Опухолевые заболевания головного мозга — гетерогенная группа объемных образований внутричерепной локализации со зло- или доброкачественным характером роста и различным гистогенезом [1, 2].
Новообразования головного мозга подразделяются на первичные и вторичные. Первичные опухоли развиваются из клеток, непосредственно локализующихся в тканях головного мозга (нейроны и нейроглия), его оболочек и черепных нервов. Вторичные опухоли имеют метастатическое происхождение. Первичные карциномы головного мозга составляют около 2% от всех злокачественных новообразований, являющихся одной из самых сложных проблем в современной онкологической практике при верификации и выборе тактики лечения [3].
По данным международной и национальной статистики [4], нейроонкологическая заболеваемость неуклонно растет. В Западной Европе, Северной Америке, Австралии заболеваемость первичными опухолями головного мозга, включая менингиомы, составляет 6—19 и 4—18 случаев на 100 тыс. мужчин и женщин соответственно. Последние исследования Central Brain Tumor Registry of the United States (CBTRUS) [5—10] показывают, что в 2004—2008 гг. в США заболеваемость доброкачественными и злокачественными первичными опухолями головного мозга составляла 16,1 и 19,2 случая на 100 тыс. мужчин и женщин соответственно.
Современная классификация опухолей ЦНС (ВОЗ, 2016 г.) основана не только на патогистологической характеристике новообразования, но и молекулярно-биологических данных, в рамках которых астроцитарные и олигодендроглиальные опухоли подразделяются в зависимости от наличия или отсутствия в геноме их клеток IDH1- или IDH2-мутации (см. рисунок)
Астроцитомы составляют абсолютное большинство среди опухолей головного мозга. Наиболее распространенными формами являются астроцитомы диффузная (соответствует GII степени злокачественности по гистопатологической классификации) и анапластическая (GIII), а также глиобластома (GIV). Диффузная астроцитома с инфильтративным компонентом характеризуется высокой степенью нейроглиальной дифференцировки, различными темпами прогрессирования, супратенториальной локализацией и способностью к малигнизации. Основными гистологическими вариантами данного вида являются астроцитомы фибриллярная, гемистоцитарная и протоплазматическая. Эти виды мозговых неоплазий возникают преимущественно в возрасте до 30—40 лет, что подчеркивает актуальность обсуждаемой проблемы. По данным статистики [13], диффузные астроцитомы поражают наиболее социально и профессионально активную часть населения — 87% пациентов моложе 35 лет. Необходимо отметить, что в ряде случаев диффузные астроцитомы склонны к малигнизации с формированием анапластических астроцитом и глиобластом. При этом в 86% случаев опухоль локализуется в больших полушариях головного мозга, вызывая тяжелые, фактически инвалидизирующие изменения, сопровождаясь крайне высокой летальностью (2-летняя выживаемость составляет 26%) [14, 15]. Таким образом, важность ранней диагностики и определения прогностических факторов данной патологии не вызывает сомнений.
Анапластическая астроцитома представляет собой инфильтративно растущую злокачественную астроцитому, которая появляется у взрослых в больших полушариях головного мозга как следствие прогрессирования диффузных астроцитом и гистологически характеризуется ядерной атипией, повышением клеточности и выраженной пролиферативной активностью. Клетки опухоли иммунопозитивны для глиофибриллярного кислого белка [16, 17].
В развитых странах среди нейроэпителиальных (глиальные) опухолей наиболее часто встречаются глиобластомы: в Америке и Европе заболеваемость варьирует в пределах 3,2—3,4 случая на 100 тыс. населения. Для них характерна высокая степень ядерной атипии, выраженные клеточный полиморфизм и митотическая активность. Также в ткани опухоли можно выявить тромбозы сосудов, микроваскулярную пролиферацию и широкие поля некрозов [18, 19].
Прогностические факторы
Одним из главных прогностических критериев у больных с глиомами является гистологическая фенотипическая верификация (степень злокачественности опухоли). Поэтому тактика лечения при опухолях головного мозга определяется прежде всего морфологическим заключением. Другими важными прогностическими критериями для оценки состояния больного и прогноза течения заболевания являются молекулярно-генетические особенности опухоли, возраст пациента, общий статус (обычно статус Карновского), выраженность внутричерепной гипертензии, сопутствующие заболевания. Эти факторы также в определенной степени влияют на выбор тактики лечения [16].
