葛 穎，俞梅美，沈慧聰*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科，北京 100070；2.北京市回民醫(yī)院放射科，北京 100054)

經(jīng)年齡校正后，2012—2016年美國(guó)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤平均年發(fā)病率為23.41/100 000，其中惡性者約占30.2%，以膠質(zhì)瘤最多見(jiàn)[1]。WHO依據(jù)組織病理學(xué)及臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)將中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分為Ⅰ～Ⅳ級(jí)。隨著基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，2016年WHO將分子表型引入中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類，基于異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)將彌漫性膠質(zhì)瘤分為IDH突變型、IDH野生型及非特異型[2]，約80%～90%的Ⅱ、Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤及多數(shù)繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤組織中存在IDH突變[3]。2-羥基戊二酸(2-hydroxyglutarate，2-HG)為IDH突變型膠質(zhì)瘤的特征性代謝產(chǎn)物，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制α-酮戊二酸(α-ketoglutaric acid，α-KG)依賴的雙加氧酶，多方面影響腫瘤發(fā)生、發(fā)展及侵襲過(guò)程。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)為無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)2-HG的影像學(xué)方法。本文對(duì)2-HG在IDH突變型膠質(zhì)瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用及MRS檢測(cè)2-HG方法進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 IDH突變與2-HG

IDH(包括IDH1、IDH2及IDH3)為小分子蛋白，是體內(nèi)具有脫羧作用的氧化還原酶，催化三羧酸循環(huán)中異檸檬酸氧化脫羧生成α-KG，并在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP)還原為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)的過(guò)程中起重要作用。生物體內(nèi)的IDH包括NADP依賴型(IDH1、IDH2)及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴型(IDH3)2種存在形式。IDH1存在于胞質(zhì)及過(guò)氧化物酶體中，除維持生物體抗氧化系統(tǒng)外，還可促進(jìn)脂質(zhì)合成；IDH2存在于線粒體中，主要參與細(xì)胞能量代謝；腦膠質(zhì)瘤尚未發(fā)現(xiàn)存在IDH3。IDH突變發(fā)生于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞自干細(xì)胞分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的早期。IDH1/2突變時(shí)，其功能及代謝產(chǎn)物將會(huì)發(fā)生改變；突變的IDH催化異檸檬酸代謝生成2-HG[4]。

2 2-HG與IDH突變型膠質(zhì)瘤

2-HG包括D-2-HG及L-2-HG，前者僅由突變的IDH催化生成。2-HG與α-KG為對(duì)映體，是α-KG依賴的雙加氧酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。人體中存在60余種依賴α-KG的雙加氧酶，且與多種途徑有關(guān)，涉及膠原、組蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、烷基化脫氧核糖核酸(DNA)及核糖核酸(RNA)、脂質(zhì)、抗生素、基因組中DNA的5-甲基胞嘧啶及RNA的6-甲基腺嘌呤。2-HG對(duì)α-KG依賴的雙加氧酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制影響多條細(xì)胞通路[5]。2-HG水平對(duì)于診斷IDH突變及預(yù)測(cè)患者預(yù)后、評(píng)估復(fù)發(fā)具有重要意義[4,6]。

2.1 膠質(zhì)瘤發(fā)生 2-HG通過(guò)阻止干細(xì)胞分化、抑制抑癌基因活性、降低DNA修復(fù)速率及逃避宿主免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤攻擊的方式而影響IDH突變型腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生。2-HG競(jìng)爭(zhēng)性抑制Jmj-C結(jié)構(gòu)域組蛋白去甲基化酶，使組蛋白3賴氨酸甲基化水平明顯升高，可阻止干細(xì)胞正常分化[4]；同時(shí)，2-HG可競(jìng)爭(zhēng)性抑制α-KG依賴的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化活性，阻止DNA去甲基化，致DNA高甲基化廣泛存在；2-HG還競(jìng)爭(zhēng)性抑制10-11位轉(zhuǎn)位蛋白雙加氧酶活性，致DNA去甲基反應(yīng)中介體——5-羥甲基胞嘧啶減少。以上3條通路使CpG島高甲基化表型廣泛存在于分化受阻的干細(xì)胞中，可致抑癌基因失活[7]。另一方面，2-HG競(jìng)爭(zhēng)性抑制烷烴羥化酶家族蛋白氧化去甲基酶活性，使細(xì)胞中DNA的修復(fù)速率下降而加重DNA損傷[8]，誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。最近研究[9]表明，2-HG可抑制補(bǔ)體激活途徑，抑制腦膠質(zhì)瘤組織標(biāo)本中腫瘤性T細(xì)胞的增殖、吞噬和細(xì)胞因子的分泌，有助于腫瘤逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊。

