Внутриопухолевая морфологическая и молекулярно-генетическая гетерогенность в астроцитомах разной степени злокачественности в материале от первой операции

Введение. Внутриопухолевая гетерогенность является одним из ключевых факторов неблагоприятного прогноза в лечении пациентов со всеми онкологическими заболеваниями. Астроцитарные новообразования неизбежно рецидивируют с приобретением резистентности к дальнейшей терапии. Одна из возможных причин – это гетерогенность опухоли. Цель исследования – определить наличие морфологической и молекулярно-генетической гетерогенности в первичной глиобластоме, анапластической астроцитоме и диффузной астроцитоме. Материал и методы. Проведено проспективное исследование с анализом морфологических (n=22) и молекулярно-генетических характеристик (n=8) впервые прооперированных пациентов с глиобластомой giV (ГБ), анапластической астроцитомой giii (АА) и диффузной астроцитомой gii (ДА) в возрасте от 18 лет и старше. Забор образцов опухолевой ткани производился из 5 равноудаленных точек одного опухолевого узла при субтотальном и близко к тотальному удалении. Были получены 110 фрагментов опухолевой ткани. Гистологический диагноз ставился в каждом образце опухоли согласно классификации ВОЗ опухолей ЦНС (2007/2016). Относительная экспрессия мРНК генов: MGMT, C-kit, TOP2α, PDGFR-α, ERCC1, VEGF и мутации в генах IDH1 и IDH2 определялись при помощи ПЦР-методик. Результаты. Морфологическая внутриопухолевая гетерогенность была выявлена в 72,7 % случаев (16/22). В первичной ГБ гетерогенность наблюдалась в 68,8 % (11/16), в АА – в 80 % (4/5) и в единственном случае ДА. В 50 % случаев опухоль была гетерогенна в 3 и более фрагментах из пяти. Морфологическая гетерогенность представляла собой сочетание в одном опухолевом узле морфологических признаков астроцитом разной степени злокачественности – от ДА до ГБ. Внутриопухолевая молекулярно-генетическая гетерогенность была изучена у 8 пациентов в 48 экспрессионных анализах генов MGMT, C-kit, TOP2α, PDGFR-α, ERCC1, VEGF и наблюдалась в 41,7 % (20/48) случаев. Заключение. Присутствие внутриопухолевой гетерогенности следует учитывать во время операции для предоставления оптимального числа фрагментов опухоли на гистологическое и молекулярно-генетическое исследование, что имеет решающее значение для адекватной оценки прогноза и планирования лечения.

1. Virchow R. Cellular pathology. As based upon physiological and pathological histology. Lecture XVI--Atheromatous affection of arteries. 1858. Nutr Rev. 1989 Jan; 47(1): 23–5. doi: 10.1111/j.1753-4887.1989.tb02747.x.

2. Strauss Y., Globus J. Spongioblastoma with unusually rapid growth following decompression. Neurol. Bull. 1918; 1: 273–279.

3. Земская А.Г. Мультиформные глиобластомы головного мозга. Л., 1976. 178 с.

4. Смирнов Л.И. Морфология нервной системы, общая нормальная и патологическая гистология. М., 1935. 256 с.

5. Гейманович А.И., Смирнова Л.И. Опухоли центральной нервной системы. Гос. мед. издат. УССР, 1936; С. 401–421.

6. Васкин И.С., Васильев А.А. Патогистологическая характеристика опухолей центральной нервной системы. Современная хирургия. 1934; 6: 506–526.

7. Савенко С.Н. Мультиформная спонгиобластома. Опухоли центральной нервной системы. 1936; С. 424–443.

8. Scherer H., Gliomstudien. I.I. Uber die Grenzen der Zelldiagnostik der Gehirngeschwulsten, gargestellt am Beispiel des «Glioblastoma multiforme ganglioides. Virchow s, Arch. 1935; 294: 795–822.

9. Scherer H. The forms of growth in gliomas and their practical significance. Brain. 1940; 63: 11–35.

10. Hegi M.E., Diserens A.C., Gorlia T., Hamou M.F., de Tribolet N., Weller M., Kros J.M., Hainfellner J.A., Mason W., Mariani L., Bromberg J.E., Hau P., Mirimanoff R.O., Cairncross J.G., Janzer R.C., Stupp R. MGMT gene silencing and benefit from temozolomide in glioblastoma. N Engl J Med. 2005 Mar 10; 352(10): 997–1003. doi: 10.1056/NEJMoa043331.