Существует крайне мало надежных маркеров прогноза для пациентов с опухолевыми заболеваниями головного мозга, как и определяющих чувствительность неопластического процесса к видам лечения, а соответственно и тактику проводимой терапии. В последнее время большие надежды стали возлагаться на некоторые генетические изменения в опухолевых клетках, в частности формирование IDH1 и IDH2 мутантного и дикого типов. Выяснилось, что IDH-мутация является ранним событием в процессе онкогенеза опухолей глиального происхождения и имеет серьезные последствия для прогрессии глиомы и поведения опухоли. Так, было показано [20], что пациенты с диффузными и анапластическими астроцитомами с мутацией IDH1 и глиобластомами IDH1+ демонстрируют более высокие показатели общей выживаемости, в то время как наличие IDH1 или 2-го дикого типа коррелирует с выраженным неблагоприятным прогнозом. В ряде исследований [19, 21—23] было выявлено, что мутации IDH1 и IDH2 в опухолях низкой степени злокачественности коррелируют с более благоприятным прогнозом, нежели дикие типы данных генов.
Генетические мутации (IDH1 и IDH2) в канцерогенезе головного мозга
Роль IDH1- и IDH2-мутаций в канцерогенезе и эпигенетические механизмы
Наиболее частыми точечными мутациями гена изоцитратдегидрогеназы 1 (IDH1) и 2 (IDH2) являются R132H в первом и R140Q во втором гене. При этом в вариантах глиом с мутацией гена IDH1 в подавляющем большинстве случаев имелась именно точечная мутация R132H (см. таблицу)
Повторяющиеся мутации IDH1 и IDH2, идентифицированные в глиомах головного мозга, а также при остром миелоидном лейкозе и хондросаркомах, приводят к появлению нового соединения с иными ферментативными свойствами — 2-гидроксиглутарата (2Hg), формирующегося из α-кетоглутарата. Продукция 2Hg индуцирует гиперметилирование ДНК и, предположительно, ингибирует туморогенез.
В сравнительном ретроспективном исследовании (n=200) глиом IDH дикого и мутантного типов низкой степени злокачественности L. Huang и соавт. [25] и A. Olar и соавт. [26] показали, что наличие IDH-мутантных глиом повышает экспрессию генов опухолевых супрессоров (NF1, PTEN и PIK3R1), а также снижает экспрессию ряда онкогенов (AKT2, ARAF, ERBB2, FGFR3 и PDGFRB) и генов прогрессии глиомы (FOXM1, IGFBP2 и WWTR1) по сравнению с глиомами IDH дикого типа. Кроме того, каждый из этих генов является в целом прогностическим для глиом, тем не менее в рамках IDH-мутантных групп ни один не показал своего прогностического значения, кроме IGFBP2 (кодирующий инсулиноподобный фактор роста, связывающий белок 2-го типа). При изучении в независимой группе было показано, что пациенты с низким уровнем экспрессии IGFBP2 демонстрируют явное преимущество в общей выживаемости и по количеству рецидивов, в то время как в когорте с высоким уровнем выявляется высокая медиана смертности по сравнению с IDH диким типом у онкологических больных.
В некоторых исследованиях было выявлено, что 2Hg-продуцирующие IDH-мутанты могут блокировать процесс деметилирования гистонов, необходимый для нормальной дифференцировки специфических клеток-предшественников. В образцах опухолевой ткани больных с глиомами IDH-мутации были связаны с сильно измененным профилем экспрессии генов, усилением экспрессии ряда протоонкогенов, выраженным в нейронных клетках-предшественниках (в отличие от упомянутых выше поздних стадий развития глиомных раковых клеток), что было также связано с увеличением метилирования гистонов. IDH-мутация коррелирует со значительным увеличением репрессивного метилирования гистонов без заметных изменений в метилировании промоторов генов ДНК. Эти данные показывают, что 2Hg, продуцирующийся вследствие IDH-мутации, может ингибировать деметилирование гистонов и что ингибирования этого процесса может быть достаточно для блокирования дифференцировки нетрансформированных клеток [27].
Влияние мутаций гена IDH на геном опухолевых клеток
В ряде работ [28] продемонстрировано наличие корреляции между IDH дикого типа и выраженной активацией ряда протоонкогенов и индуцированием связанных с ними биохимических компонентов (РIK3CA, KRAS, AKT, N-MYC и др.). В клинико-морфологическом наблюдении с большим количеством пациентов [29] была показана роль IDH-генов в активации процессов ангиогенеза, играющего существенную роль в прогрессировании и инвазии опухоли.
