БИОМЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ МЕДЛАЙН.РУ
Содержание журнала

Архив

Редакция
Учредители

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
"Институт токсикологии Федерального медико-биологического агентства"


Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и экспериментальной биофизики
Российской академии наук


ООО "ИЦ КОМКОН"

Адрес редакции и реквизиты

199406, Санкт-Петербург, ул.Гаванская, д. 49, корп.2

ISSN 1999-6314
Фундаментальные исследования • Патологическая физиология

Том: 21
Статья: « 79 »
Страницы:. 1005-1024
Опубликована в журнале: 10 сентября 2020 г.

English version

Методы визуализации глиобластомы. мифы и реальность

Гальковский Б.Э., Митрофанова Л.Б., Рыжкова Д.В., Митрофанов Н.А., Гуляев Д.А.

ФГБУ «НМИЦ им. В.А.Алмазова», Санкт-Петербург, Россия
Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И.П. Павлова, Санкт-Петербург, Россия


Резюме
Глиобластома - опухоль центральной нервной системы из подгруппы глиом, относиться к 4 степени злокачественности по классификации ВОЗ. Несмотря на огромное количество научных исследований за последние 20 лет, не удалось добиться значительного увеличения продолжительности жизни пациентов после постановки диагноза. Одним из компонентов комплексного лечения глиобластомы является еe хирургическая резекция. Однако, из-за обширного инфильтративного роста даже опытные нейрохирурги не могут четко визуализировать границу между опухолью и здоровой тканью. Кроме того, за кадром остается вопрос об удалении зоны перифокального роста глиобластомы, которая является источником еe рецедива. Обзор составлен в целях систематизации имеющихся в российской и англоязычной литературе данных о методах до-и интраоперационной морфологической визуализации глиобластомы и зоны еe перифокального роста.


Ключевые слова
глиобластома, перифокальная зона, позитронно-эмиссионная томография, магнитно-резонансная томография, нейронавигация с 5-аминолевулиновой кислотой



(статья в формате PDF. Для просмотра необходим Adobe Acrobat Reader)



открыть статью в новом окне

Список литературы

Глиобластома (ГБМ) является злокачественной опухолью центральной нервной системы и обладает крайне неблагоприятным биологическим потенциалом. По данным зарубежной литературы пациенты без лечения имеют среднюю продолжительность жизни 3 месяца [1], пациенты после хирургического и химиотерапевтического лечения от 8 до 15 месяцев в среднем, менее 5% пациентов выживают в течение 5 лет после постановки диагноза [2]. В России средняя продолжительность жизни пациентов составляет 12 месяцев [3]. Текущие стандарты современного лечения ГБМ основаны на исследованиях Stupp R. et al., они включают в себя как можно более полную радикальную хирургическую резекцию опухоли и комплементарную терапию темозоломидом с радиотерапевтическим воздействием [4, 5].


Одним из главных принципов хирургического лечения в онкологии является радикальная резекция опухоли. ГБМ обладает крайне высокой инвазивностью, кроме того, даже опытным нейрохирургам очень трудно определить границы опухоли во время операции. Для того, чтобы облегчить навигацию во время операции в XX веке практически параллельно разрабатывались два подхода нейрохирургия с флуоресцентной навигацией и нейровизуализационные методы компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Позднее стали использовать ПЭТ-КТ.


Современная история методов визуализации начинается с начала 1970-х годов, когда резекция опухолей мозга стала возможной в связи с разработкой КТ и применением контрастных веществ, что ознаменовало значительные перемены в диагностике и принципах лечения глиом. Корреляция между данными КТ, гистологического исследования и клиническими данными, демонстрирующая местный рецидив опухоли в пределах 2см от исходной локализации в 80% случаев, заложила основу для успешной резекции новообразований головного мозга [6].


