中国脑健康月｜实体瘤系列：关注脑瘤，蛋白组学研究在临床分组的应用

我国把每年9月命名为“脑健康月”，呼吁社会各界重视大脑健康。在人类的中枢神经系统中，脑部扮演了调节意识、思考、控制行为以及协调感觉、管理情绪甚至言语协调和动作平衡等功能。因此脑部的病变往往会对人们生活及生命健康产生重大的影响。因为脑部功能的复杂性，脑的结构及脑部的组织也呈现相当的复杂性，其中大脑占有脑部的绝大部份体积并调节上述的大部分功能。

常见的脑部病变包括了病原（细菌或病毒等）引发的脑炎、脑瘤、血管性病变、免疫性疾病、神经退行性疾病（如帕金森、阿兹海默）甚至意外伤害等。这些病变往往会造就严重的脑损伤致使脑部的功能受损或丧失，甚至直接危及生命安全。其中脑瘤是常见的内生性复杂疾病，脑瘤的发生可能会造成脑部组织的破坏因而使脑部功能退化的疾病，在发病初期可能会导致头疼、抽搐、脸瘫等症状，可能与脑瘤在压迫或入侵脑部组织的过程中，所导致的表征。

针对脑瘤本身的生长速度、肿瘤的原发位置及对组织的入侵情况，大致可分为原发性良性脑瘤（Primary Benign Brain Tumor）、原发性恶性脑瘤（Primary Malignant Brain Tumor）及转移性恶性脑瘤（Metastatic Brain Tumor）,同时即使是原发性的恶性脑瘤，也可依据脑部中细胞种类进行脑瘤的分类,神经胶质瘤（Gliomas）的脑瘤包含星形细胞瘤（astrocytoma）、寡树突胶质细胞瘤（Oligodendroglioma）、室管膜瘤（Ependymomas）；而非神经胶质细胞瘤（Non-Gliomas）则包含了脑膜瘤(Meningiomas)、神经管胚细胞瘤（Medulloblastoma）、原发性中枢神经淋巴瘤等[图1]1。

图1:脑瘤的类型

由于脑部复杂的结构，若针对每个患者进行脑外科手术并在取得肿瘤组织后，再依据细胞本身的形态或组织染色进行临床试验的分组的困难度较高，因此通过检测脑脊液中的生物分子去找到可用的生物标记物，是一种可行的方式。同时，在临床试验的过程中，透过监测受试者脑脊液中的生物标记物的变化情况，可能预测出即将发生的不良反应或治疗效果欠佳的趋势，而使得临床试验的风险下降。

脑脊液中循环肿瘤DNA的种类 可作为明确诊断肿瘤类型的指标

近十年来，由于测序技术的敏感性不断提高，抽取血液来检测血液中游离的循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA,ctDNA）已经成为用于辅助诊断许多癌症的一种技术手段。由于脑部本身有血脑屏障的保护，所以血液中脑瘤特异性循环肿瘤DNA（brain-tumor specific ctDNA）的含量往往可能低于可侦测的量。然而在脑部内颅骨与大脑皮质之间的蛛网膜下腔充满着透明略带粘性的脑脊液。在脑脊液中包含着脑组织或脑瘤细胞分泌物质（如外泌体）或细胞凋零后的所释放出来的各种生物分子[图2]，这些生物分子包含了细胞内的ctDNA、蛋白质或是不同的RNA片段。因而通过采集脑脊液来进行测序，可以大幅度提高检测ctDNA的敏感性。

图2:脑脊液中充满生物分子

在过去的研究中也发现，不同种类的脑瘤细胞所携带的变异基因或突变类型有很高的区别度，因此，在将脑瘤患者脑脊液中的ctDNA进一步进行全基因组测序后，往往可以很快的通过定位其变异基因及突变类型而能在无需取出脑瘤组织前就可以大致判定脑瘤的类型是否为原发性或转移性，甚或脑瘤细胞原本的细胞种类来源2，举例来说肿瘤抑制基因CDKN2A/B的缺失主要是原发性神经胶质瘤的代表性突变之一，因此在脑瘤患者的脑脊液中，若在ctDNA的富集后测序发现有此现象，而无其他非神经胶质瘤类型的ctDNA标志物，就提供了该患者的脑瘤种类为神经胶质瘤的有力证据[表1]。