11. Chinot O.L., Barrié M., Fuentes S., Eudes N., Lancelot S., Metellus P., Muracciole X., Braguer D., Ouafik L., Martin P.M., Dufour H., Figarella-Branger D. Correlation between O6-methylguanine-DNA methyltransferase and survival in inoperable newly diagnosed glioblastoma patients treated with neoadjuvant temozolomide. J Clin Oncol. 2007 Apr 20; 25(12): 1470–5. doi: 10.1200/JCO.2006.07.4807.

12. Watanabe T., Nobusawa S., Kleihues P., Ohgaki H. IDH1 mutations are early events in the development of astrocytomas and oligodendrogliomas. Am J Pathol. 2009 Apr; 174(4): 1149–53. doi: 10.2353/ajpath.2009.080958.

13. Kim Y.H., Nobusawa S., Mittelbronn M., Paulus W., Brokinkel B., Keyvani K., Sure U., Wrede K., Nakazato Y., Tanaka Y., Vital A., Mariani L., Stawski R., Watanabe T., De Girolami U., Kleihues P., Ohgaki H. Molecular classification of low-grade diffuse gliomas. Am J Pathol. 2010 Dec; 177(6): 2708–14. doi: 10.2353/ajpath.2010.100680.

14. Labussière M., Idbaih A., Wang X.W., Marie Y., Boisselier B., Falet C., Paris S., Laffaire J., Carpentier C., Crinière E., Ducray F., El Hallani S., Mokhtari K., Hoang-Xuan K., Delattre J.Y., Sanson M. All the 1p19q codeleted gliomas are mutated on IDH1 or IDH2. Neurology. 2010; 74(23): 1886–90. doi: 10.1212/WNL.0b013e3181e1cf3a.

15. Kim Y.H., Nobusawa S., Mittelbronn M., Paulus W., Brokinkel B. Keyvani K., Sure U., Wrede K., Nakazato Y., Tanaka Y., Vital A., Mariani L., Stawski R., Watanabe T., De Girolami U., Kleihues P., Ohgaki H. Molecular classification of low-grade diffuse gliomas. Am J Pathol. 2010 Dec; 177(6): 2708–14. doi: 10.2353/ajpath.2010.100680.

16. Hartmann C., Hentschel B., Tatagiba M., Schramm J., Schnell O., Seidel C., Stein R., Reifenberger G., Pietsch T., von Deimling A., Loeffler M., Weller M. Molecular markers in low-grade gliomas: predictive or prognostic? Clin Cancer Res. 2011; 17(13): 4588–99. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-10-3194.

17. Meyer M., Reimand J., Lan X., Head R., Zhu X., Kushida M., Bayani J., Pressey J.C., Lionel A.C., Clarke I.D., Cusimano M., Squire J.A., Scherer S.W., Bernstein M., Woodin M.A., Bader G.D., Dirks P.B. Single cell-derived clonal analysis of human glioblastoma links functional and genomic heterogeneity. Proc Natl Acad Sci USA. 2015; 112(3): 851–6. doi: 10.1073/pnas.1320611111.

18. Parker N.R., Hudson A.L., Khong P., Parkinson J.F., Dwight T., Ikin R.J., Zhu Y., Cheng Z.J., Vafaee F., Chen J., Wheeler H.R., Howell V.M. Intratumoral heterogeneity identified at the epigenetic, genetic and transcriptional level in glioblastoma. Sci Rep. 2016 Mar 4; 6: 22477. doi: 10.1038/srep22477.

19. Qazi M.A., Vora P., Venugopal C., Sidhu S.S., Moffat J., Swanton C., Singh S.K. Intratumoral heterogeneity: pathways to treatment resistance and relapse in human glioblastoma. Ann Oncol. 2017 Jul 1; 28(7): 1448–56. doi: 10.1093/annonc/mdx169.

20. Juillerat-Jeanneret L., Bernasconi C.C., Bricod C., Gros S., Trepey S., Benhattar J., Janzer R.C. Heterogeneity of human glioblastoma: glutathione-S-transferase and methylguanine-methyltransferase. Cancer Invest. 2008 Jul; 26(6): 597–609. doi: 10.1080/07357900802072913.