Почти одновременно с введением КТ (1971г.) была разработана МРТ (1973г.), которая быстро стала важным инструментом для нейровизуализации и до сих пор является базовым диагностическим методом для диагностики наличия и распространенности опухолевых процессов головного мозга [7]. В то время как T2 взвешенные изображения (ВИ) и Т1 ВИ с использованием контрастных веществ на МРТ позволяют достаточно точно определять границы опухолевого узла, последовательность FLAIR при аннулировании сигнала от жидкости и уменьшении контраста между серым и белым веществом улучшила визуализацию поражений в перивентрикулярной и периферической подкорковых областях [8], дифференцировку жидкостных и солидных образований и выявление перитуморальных изменений. МРТ с использованием контрастного вещества, имеющая высокое пространственное разрешение и превосходную тканевую чувствительность, является методом выбора для обнаружения и дифференциального диагноза опухолей головного мозга, но ограничена в определении гистоструктуры и биологической агрессивности диффузных церебральных глиом, оценки их распространенности и гистологической неоднородности [9, 10, 11]. Опухоли головного мозга, как правило, сопровождаются перифокальным (перитуморальным) отеком, что обусловлено нарушением синтеза водных каналов. Вазогенный перитуморальный отек представляет собой реактивное увеличение внеклеточной воды из-за утечки плазменной жидкости из измененных опухолью капилляров при отсутствии опухолевых клеток. Инфильтративный перитуморальный отек, сопровождающий глиомы, представляет собой смесь вазогенного отека и инфильтрирующих опухолевых клеток, необязательно разрушающих тракты белого вещества. Эта зона, как правило, не накапливает контрастное вещество на постконтрастных Т1 ВИ вследствие сохраняющейся целостности гематоэнцефалического барьера [12]. На T2 и FLAIR ВИ оба вида перитуморального отека проявляются одинаково - в виде зоны с высокоинтенсивным сигналом, окружающей опухоль. Гистологически в зоне перитуморального отека может быть обнаружена биологически активная опухоль [13]. Для дифференцировки вазогенного (при солитарных метастазах) и инфильтративного (при ГБМ) перитуморального отека некоторые исследователи оценивали коэффициент диффузии на диффузно-взвешенных изображениях и пришли к выводу, что измерение коэффициента диффузии перитуморального отека представляется перспективным инструментом, хотя говорить об окончательном решении проблемы данной методикой еще рано [14]. Перфузионная МРТ хорошо зарекомендовала себя для дифференциальной диагностики инсульта и опухолей головного мозга [15], но не используется для оценки распространенности опухолевого процесса за пределы первичного узла.


Таким образом, МРТ с использованием различных последовательностей и контрастного вещества является методом выбора для визуализации первичного узла опухоли. Однозначно определить наличие злокачественного распространения ее в пределах перитуморального отека при помощи МРТ не представляется возможным. Поэтому рекомендуется считать его при ГБМ a priori инвазированным опухолевыми клетками. Зона перитуморального отека бывает настолько велика, что полное удаление ее может привести к излишней инвалидизации пациента, что заставляет искать альтернативные методы прижизненной визуализации планируемого объема резекции опухоли.


Использование ретроспективных данных, полученных от бескаркасных и каркасных стереотаксических, нейронавигационных систем не учитывают изменение топографической анатомии головного мозга во время операции, приводящее к возникновению неточностей в навигационной системе из-за потери цереброспинальной жидкости, отека мозга и резекции опухоли, что приводит к не достоверной информации для оценки радикальности резекции опухоли. Интраоперационная низкопольная МРТ дает адекватную информацию для принятия решений, связанных с выявлением остаточной опухоли и уменьшения количества осложнений [16]


Молекулярная визуализация с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) все чаще используется в нейроонкологии как дополнение к МРТ [17-19]. Основными радиофармацевтическими препаратами (РФП), нашедшими широкое клиническое применение в диагностике и мониторинге лечения опухолей ЦНС, являются [18F]-фтордезоксиглюкоза ([18F]-ФДГ), отражающая метаболизм глюкозы в опухоли, а также РФП, включающиеся в процесс внутриклеточного транспорта аминокислот [11C] -метионин, [18F]-фторэтил-L-тирозин ([18F]-ФЭТ) и 3 [18F]-фтордигидроксифенилаланин ([18F]-ДОФА).


