经系统恶性肿瘤的生物学标志物，在胶质瘤和原发性中枢神经系统淋巴瘤脑脊液中高度表达，通过抑制下游B细胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，BCL2)、磷酸化张力蛋白同源基因(phosphate and tensin homologue，PTEN)、程序性细胞死亡因子4(programmed cell death 4，PDCD4)和组织金属蛋白酶抑制因子3(tissue inhibitors of metalloproteinase 3，TIMP3)等多个靶基因表达调节多种生物学行为[22-23]。脑脊液中miR-19b和miR-92a有助于原发性中枢神经系统淋巴瘤的诊断与病情监测[22]。Zhou等[24]通过Meta分析发现检测脑脊液和脑组织中的miRNA表达可提高胶质瘤诊断的准确性，miR-21对胶质瘤的诊断特异性达94%，敏感度达86%，而且同时检测多个miRNA表达可提高敏感度。但也发现同一种miRNA在不同的原发性或继发性恶性肿瘤中表达升高或降低，有利于对中枢神经系统恶性肿瘤的鉴别。Drusco等[21]发现同时检测miR-125b、miR-223和miR-711表达，有助于鉴别胶质母细胞瘤与髓母细胞瘤。因此，通过建立不同中枢神经系统疾病患者脑脊液miRNA表达谱数据库，有望形成一种基于脑脊液miRNA的诊断方法。脑脊液miRNA还可应用于评估疾病治疗疗效、监测肿瘤复发和指导临床预后等。

3 中枢神经系统恶性肿瘤患者脑脊液中的代谢物

代谢物是细胞生化反应的中间体或产物，肿瘤细胞需要大量能量来维持细胞增殖生长，肿瘤细胞通过改变细胞代谢过程获取能量，并且其代谢产物亦可影响其他代谢途径，如糖酵解、三羧酸循环、戊糖磷酸途径、脂肪酸代谢和氨基酸代谢[25]。人类代谢组学数据库已包含约114 000种水溶性和脂溶性代谢产物，代谢物一旦产生，可在血液、血浆和脑脊液等体液中被检测到，可反映机体的病理生理过程，因此检测脑脊液中代谢物有助于各种脑内病变的早期诊断和预后提示。有氧条件下，正常细胞氧化磷酸化为腺嘌呤核苷三磷酸的主要来源，肿瘤细胞不同于正常细胞能量代谢，肿瘤细胞更依赖于有氧糖酵解这种低效能的能量代谢方式，提高了乳酸含量。葡萄糖和谷氨酰胺是肿瘤产生能量的主要底物，肿瘤细胞通过乳酸脱氢酶将葡萄糖和谷氨酰胺转化为乳酸盐，已有文献报道在脑肿瘤患者中发现其脑脊液葡萄糖水平降低和乳酸盐浓度增高[26-28]。异柠檬酸脱氢酶1(isocitrate dehydrogenase 1，IDH1)是一种位于细胞质和过氧化物酶体中的催化酶，转化异柠檬酸为α-酮戊二酸，在胶质瘤中常发生IDH1突变。IDH1/2突变胶质瘤中积累代谢产物D-2-羟戊二酸(D-2-hydroxyglutarate，D-2-HG)导致组蛋白和DNA富甲基化，致下游促癌基因活化或抑癌基因失活，引起肿瘤的发生与发展。IDH1/2突变胶质瘤患者脑脊液中D-2-HG、柠檬酸和异柠檬酸浓度明显升高[29]。在胶质瘤和转移瘤患者脑脊液中也发现了更多代谢物，包括三羧酸循环产物，必需氨基酸色氨酸、蛋氨酸等[30-31]。但后续研究仍需了解中枢神经系统肿瘤患者脑脊液中代谢物差异的原因和临床应用价值。脑肿瘤常伴有缺血坏死和炎性反应，炎症相关标志物可在脑脊液中被检测到，其有可能辅助中枢神经系统肿瘤诊断。在原发性中枢神经系统淋巴瘤脑脊液中发现多个炎性标志物含量升高，如白细胞介素-10和可溶性白细胞介素受体[32-33]。在临床应用中，代谢组学分析较基因组学分析具有简便、可组间对比等优势，且核磁共振波谱分析是一种快速、无创、可重复、敏感度较高的分析技术，对于胶质瘤及脑脓肿等疾病的诊断具有一定指导意义。但代谢组学研究仍存在一定的挑战，因为检测小分子物质与年龄、性别、饮食、生活方式和伴随疾病等因素相关。

4 结语

临床获取脑脊液相对容易和安全，对中枢神经系统恶性肿瘤患者的脑脊液进行综合研究分析，才有望使脑脊液循环生物学标志物应用于中枢神经系统肿瘤诊断和病情监测。特异性脑脊液生物学标志物还有助于避免高风险的活检手术和不必要的开颅手术，甚至根据脑脊液生物学标志物信息指导术前手术规划、术后个体化治疗和临床预后随访。越来越多的中枢神经系统恶性肿瘤脑脊液循环标志物被报道，但多数都是小样本研究，脑脊液循环生物学标志物还不能完全应用于每一例临床患者，将来的研究需制定标准化脑脊液收集、储存和生物标志物分离流程，提高检测方法的敏感度和准确性，并分析和验证特异性脑脊液肿瘤生物标志物，开展多中心合作、纵向队列研究，使脑脊液循环生物学标志物更好地应用于中枢神经系统恶性肿瘤诊疗。