2.2 膠質(zhì)瘤發(fā)展 機(jī)體中還存在其他依賴α-KG的雙加氧酶，如含脯氨酸羥化酶(proline hydroxylase，PHD)的結(jié)構(gòu)域蛋白及膠原蛋白脯氨酰4-羥化酶(collagen prolyl 4-hydroxylase，C-P4H)。正常氧含量環(huán)境下，缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)亞基被PHD(PHD1、PHD2、PHD3)羥基化，進(jìn)而被希佩爾-林道(von Hippel-Lindau)蛋白識(shí)別、泛素化，最后被蛋白酶降解。2-HG競(jìng)爭(zhēng)性抑制PHD，尤其是PHD2時(shí)，HIF-1α上調(diào)，促進(jìn)正常星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子及促紅細(xì)胞生成物表達(dá)，促進(jìn)腫瘤血管形成及葡萄糖代謝，進(jìn)而影響對(duì)腫瘤生長(zhǎng)至關(guān)重要的其他信號(hào)通路[6]。SEMUKUNZI等[10]認(rèn)為D-2-HG的產(chǎn)生可刺激PHD2介導(dǎo)的HIF-1α降解，而在某些IDH突變細(xì)胞類型中出現(xiàn)的PHD抑制可能是某種間接影響的結(jié)果。L-2-HG在缺氧條件下積聚亦非IDH介導(dǎo)，故2-HG對(duì)HIF-1α的影響尚有爭(zhēng)議[11]。

2-HG競(jìng)爭(zhēng)性抑制膠原蛋白-脯氨酰羥化酶，使Ⅳ型膠原螺旋結(jié)構(gòu)形成障礙，羥脯氨酸、羥賴氨酸介導(dǎo)的膠原蛋白修飾被破壞，致Ⅳ型膠原成熟障礙，破壞基底膜，觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)[4,12]；而基底膜異常在腦膠質(zhì)瘤的發(fā)展中起著重要作用[13]。

3 MRS檢測(cè)2-HG

免疫組織化學(xué)及基因組序列分析是檢測(cè)IDH突變的金標(biāo)準(zhǔn)。檢測(cè)2-HG的傳統(tǒng)方法包括液相色譜-質(zhì)譜法和利用同位素標(biāo)記戊二酸作為內(nèi)參、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法，僅能測(cè)定甲醛溶液固定后石蠟包埋樣本中的2-HG水平[6,14]。無(wú)創(chuàng)獲取腫瘤性質(zhì)信息具有重要臨床意義[15]。諸多影像學(xué)方法中，MRS被認(rèn)為是非侵入性檢測(cè)2-HG水平的理想方法[16]。臨床應(yīng)用中，2-HG譜峰與具有類似結(jié)構(gòu)的谷氨酸(glutamic acid，Glu)及谷氨酰胺(glutamine，Gln)譜峰存在大量重疊，使得如何分離2-HG特征性譜峰成為MRS檢測(cè)2-HG的最大挑戰(zhàn)。