Основные показания к ПЭТ-визуализации при опухолях ЦНС включают в себя дифференциальную диагностику опухолевых при подозрении на глиомы высокой степени анаплазии и неопухолевых поражений головного мозга при неоднозначных результатах МРТ, определение оптимального участка для стереотаксической биопсии, определение истинных границ опухоли при планировании хирургического и лучевого лечения, идентификация злокачественной трансформации в глиомах I и II степени анаплазии [20]. ПЭТ с мечеными аминокислотами играет важную роль в дифференциальной диагностике рецидива опухоли от патологических изменений вещества мозга, вызванных лечением, например, радионекроза. Хорошо известный феномен «псевдопрогрессии» опухоли, возникающий в процессе лечения иммунопрепаратами, по данным МРТ неотличим от рецидива новообразования. [21]. С помощью ПЭТ дифференциальная диагностика данного состояния более успешна.


ПЭТ с [18F]-ФДГ для визуализации глиом используется реже, чем ПЭТ с аминокислотами, вследствие высокого физиологического накопления РФП в сером веществе головного мозга. Основным показанием к выполнению ПЭТ с [18F]-ФДГ является дифференциальная диагностика глиальной опухоли от лимфомы центральной нервной системы, при которой аккумуляция с [18F]-ФДГ в опухолевом узле будет наиболее высокой. Уровень накопления [18F]-ФДГ в глиомах коррелирует со степенью их анаплазии и неблагоприятным прогнозом [22-26]. Глиомы I/II степени анаплазии обычно на ПЭТ изображениях с [18F]-ФДГ не визуализируются, за исключением пилоцитарных астроцитом, в которых наблюдается высокое накопление РФП. Захват с [18F]-ФДГ в злокачественных глиомах III/IV степени анаплазии обычно выше, чем в белом веществе. Дифференциальная диагностика между глиомами I/II и III/IV степени затруднительна, т.к. оптимальные количественные критерии для визуального анализа ПЭТ-изображения не разработаны [27]. Следует помнить, что высокое накопление [18F]-ФДГ может наблюдаться после лучевой терапии, включая лучевой некроз, в то время как рецидивные опухоли могут иметь относительно низкую аккумуляцию РФП.


Меченые аминокислоты проникают через гематоэнцефалический барьер, поэтому в отличие от МРТ, позволяют объективно оценить истинные границы опухоли. Тем не менее, в ряде случаев возникают ошибки при дифференциации глиом III/IV и I/II степени анаплазии с помощью меченных аминокислот из-за высокой метаболической активности доброкачественных глиом, особенно олигодендроглиом. При подозрении на рецидив опухоли повышенное накопление меченых аминокислот свидетельствует в пользу рецидива образования в отличие от псевдопрогрессии и радионекроза. Повышение аккумуляции меченых аминокислот в опухоли в ходе различных видов противоопухолевого лечения указывает на неэффективность терапии, в то время как регресс захвата РФП указывает на противоопухолевый эффект. Однако, снижение кровотока в опухоли при антиангиогенной терапии препаратом бевацизумаб приводит к появлению феномена «псевдоответа», который, в свою очередь, может быть причиной ложноотрицательных результатов ПЭТ с мечеными аминокислотами.


К появлению ложных результатов ПЭТ с [18F]-ФДГ и мечеными аминокислотами могут также привести следующие патологические состояния: вирусные энцефалиты, гранулематозное воспаление, эпилепсия, травмы, ишемические инсульты, сосудистые аномалии и демиелинизирующие заболевания [28-39].