21. Hamilton M.G., Roldán G., Magliocco A., McIntyre J.B., Parney I., Easaw J.C. Determination of the methylation status of MGMT in different regions within glioblastoma multiforme. J Neurooncol. 2011 Apr; 102(2): 255–60. doi: 10.1007/s11060-010-0307-5.

22. Mitiushkina N.V., Iyevleva A.G., Poltoratskiy A.N., Ivantsov A.O., Togo A.V., Polyakov I.S., Orlov S.V., Matsko D.E., Novik V.I., Imyanitov E.N. Detection of EGFR mutations and EML4-ALK rearrangements in lung adenocarcinomas using archived cytological slides. Cancer Cytopathol. 2013 Jul; 121(7): 370–6. doi: 10.1002/cncy.21281.

23. Журид И.С. К учению о спонгиобластомах. Сборник, посвященный 30-летию деятельности С.Н. Давиденкова. 1936; С. 193–194.

24. Маньковский Б.Н., Савенко С.Н. О корреляции клиники и структуры глиом. Советская психоневрология. 1937; 8: 43–49.

25. Ротенберг С.И. К характеристике мультиформных спонгиобластом. Труды II Всесоюзного съезда невропатологов и психиатров. T. IV. 1937; 331–355.

26. Cancer Genome Atlas Research Network. Comprehensive genomic characterization defines human glioblastoma genes and core pathways. Nature. 2008 Oct 23; 455(7216): 1061–8. doi: 10.1038/nature07385.

27. Johnson B.E., Mazor T., Hong C., Barnes M., Aihara K., McLean C.Y., Fouse S.D., Yamamoto S., Ueda H., Tatsuno K., Asthana S., Jalbert L.E., Nelson S.J., Bollen A.W., Gustafson W.C., Charron E., Weiss W.A., Smirnov I.V., Song J.S., Olshen A.B., Cha S., Zhao Y., Moore R.A., Mungall A.J., Jones S.J.M., Hirst M., Marra M.A., Saito N., Aburatani H., Mukasa A., Berger M.S., Chang S.M., Taylor B.S., Costello J.F. Mutational analysis reveals the origin and therapy-driven evolution of recurrent glioma. Science. 2014 Jan 10; 343(6167): 189–193. doi: 10.1126/science.1239947.

28. Yip S., Miao J., Cahill D.P., Iafrate A.J., Aldape K., Nutt C.L., Louis D.N. MSH6 mutations arise in glioblastomas during temozolomide therapy and mediate temozolomide resistance. Clin Cancer Res. 2009 Jul 15; 15(14): 4622–9. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-08-3012.

29. Little S.E., Popov S., Jury A., Bax D.A., Doey L., Al-Sarraj S., Jurgensmeier J.M., Jones C. Receptor tyrosine kinase genes amplified in glioblastoma exhibit a mutual exclusivity in variable proportions reflective of individual tumor heterogeneity. Cancer Res. 2012 Apr 1; 72(7): 1614–20. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-11-4069.

30. Sottoriva A., Spiteri I., Piccirillo S.G., Touloumis A., Collins V.P., Marioni J.C., Curtis C., Watts C., Tavaré S. Intratumor heterogeneity in human glioblastoma reflects cancer evolutionary dynamics. Proc Natl Acad Sci USA. 2013 Mar 5; 110(10): 4009–14. doi: 10.1073/pnas.1219747110.

31. Soeda A., Hara A., Kunisada T., Yoshimura S., Iwama T., Park D.M. The evidence of glioblastoma heterogeneity. Sci Rep. 2015 Jan 27; 5: 7979. doi: 10.1038/srep07979.

32. Reinartz R., Wang S., Kebir S., Silver D.J., Wieland A., Zheng T., Küpper M., Rauschenbach L., Fimmers R., Shepherd T.M., Trageser D., Till A., Schäfer N., Glas M., Hillmer A.M., Cichon S., Smith A.A., Pietsch T., Liu Y., Reynolds B.A., Yachnis A., Pincus D.W., Simon M., Brüstle O., Steindler D.A., Scheffler B. Functional Subclone Profiling for Prediction of Treatment-Induced Intratumor Population Shifts and Discovery of Rational Drug Combinations in Human Glioblastoma. Clin Cancer Res. 2017 Jan 15; 23(2): 562–574. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-15-2089.