3.11H-MRS檢測(cè)2-HG

3.1.1 掃描場(chǎng)強(qiáng) MRS掃描常用場(chǎng)強(qiáng)為3.0T。MEKLE等[17]發(fā)現(xiàn)7.0T較3.0T具有更高的光譜分辨率及更好的信噪比(signal noise ratio，SNR)。9.4T場(chǎng)強(qiáng)下，光譜分辨率進(jìn)一步提高，可觀察到腫瘤代謝產(chǎn)物2-HG以及α-KG減少導(dǎo)致的代償性Glu及Gln峰值減低和NADPH消耗所致谷胱甘肽峰減低。但高場(chǎng)強(qiáng)也存在局限性，如化學(xué)位移偏差、場(chǎng)強(qiáng)不均勻及短重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)引起的T1污染對(duì)代謝物質(zhì)定量測(cè)量的影響等[18]。

3.1.2 掃描序列 點(diǎn)解析波譜(point-resolved spectroscopy，PRESS)是MRS最常用序列，該序列顯示位于2.25 ppm的譜峰具有良好的準(zhǔn)確率及SNR[12]。但BRANZOLI等[19]認(rèn)為 PRESS序列生成的波譜圖像中位于2.25 ppm的2-HG峰仍部分與其他代謝產(chǎn)物譜峰重疊，而Meshcher-Garwood點(diǎn)分辨光譜法(Meshcher-Garwood point resolved spectroscopy，MEGA-PRESS)序列波譜圖像中位于4.02 ppm的2-HG譜峰去除了其他代謝產(chǎn)物的影響，可更準(zhǔn)確地定量2-HG水平，且更適用于檢測(cè)靶向治療過(guò)程中2-HG水平變化；雖然MEGA-PRESS序列的SNR低于PRESS，以MEGA-絕熱式選擇性重聚波譜替代MEGA-PRESS可有效加以彌補(bǔ)。對(duì)于單體素波譜(single-voxel spectroscopy，SVS)或多體素化學(xué)位移成像(chemical shift imaging，CSI)采樣體素定位，ZHOU等[20]認(rèn)為SVS對(duì)術(shù)前診斷IDH突變型膠質(zhì)瘤價(jià)值更高，而CSI在鑒別IDH突變型膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)中表現(xiàn)更好。

3.1.3 掃描參數(shù) SASAKI等[12]發(fā)現(xiàn)回波時(shí)間(echo time，TE)影響檢測(cè)2-HG的敏感度及特異度。俞梅美等[21]在3.0T場(chǎng)強(qiáng)下應(yīng)用PRESS序列對(duì)比TE=35 ms(TE1=21 ms，TE2=14 ms)及TE=97 ms(TE1=32 ms，TE2=65 ms)的檢測(cè)效率，結(jié)果顯示TE=97 ms更有利于定位體素，且在2.25 ppm處可更清晰地顯示窄2-HG峰，以與鄰近的Glu、Gln及γ-氨基丁酸峰區(qū)別。CHOI等[22]認(rèn)為以較短TE、較長(zhǎng)TR可獲得完整的代謝物信號(hào)，更適用于精確地定量測(cè)量2-HG水平。

3.1.4 體素范圍 檢測(cè)2-HG的敏感度在很大程度上依賴于體素范圍，體素為8 ml是MRS分辨率的下限[23]。既往研究[14]發(fā)現(xiàn)測(cè)量腫瘤內(nèi)小范圍體素的敏感度較全體素均值更高，但這也是術(shù)后復(fù)查MRS時(shí)選擇體素的主要難點(diǎn)。選擇體素時(shí)原則上應(yīng)包括腫瘤范圍，并使部分容積效應(yīng)最小化，2 cm×2 cm×2 cm為最常用體素范圍。

3.1.5 圖像處理 常用于定量分析2-HG的譜峰編輯軟件包均基于基譜擬合法，包括LCModel、QUEST及AQSES，區(qū)別在于對(duì)背景，即未知代謝物及大分子參數(shù)的估計(jì)方法不同。LCModel基于預(yù)先定義大分子及脂質(zhì)的基組，臨床最為常用[12]；QUEST假設(shè)背景包含快速衰減成分，并允許極端點(diǎn)；AQSES則利用反傅里葉轉(zhuǎn)換樣條基組，通過(guò)擴(kuò)展代謝物基譜，即將大分子納入基組而建模[24]。此外，LCModel于頻域上執(zhí)行擬合，而QUEST及AQSES則在時(shí)域上執(zhí)行擬合。WENGER等[24]認(rèn)為確定擬合域(時(shí)域或頻域)和基線矯正是影響2-HG譜峰編輯的重要因素。