История развития флуоресцентной визуализации новобразований головного мозга начинается еще в первой половине XX века. В 1900 году О. Raab [40] изучал влияние акридинового и некоторых других красителей на инфузории туфельки: в его работе было показано что микроорганизмы погибают в присутствии красителей при освещении солнечным светом. Таким образом был открыт фотодинамический эффект. Позднее von Tappeiner H. (1907) для описания фотохимических реакций, приводящих к гибели биологических систем в присутствии красителя, поглощающего световое излучение и кислорода, был предложен термин «фотодинамическая реакция» [41]. Истоки практического использования фотодинамического эффекта можно обнаружить в работе Policard A. и Leulier A. 1924 года. Авторами было доказано, что ультрафиолетовое излучение вызывает флуоресценцию некоторых злокачественных опухолей человека [42]. Данное наблюдение было объяснено свойствами порфирина. В 1948 году Moor G.E. et al. сообщили об использовании флуоресцеина для визуализации опухолей головного мозга у 46 пациентов [43]. Авторами был описан эффект накопления флуоресцеина в ткани опухоли и перифокальной области, что объяснялось нарушением проницаемости сосудистого русла в этих зонах. В 1979 году Z. Malik и M. Djaldetti обнаружили, что 5-аминолевулиновая кислота (5-АЛК) увеличивает синтез порфиринов в эритролейкемических клетках [44]. В дальнейшем Hebeda K.M. et al. в экспериментальном исследовании показали индукцию синтеза и накопление эндогенных порфиринов при воздействии 5-АЛК на культуры клеток глиом, сами глиомы и нормальную ткань головного мозга крыс [45]. Аминолевулиновая кислота (АЛК) - молекула, естественным образом присутствующая во всех живых клетках млекопитающих, превращается в протопорфирин IX (ПрпIX) при синтезе гема [46]. АЛК образуется в митохондриях с участием фермента АЛК-синтетазы из сукцинил-КоА и глицина из цикла Кребса. Затем АЛК транспортируется в цитоплазму, где она подвергается ферментативным модификациям через промежуточные порфирины (порфобилиноген, уропорфириноген III, копропорфириноген III), а дальше транспортируется обратно в митохондрии переносчиками адениннуклеотидов. Копропорфириноген III превращается копропорфириноген-оксидазой в ПрпIX, который, в свою очередь, подвергается окислению протопорфириноген-IX-оксидазой, в результате чего образуется последний предшественник гема - флуоресцентная молекула ПрпIX [47].


Способность синтезировать гем присутствует во всех нормальных тканях, но значительно варьирует в разных органах [48]. Трансформация АЛК в молекуле гема ингибируется обратной связью, обусловленной высокими концентрациями последнего, что снижает активность АЛК-синтетазы. Однако, этот контроль может быть обойден при помощи экзогенной АЛК, которая, попадая в цитозоль, приводит к повышению уровня промежуточных звеньев синтеза гема, особенно флуоресцентной молекулы ПрпIX [49]. Системное введение экзогенной АЛК вызывает сильную флуоресценцию ПрпIX в эпителиальных и железистых структурах, включая эпидермис, слизистую оболочку, конъюнктиву, эндометрий, уротелий, печень, почку, желчный пузырь и молочную железу. С другой стороны, чрезвычайно ограниченная флуоресценция наблюдается в тканях мезодермального происхождения, таких как мышцы, соединительная ткань и кости [50]. В нормальной ткани головного мозга накопление ПрпIX практически невозможно обнаружить, за исключением ограниченных количеств в сосудистом сплетении, вентрикулярной эпендиме, pia mater и некоторых областях белого вещества [51, 52]. Неспецифическое накопление ПрпIX в нормальном мозге может происходить в эндотелиальных клетках. Было продемонстрировано, что временное и локализованное открытие гематоэнцефалического барьера может быть достигнуто в нормальном мозге крысы или мыши после доставки 5-АЛК с последующей умеренной дозой света [53, 54]. Это указывает на возможность накопления по крайней мере некоторого количества ПрпIX в эндотелиальных клетках.