D. Reuss и соавт. [30] выявили, что глиомы GII степени злокачественности с IDH диким типом по уровню мутационных модификаций генома практически не отличимы от глиобластом, что может объяснять неблагоприятный прогноз при наличии соответствующего генетического маркера.
Мутации IDH1 и IDH2 влияют на репарацию ДНК
Процесс репарации ДНК — один из механизмов антионкогенной защиты клеток. Недавно были получены данные [30, 31] о связи мутаций IDH1 и IDH2 с изменениями в процессах репарации ДНК опухолевых клеток. Выяснилось, что индуцированная IDH-мутациями повышенная продукция 2Hg приводит к значительному снижению активности процессов гомологичной рекомбинации — одному из ключевых факторов восстановления нативной структуры генома, являющемуся, таким образом, важнейшим компонентом антионкогенной внутриклеточной защиты.
Эндо- (например, S-аденозилметионин) и экзогенные (например, производные нитрозомочевины) алкилирующие агенты активируют процесс метилирования оснований в мутировавших участках ДНК, не поддающихся репарации [32]. Важнейшими ферментами, участвующими в процессе репарации, являются белки семейства AlkB, которое принадлежит к Fe (II) — и α-КГ-зависимым диоксигеназам и включает в себя девять различных генов [33]. Функция репарации поврежденной ДНК данными ферментами была продемонстрирована [34—36] в биохимических экспериментах in vitro и при помощи генетического анализа у мутантных по генам ALKBH2 и ALKBH3 мышей и других млекопитающих. При изучении влияния D-2-HG на активность ALKBH2 и ALKBH3 с использованием очищенных рекомбинантных ALKBH2 и ALKBH3 белков и ДНК олигонуклеотидов было обнаружено, что очищенные ALKBH2 и ALKBH3 быстро (в течение 1 мин) деметилируют (восстанавливают) мотивированный ранее аденин. Добавление 0,5 мМ 2Hg вызывало почти 50% снижение активности ALKBH2 при последующем повышении дозы вплоть до полного ингибирования. Это согласуется с предыдущим наблюдением, показывая, что 2Hg подавляет восстановление ДНК с помощью фермента ALKBH2 in vitro. Точно также активность ALKBH3 ингибируется 2Hg. Несмотря на то что 2Hg является относительно слабым ингибитором ALKBH2 и ALKBH3 белков и не оказывает существенного влияния на ALKBH-опосредованный механизм репарации ДНК при нормальных физиологических условиях (в силу достаточно низкой в норме, фактически следовой концентрации в клетке), его высокие уровни, накапливающиеся в IDH-мутировавших глиомах (5—35 ммоль/л в клетках астроцитарных глиом [37, 38]), позволили предположить, что это может как значительно ухудшить функцию ALKBH в IDH-мутировавших клетках, так и выраженно ингибировать другие α-КГ-зависимые диоксигеназы [39].
При изучении вопроса о том, может ли 2Hg ингибировать ALKBH2 и ALKBH3 белки в опухолевых клетках, были использованы стабильные клеточные линии глиомы с экспрессией дикого типа гена IDH1 или мутантного R132H IDH1 на том же уровне, что и эндогенного IDH1 [38]. Было выявлено, что мутация IDH1 приводит к значительному (примерно в 7 раз) замедлению процессов репарации ДНК и накоплению в мутированных клетках большего количества генных мутаций по сравнению с клеточной линией дикого типа. Эндогенные уровни как ALKBH2, так и ALKBH3 белков не зависели от наличия или отсутствия дикого или мутантного типа IDH1. Хотя наличие мутации IDH1 сенсибилизировало клетки к действию алкилирующего агента, клетки, экспрессирующие дикий или мутантный тип IDH1, отвечали одинаково на воздействие лучевой терапии. В совокупности эти результаты показывают, что в несущих мутацию IDH1 опухолевых клетках продукт мутировавшего гена ингибирует активность ALKBH ферментов и приводит к накоплению повреждений ДНК в клетках.
За последние 5 лет было выявлено, что вызванные IDH1/2 мутациями нарушения гомологичной рекомбинации приводят к значительному повышению чувствительности клеток к PARP ингибиторам. Этот фенотип мутантных клеток может быть реверсирован путем обработки клеток олигонуклеотидными ингибиторами мутантного IDH1 фермента или, наоборот, полностью воспроизведен путем обработки любым из энантиомеров 2Hg в клетках с немутировавшими генами IDH1/2. Показано [40], что мутантные IDH1-клетки проявляют значительную чувствительность к ряду ингибиторов PARP в диапазоне клинически значимых моделей, в том числе она выявлена для первичных клеток глиом пациентов in vivo. Эти данные служат основой для создания новой стратегии консервативного лечения, использующей биологические последствия мутации гена IDH с помощью воздействия ингибиторов PARP.