33. Yan H., Parsons D.W., Jin G., McLendon R., Rasheed B.A., Yuan W., Kos I., Batinic-Haberle I., Jones S., Riggins G.J., Friedman H., Friedman A., Reardon D., Herndon J., Kinzler K.W., Velculescu V.E., Vogelstein B., Bigner D.D. IDH1 and IDH2 mutations in gliomas. N Engl J Med. 2009 Feb 19; 360(8): 765–73. doi: 10.1056/NEJMoa0808710.

34. Parkinson J.F., Wheeler H.R., Clarkson A., McKenzie C.A., Biggs M.T., Little N.S., Cook R.J., Messina M., Robinson B.G., McDonald K.L. Variation of O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) promoter methylation in serial samples in glioblastoma. J Neurooncol. 2008 Mar; 87(1): 71–8. doi: 10.1007/s11060-007-9486-0.

35. Cao V.T., Jung T.Y., Jung S., Jin S.G., Moon K.S., Kim I.Y., Kang S.S., Park C.S., Lee K.H., Chae H.J. The correlation and prognostic significance of MGMT promoter methylation and MGMT protein in glioblastomas. Neurosurgery. 2009 Nov; 65(5): 866–75; discussion 875. doi: 10.1227/01.NEU.0000357325.90347.A1.

36. Akgül S., Patch A.M., D’Souza R.C.J., Mukhopadhyay P., Nones K., Kempe S., Kazakoff S.H., Jeffree R.L., Stringer B.W., Pearson J.V., Waddell N., Day B.W. Intratumoural Heterogeneity Underlies Distinct Therapy Responses and Treatment Resistance in Glioblastoma. Cancers (Basel). 2019; 11(2): 190. doi: 10.3390/cancers11020190.

37. Lemée J.M., Clavreul A., Menei P. Intratumoral heterogeneity in glioblastoma: don’t forget the peritumoral brain zone. Neuro Oncol. 2015 Oct; 17(10): 1322–32. doi: 10.1093/neuonc/nov119.

38. Parker N.R., Khong P., Parkinson J.F., Howell V.M., Wheeler H.R. Molecular heterogeneity in glioblastoma: potential clinical implications. Front Oncol. 2015 Mar 3; 5: 55. doi: 10.3389/fonc.2015.00055.

39. Hemmati H.D., Nakano I., Lazareff J.A., Masterman-Smith M., Geschwind D.H., Bronner-Fraser M., Kornblum H.I. Cancerous stem cells can arise from pediatric brain tumors. Proc Natl Acad Sci USA. 2003 Dec 9; 100(25): 15178–83. doi: 10.1073/pnas.2036535100.

40. Singh S.K., Clarke I.D., Terasaki M., Bonn V.E., Hawkins C., Squire J., Dirks P.B. Identification of a cancer stem cell in human brain tumors. Cancer Res. 2003 Sep 15; 63(18): 5821–8.

41. Ding Y., Hubert C.G., Herman J., Corrin P., Toledo C.M., SkuttKakaria K., Vazquez J., Basom R., Zhang B., Risler J.K., Pollard S.M., Nam D.H., Delrow J.J., Zhu J., Lee J., DeLuca J., Olson J.M., Paddison P.J. Cancer-Specific requirement for BUB1B/BUBR1 in human brain tumor isolates and genetically transformed cells. Cancer Discov. 2013 Feb; 3(2): 198–211. doi: 10.1158/2159-8290.CD-12-0353.

42. Herman J.A., Toledo C.M., Olson J.M., DeLuca J.G., Paddison P.J. Molecular pathways: regulation and targeting of kinetochore-microtubule attachment in cancer. Clin Cancer Res. 2015 Jan 15; 21(2): 233–9. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-13-0645.

43. Lee E., Pain M., Wang H., Herman J.A., Toledo C.M., DeLuca J.G., Yong R.L., Paddison P., Zhu J. Sensitivity to BUB1B Inhibition Defines an Alternative Classification of Glioblastoma. Cancer Res. 2017; 77(20): 5518–5529. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-17-0736.

44. Berghoff A.S., Kiesel B., Widhalm G., Rajky O., Ricken G., Wöhrer A., Dieckmann K., Filipits M., Brandstetter A., Weller M., Kurscheid S., Hegi M.E., Zielinski C.C., Marosi C., Hainfellner J.A., Preusser M., Wick W. Programmed death ligand 1 expression and tumor-infiltrating lymphocytes in glioblastoma. Neuro Oncol. 2015 Aug; 17(8): 1064–75. doi: 10.1093/neuonc/nou307.