Опухолевая ткань продуцирует более высокие уровни ПрпIX, чем нормальные ткани организма, что позволяет использовать 5-АЛК для интраоперационной навигации [55]. Однако, уровень продукции ПрпIX варьирует в зависимости от типа опухолевых клеток и местного клеточного окружения. Причем, опухоли кожи, мочевого пузыря, матки, желудочно-кишечного тракта, бронхов и ЛОР-органов демонстрируют более высокий уровень продукции ПрпIX [56-58]. Опухоли головного мозга, особенно глиомы высокой степени злокачественности, также проявляют сильную флуоресценцию ПрпIX после введения АЛК с соотношениями от 20:1 до 50:1 по сравнению с нормальной тканью мозга [59-61].


Тем не менее, эффект опухолевых клеток селективно синтезировать и продуцировать высокие уровни флуоресцентного ПрпIX после экзогенного введения АЛК до сих пор полностью не изучен [62]. В отличие от других флуорохромов, таких как флуоресцеин и фотофрин (порфимер натрия), которые в основном синтезируются в печени и попадают в мозг через гематоэнцефалический барьер перед проникновением в отечную опухоль, синтез ПрпIX происходит внутри опухолевой клетки, что объясняет его специфичность [63]. Испытания in vitro с различными линиями злокачественных клеток, особенно с клетками глиомы С6, доказали, что они способны синтезировать значительное количество порфиринов при добавлении 5-АЛК в среду [64]. Кроме того, после введения 5-АЛК было установлено, что порфирин практически полностью накапливается в эритроцитах, тогда как его концентрация в плазме низкая [65, 66].


Роль гематоэнцефалического барьера все еще остается предметом дискуссий [67]. Что касается физиологической нормы, гематоэнцефалический барьер имеет очень низкую проницаемость для меченого радиоактивным изотопом АЛК из-за еe плохой растворимости в липидах [68]. Кроме того, опосредованный переносчиком транспорт АЛК из крови в мозг не был обнаружен. С другой стороны, в сосудистом сплетении существует насыщаемый механизм транспорта АЛК через гематоэнцефалический барьер [69].


В отношении злокачественных глиом в большинстве исследований было высказано предположение, что основной механизм накопления ПрпIX может быть связан с более высоким поглощением 5-АЛК, в основном, путем пассивной диффузии в опухолевую ткань из-за нарушения гематоэнцефалического барьера. Также были обнаружены положительные корреляции между концентрациями ПрпIX и гадолиния в опухолевой ткани и концентрацией ПрпIX и плотностью микрососудов, что указывает на значительную, но ограниченную связь между разрушением гематоэнцефалического барьера и 5-АЛК-индуцированной флуоресценцией ПрпIX [70]. Другие исследования показали, что нарушенный гематоэнцефалический барьер - не единственный механизм. Действительно, неоангиогенез, сверхэкспрессия мембранных транспортеров в ткани злокачественной глиомы и измененная активность ферментов при биосинтезе гема также могут играть важную роль. Например, феррохелатаза, которая превращает ПрпIX в гем, обладает пониженной активностью в раковых клетках, что приводит к накоплению ПрпIX [71]. Ингибирование этой реакции добавлением хелаторов железа, таких как 1,2-диэтил-3-гидроксипиридин-4-гидрохлорид, 1,2-диметил-3-гидрокси-4-пиридон и десферриоксамин, приводило к увеличению АЛК-опосредованного накопления ПрпIX [72, 73].