表1:脑脊液中各种ctDNA类型所代表的肿瘤类型

脑瘤患者的蛋白标记物具有特异性

在2021年，由Giovanni Candiano团队利用脑室外引流的方式，取得29位患有脑瘤儿童及17位需要进行脑室外流的非脑瘤对照儿童的脑脊液进行利用液相色谱结合串联质谱法的蛋白组学的比较分析。该团队分析的结果发现在约1500多个蛋白中，有191种蛋白只在脑瘤儿童患者的脑脊液中被检测到，而有263种蛋白只在对照个案的脑脊液中被检测到3。进一步分析不同蛋白组群出现在不同类型样本具有显著的意义，并有多个蛋白标志物被发现可以作为儿童脑瘤的代表性标志物（例如：S100B）[图3]，这些代表性标志物或许可以作为诊断及观察治疗后是否仍有脑瘤细胞残留的一种指标。

图3:脑瘤患者与相应对照有不同的蛋白标志物

此外，针对不同脑瘤类型的蛋白组学比较，也可以区分低级别胶质瘤（Low-grade gliomas,LGG）/胶质神经元肿瘤(glyoneuronal tumors,GT)或胚胎性瘤/髓母細胞瘤与其他种类的脑瘤对脑脊液蛋白组学成分差异的影响[图4]。有趣的是在这个研究中发现了CD109的表达量在LGG及GT肿瘤患者的脑脊液显著升高，而CD109也在近年来可以检测出脑脊液中蛋白微量变化的Olink蛋白组学平台，采用为肿瘤panel中的标志物之一4。另外，这些蛋白组学差异性可以与ctDNA生物标记物的结果进行合并分析，通过2种以上的特异性生物分子来对不同脑瘤患者进行精确分组，有利于在药物或治疗方案的临床试验中，精准定位到特定治疗方案的最适用患者，使得临床试验能在生物标记物的分子层面上达成精准治疗的目标。

图4:不同脑瘤患者的脑脊液的蛋白组组成不同

结论

通过ctDNA和生物标志物双维度的验证方式，可以提升脑瘤细胞种类鉴定的准确性，从而协助进行更精确的临床分组。脑瘤细胞具有极高的异质性，对于不同的治疗方案，可能有不同的脑瘤细胞可能会出现不同程度的反应。因此，针对脑瘤设计的各种治疗方案通过不同类型的生物分子来定义出脑瘤的细部分型后，可以进一步观察特定药物或治疗方案对于不同脑肿瘤治疗的有效性及安全性。例如，特定新药或治疗方案在三期采取扩大的多中心随机对照来执行时，定期采集脑瘤患者的脑脊液来检测特定时间点的ctDNA组成与蛋白组成分的脑瘤标志物下降，可以预示某类患者对此治疗有一定的治疗效果；反之，则可能预示治疗效果不显著甚至可能导致脑瘤恶化。

参考文献：

1. Malhotra M, Toulouse A, Godinho BM, Mc Carthy DJ, Cryan JF, O’Driscoll CM. RNAi therapeutics for brain cancer: current advancements in RNAi delivery strategies. Mol Biosyst. 2015 Oct;11(10):2635-57. doi: 10.1039/c5mb00278h. PMID: 26135606.

2. Xiao F, Lv S, Zong Z, et al. Cerebrospinal fluid biomarkers for brain tumor detection: clinical roles and current progress. Am J Transl Res. 2020;12(4):1379-1396. Published 2020 Apr 15.

3. Bruschi, M., Petretto, A., Cama, A. et al. Potential biomarkers of childhood brain tumor identified by proteomics of cerebrospinal fluid from extraventricular drainage (EVD). Sci Rep 11, 1818 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-80647-w

4. Saberi Hosnijeh F, van der Straten L, Kater AP, van Oers MHJ, Posthuma WFM, Chamuleau MED, Bellido M, Doorduijn JK, van Gelder M, Hoogendoorn M, de Boer F, Te Raa GD, Kerst JM, Marijt EWA, Raymakers RAP, Koene HR, Schaafsma MR, Dobber JA, Tonino SH, Kersting SS, Langerak AW, Levin MD. Proteomic markers with prognostic impact on outcome of chronic lymphocytic leukemia patients under chemo-immunotherapy: results from the HOVON 109 study. Exp Hematol. 2020 Sep;89:55-60.e6. doi: 10.1016/j.exphem.2020.08.002. Epub 2020 Aug 8. PMID: 32781097.

5. Friedmann-Morvinski D. Glioblastoma heterogeneity and cancer cell plasticity. Crit Rev Oncog. 2014;19(5):327-36. doi: 10.1615/critrevoncog.2014011777. PMID: 25404148.