Глиобластомы у детей (субклеточный профиль)
Глиобластомы являются одним из наиболее распространенных видов злокачественных опухолей у детей, оставаясь на первых позициях среди детской летальности от злокачественных новообразований головного мозга.
A. Korshunov и соавт. [5] провели исследование прогностической значимости геномных и эпигенетических изменений у 202 детей с помощью молекулярного анализа (метилирование ДНК, FISH). В результате около 40% глиом оказались с низкой степенью малигнизации или плеоморфными ксантоастроцитомами. Они обладали хорошим прогнозом и были схожи с молекулярным профилем PXA-подобных опухолей (BRAF V600E мутации и 9p21 (CDKN2A) гомозиготная делеция). Среди оставшихся 162 глиом были сформированы четыре группы: H3.3 G34-мутантный тип (15%), H3.3/H3.1 K27-мутантный тип (43%), IDH1-мутантный тип (6%) и H3/IDH дикий тип (36%) [41]. Проведенный анализ корреляции патогистологических признаков, иммунофенотипирования и молекулярно-биологического профиля, указывающий на определенные хромосомные аберрации, позволил создать панель маркеров для верификации глиом в детском возрасте. Несмотря на то что проведенное исследование отчасти позволило прогнозировать выживаемость детей с глиобластомами, молекулярно-генетические механизмы канцерогенеза остаются малоизученными.
Резюмируя обзор специализированной литературы, отметим, что мутантные формы по гену IDH1 значительно медленнее прогрессируют, имеют меньший риск малигнизации и в целом обладают выраженным антионкогенным эффектом. При этом 98,9% мутаций стереотипны и происходят в одном и том же участке гена — мутация R132H. Кроме того, антионкогенный эффект достигается через сложные комплексные модификации эпигенетических механизмов регуляции экспрессии генома (метилирование ДНК и гистонов). Процессы гиперметилирования ДНК и гистонов приводят к обширным изменениям транскриптома раковых клеток, в итоге блокирующего экспрессию протоонкогенов и повышающего активность противоопухолевых генов. Также было выявлено, что уровень генетических мутационных изменений в клетках опухолей с диким типом IDH фактически соответствует изменениям при наиболее тяжелых (GIV по гистопатологической классификации) формах онкологического процесса. При этом морфологическая картина злокачественности значительно менее выражена, т. е. по сути имеется некоторое «отставание» патогистологических изменений от уровня генетической мутированности раковых клеток.
В то же время изложенные выше ретроспективные данные демонстрируют наличие мутации гена IDH, вызывающей нарушение репарации ДНК, что приводит к значительному росту нестабильности генома опухолевых клеток, стимулируя дальнейшее прогрессирование мутационного процесса.
Таким образом, можно выдвинуть следующую гипотезу. Мутация гена IDH1 является сложным многоуровневым процессом, представляющим совершенно новый, ранее не описанный механизм активации антионкогенной внутриклеточной защиты. Причина возникновения мутации в опухолевых клетках de novo, вне присутствия в астроцитах нейроглии изначально, по-видимому, связана с блокированием процессов дифференцировки и развития клеток головного мозга в процессе развития, что подтверждается тяжелыми гипоплазиями головного мозга у пациентов с врожденными формами данной мутации [42]. В то же время, вероятно, данный механизм не функционирует абсолютно самостоятельно, являясь частью сложного антионкогенного процесса, способствующего замедлению опухолевой прогрессии и элиминации опухолевого клеточного клона, обусловливая значительно лучший прогноз у носителей данной мутации. Возможно, мутация генов IDH1 и IDH2, вызывая значительное увеличение нестабильности генома, приводит к нарастанию мутационных изменений вплоть до критического уровня, нарушающего оптимальный гомеостаз опухолевой ткани и активирующего вторичные антионкогенные механизмы, приводящие к значительному замедлению опухолевой прогрессии.
В целом был описан принципиально новый механизм противоопухолевой защиты — стереотипная мутация гена, мутация же гена IDH1 является одним из ключевых событий, индуцирующих дальнейший каскад антионкогенных механизмов при глиомах головного мозга. Отметим, что подобные мутации могут существовать и в опухолевых клетках другой локализации, также формируя ключевой защитный барьер в борьбе с неопластическим процессом.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
*e-mail: dr.dga@mail.ru