Клеточная и внеклеточная среда также могут влиять на функцию клеток и образование ПрпIX. Как опухолевые, так и неопухолевые клетки значительно снижают внутриклеточные концентрации ПрпIX после инкубации в сыворотке [74]. Накопление ПрпIX увеличивается при гипогликемии, гипертермии и ацидозе, тогда как гипоксия может слегка снизить накопление ПрпIX [75-77]. Пролиферация, неоваскуляризация и повышенная плотность клеток способствуют повышенному накоплению ПрпIX в ГБМ [78].


Точность и радикальность нейрохирургии с 5-АЛК флуоресцентной навигацией была исследована путем сопоставления гистологической картины интраоперационной биопсии опухолевой ткани, полученной из разных участков (некротическая ткань, ядро опухоли и края опухоли), со степенью их флуоресценции [79]. Результаты показали, что изменение интенсивности флуоресценции ПрпIX в опухоли коррелирует с гистологической степенью злокачественности глиомы и индексом пролиферативной активности клеток Ki-67. Красная флуоресценция всегда указывает на солидную опухоль с высокой плотностью клеток, выраженной атипией, большим количеством митозов и пролиферацией сосудов (Рис. 1-8 - собственные данные). Области менее выраженной флуоресценции показывают широкий диапазон плотности клеток, но всегда значительно меньше, чем ядро опухоли. Некоторые участки могут быть плотноклеточными, в то время как другие зоны едва ли можно назвать патологическими. Некроз в образцах с низкой флуоресценцией обнаружен не был, а пролиферация сосудов в них менее выражена. Только 6,6% областей розовой флуоресценции соответствуют ГБМ. Индекс Ki-67 в розовых областях явно меньше, чем в центре, хотя в некоторых случаях пролиферативная активность может быть высокой - до 20-30%. Большинство из этих образцов могут быть диагностированы как астроцитома Grade II [80].


Не флуоресцирующая ткань, непосредственно примыкающая к флуоресцентной границе, расценивается как нормальная ткань или ткань мозга со слегка повышенной плотностью клеток с изолированной атипией и низким Ki-67. Тем не менее, делящиеся клетки и атипия могут быть обнаружены в 33% случаев, которые визуально расцениваются нормальными [81].


Случаи ложноположительной флуоресценции также описаны в литературе, хотя и встречаются достаточно редко: показатели варьируют от 0,4 до 11%. Перинекротические участки после лучевой терапии, перитуморальный отек, воспалительные клетки и реактивные астроциты могут являться флуоресцентно-положительными, особенно в случаях рецидивирующих глиом [82, 83].


Таким образом, для достижения полного объема резекции ГБМ должны быть использованы все описанные методы визуализации, так как ни один из них не может дать абсолютно сопоставимую с гистологическим и иммуногистохимическим исследованием картину.








Рис. 1. Пациент К. 67 лет. Глиобластома в операционном поле.





Рис. 2. Пациент К. 67 лет. Глиобластома в операционном поле. Зеленая флуоресценция сосудов и темно-зеленое - черное поле опухоли в ультрафиолетовом свете во время операции.





Рис. 3. Пациент К. 67 лет. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия замороженного среза глиобластомы. Зеленая аутофлуоресценция эритроцитов в сосудах.





Рис. 4. Пациент К. 67 лет. Световая микроскопия парафинового среза глиобластомы. Окраска гематоксилином и эозином, х200








Рис. 5. Пациент М., 72 лет. Глиобластома в операционном поле.





Рис. 6. Пациент М., 72 лет. Глиобластома в операционном поле после приема 5-АЛК. Красное свечение опухоли в ультрафиолетовом свете.





Рис. 7. Пациент М., 72 лет. Замороженный срез глиобластомы через 6 часов после приема 5-АЛК. Окраска гематоксилином и эозином, х200.





Рис. 8. Пациент М., 72 лет. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия замороженного среза глиобластомы через 6 часов после приема 5-АЛК. Флуоресценция протопорфирина IX. Наиболее интенсивный сигнал красного цвета, наименее интенсивный - голубого цвета.