3.1.6 判讀結(jié)果 多以2.25 ppm處的2-HG絕對(duì)濃度作為診斷IDH突變參考值，范圍0.897～2.000 mmol/L，也有學(xué)者[12]推薦以1.76 mmol/L作為最佳參考值。SUH等[14]推薦，TE=97 ms單體素PRESS序列下，2-HG閾值為1 mmol/L。另有研究[14,25]認(rèn)為，基于水濃度在正常腦組織、腫瘤組織及不同類型腫瘤組織中恒定的假設(shè)測(cè)量2-HG絕對(duì)濃度因無(wú)法去除水腫嚴(yán)重程度、腫瘤細(xì)胞及組織學(xué)類型、腫瘤組織正確分割等混雜因素而與真實(shí)值有所差異，引入內(nèi)源性肌酸(creatine，Cr)很好地解決了上述問(wèn)題，并推薦SVS序列中2-HG/Cr閾值為0.11，CSI序列中2-HG/Cr閾值為0.23。鑒于IDH突變除2-HG外還帶來(lái)其他代謝產(chǎn)物變化，以2-HG結(jié)合其他代謝產(chǎn)物作為診斷IDH突變的生物學(xué)指標(biāo)具有一定臨床意義。俞梅美等[21,26]認(rèn)為TE=97/93 ms單體素PRESS序列總2-HG水平升高，結(jié)合Glu水平下降作為診斷標(biāo)準(zhǔn)較僅以2-HG水平作為診斷標(biāo)準(zhǔn)的敏感度更高，并推薦以2-HG>1.8 mmol/L或Glu<3.9 mmol/L作為診斷IDH突變的標(biāo)準(zhǔn)。

除技術(shù)因素影響2-HG檢出率外，SUH等[27]發(fā)現(xiàn)瘤體本身因素亦可影響2-HG檢出，如壞死超過(guò)20%及表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)較低與2-HG假陽(yáng)性有關(guān)，原因在于壞死區(qū)內(nèi)含脂質(zhì)，部分于2.0～2.9 ppm產(chǎn)生共振，可能增加2-HG測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)；而ADC較低與2-HG假陽(yáng)性相關(guān)的原因有待進(jìn)一步探討。

3.213C-MRS檢測(cè)2-HG 除1H-MRS外，PICHUMANI等[28]認(rèn)為在組織活檢和腫瘤提取物13C-MRS的基礎(chǔ)上輸注富含13C標(biāo)記的底物分析腫瘤代謝可能是具有潛力的方法。采用低溫冷卻后的13C探針可顯著提高檢出2-HG譜峰的敏感度。另有研究[28]發(fā)現(xiàn)利用三維功能光譜圖動(dòng)態(tài)定量測(cè)量2-HG可監(jiān)測(cè)IDH突變型膠質(zhì)瘤患者對(duì)于治療的反應(yīng)。

總之，2-HG富集是IDH突變型膠質(zhì)瘤最有特征性的代謝改變，且在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及侵襲過(guò)程中具有重要作用。作為無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)2-HG的影像學(xué)方法，MRS在IDH突變型膠質(zhì)瘤的診斷、判斷預(yù)后及評(píng)估復(fù)發(fā)等方面具有一定臨床價(jià)值。但目前MRS尚缺乏規(guī)范的掃描方案，通過(guò)改進(jìn)場(chǎng)強(qiáng)、掃描序列、TE及選擇頻譜編輯方法等和優(yōu)化判讀指標(biāo)，可改善MRS對(duì)2-HG譜峰的顯示能力，拓展其臨床應(yīng)用范圍。