45. Yang I., Tihan T., Han S.J., Wrensch M.R., Wiencke J., Sughrue M.E., Parsa A.T. CD8+ T-cell infiltrate in newly diagnosed glioblastoma is associated with long-term survival. J Clin Neurosci. 2010 Nov; 17(11): 1381–5. doi: 10.1016/j.jocn.2010.03.031.

46. Hussain S.F., Yang D., Suki D., Aldape K., Grimm E., Heimberger A.B. The role of human glioma-infiltrating microglia/macrophages in mediating antitumor immune responses. Neuro Oncol. 2006 Jul; 8(3): 261–79. doi: 10.1215/15228517-2006-008.

47. Donson A.M., Birks D.K., Schittone S.A., KleinschmidtDeMasters B.K., Sun D.Y., Hemenway M.F., Handler M.H., Waziri A.E., Wang M., Foreman N.K. Increased immune gene expression and immune cell infiltration in high-grade astrocytoma distinguish long-term from short-term survivors. J Immunol. 2012 Aug 15; 189(4): 1920–7. doi: 10.4049/jimmunol.1103373.

48. Li B., Severson E., Pignon J.C., Zhao H., Li T., Novak J., Jiang P., Shen H., Aster J.C., Rodig S., Signoretti S., Liu J.S., Liu X.S. Comprehensive analyses of tumor immunity: implications for cancer immunotherapy. Genome Biol. 2016 Aug 22; 17(1): 174. doi: 10.1186/s13059-016-1028-7.

49. Huang B., Zhang H., Gu L., Ye B., Jian Z., Stary C., Xiong X. Advances in Immunotherapy for Glioblastoma Multiforme. J Immunol Res. 2017; 2017: 3597613. doi: 10.1155/2017/3597613.

50. Daniel P.M., Filiz G., Tymms M.J., Ramsay R.G., Kaye A.H., Stylli S.S., Mantamadiotis T. Intratumor MAPK and PI3K signaling pathway heterogeneity in glioblastoma tissue correlates with CREB signaling and distinct target gene signatures. Exp Mol Pathol. 2018 Aug; 105(1): 23–31. doi: 10.1016/j.yexmp.2018.05.009.

51. Neftel C., Laffy J., Filbin M.G., Hara T., Shore M.E., Rahme G.J., Richman A.R., Silverbush D., Shaw M.L., Hebert C.M., Dewitt J., Gritsch S., Perez E.M., Gonzalez Castro L.N., Lan X., Druck N., Rodman C., Dionne D., Kaplan A., Bertalan M.S., Small J., Pelton K., Becker S., Bonal D., Nguyen Q.D., Servis R.L., Fung J.M., Mylvaganam R., Mayr L., Gojo J., Haberler C., Geyeregger R., Czech T., Slavc I., Nahed B.V., Curry W.T., Carter B.S., Wakimoto H., Brastianos P.K., Batchelor T.T., StemmerRachamimov A., Martinez-Lage M., Frosch M.P., Stamenkovic I., Riggi N., Rheinbay E., Monje M., Rozenblatt-Rosen O., Cahill D.P., Patel A.P., Hunter T., Verma I.M., Ligon K.L., Louis D.N., Regev A., Bernstein B.E., Tirosh I., Suvà M.L. An Integrative Model of Cellular States, Plasticity, and Genetics for Glioblastoma. Cell. 2019 Aug 8; 178(4): 835–849.e21. doi: 10.1016/j.cell.2019.06.024.

52. Wenger A., Ferreyra Vega S., Kling T., Bontell T.O., Jakola A.S., Carén H. Intratumor DNA methylation heterogeneity in glioblastoma: implications for DNA methylation-based classification. Neuro Oncol. 2019 May 6; 21(5): 616–627. doi: 10.1093/neuonc/noz011.

53. Pang L., Hu J., Li F., Yuan H., Yan M., Liao G., Xu L., Pang B., Ping Y., Xiao Y., Li X. Discovering Rare Genes Contributing to Cancer Stemness and Invasive Potential by GBM Single-Cell Transcriptional Analysis. Cancers (Basel). 2019 Dec 16; 11(12): 2025. doi: 10.3390/cancers11122025.

54. Lee E., Yong R.L., Paddison P., Zhu J. Comparison of glioblastoma (GBM) molecular classification methods. Semin Cancer Biol. 2018 Dec; 53: 201–211. doi: 10.1016/j.semcancer.2018.07.006.