华山医院PNAS|术中质谱技术助力胶质瘤IDH突变快速检测

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5月28日,国家神经疾病医学中心、复旦大学附属华山医院神经外科毛颖/花玮教授团队与清华大学精密仪器系欧阳证教授团队、美国普渡大学 Graham Cooks 教授团队及梅奥诊所 Alfredo Quinones-Hinojosa 教授团队合作在 PNAS(美国国家科学院院刊)上发表了题为Rapid Detection of IDH Mutations in Gliomas by Intraoperative Mass Spectrometry 的最新成果。

文章探讨了通过不同电离方法和质谱系统(DESI和DCS)进行术中质谱分析,以快速准确地检测胶质瘤患者的IDH(异柠檬酸脱氢酶)突变状态。

图1 论文截图

由于基因组学的发展,分子诊断作为对显微镜观察的补充而日益重要。在脑癌中,一些胶质瘤具有与异柠檬酸生化途径相关的酶突变,导致特有代谢产物2-羟基戊二酸(2HG)的积累。手术过程中使用质谱仪(MS)测量脑组织可提供有关异柠檬酸脱氢酶(IDH)突变状态的信息,这是在手术前或手术中无法获得的。

研究的关键内容包括两种质谱工作流程的开发和性能评估,分别由美国梅奥诊所(Mayo Clinic)杰克逊维尔分部和中国上海华山医院的独立团队完成。该研究表明,MS可以用于在手术中快速识别IDH突变组织,并且仅需2分钟即可完成诊断。

患者数据概述

图2B总结了普渡大学和清华大学研究中的训练队列和验证队列的患者数量。

普渡大学的训练研究使用了部分先前报告的数据以及本研究的新数据。两种不同的电离方法(解吸电喷雾电离DESI和毛细管电喷雾DCS)用于在术中从新鲜、未处理的组织活检中生成离子,这些方法也用于冷冻样本的检测。

图2 梅奥和华山研究中的训练(回顾性)和验证(前瞻性)队列数据

DESI和DCS方法之前已用于术中脑组织诊断。两种方法都生成了类似的质谱,并采用相似的比率方法来确定IDH突变状态。这些方法的使用确保了分子选择性和测量准确性。


普渡大学与梅奥诊所的方法

训练数据集包括43名患者的148个活检样本。验证数据集包括34名患者的240个样本,包含129个核心、93个边缘和18个未知位置的组织样本。

验证患者队列和DESI-MS结果总结显示,IDH突变状态的预测与标准免疫组织化学(IHC)和/或基因检测结果一致。

核心活检的IDH突变状态评估显示100%的敏感性、特异性和准确性。核心和边缘活检结合时,敏感性为89%,特异性为100%,准确性为96%。尽管测量速度快且组织量小,IDH突变和IDH野生型活检样本的质谱信号质量高,2HG/Glu(2-羟基戊二酸/谷氨酸)比率在IDH突变胶质瘤患者中显著增加(P<0.0001)。

为了评估DESI-MS/MS比率方法在多个仪器上的稳健性,一小部分活检样本被送到普渡大学进行重复测试。在线和离线测量的诊断性能相似,边缘活检的性能较差,可能是由于肿瘤体积中2HG浓度的异质性。

图3 A 和 B) 使用DESI-MS对肿瘤核心和手术边缘活检样本进行术中和术后评估IDH基因型的比较;C) 通过微型质谱仪进行2HG/Glu比率的术中代谢分析,可以显著区分IDH突变的胶质瘤和肿瘤边缘组织(***P < 0.001);D) 从左侧岛叶胶质瘤中进行多次取样并导航,显示了2HG的肿瘤内异质性。通过微型质谱仪进行实时2HG/Glu分析,连续取样描绘出了代谢边界(蓝线)。

清华大学与华山医院的方法

训练数据集中包括109名患者的137个样本(IDH突变49例,IDH-wt74例,非侵袭性脑组织14例)。单级MS信号的2HG相对丰度为IDH突变检测提供了很好的区分能力,2HG/Glu比率在训练集和验证集中表现出一致的诊断价值。

验证研究包括74名患者的样本(包括70例胶质瘤患者和4例非胶质瘤患者)。2HG/Glu的离子丰度比率在IDH突变胶质瘤中显著增加,显示出较高的准确性、敏感性和特异性(均为100%),比单独的2HG表现更好。

图4 A) 通过正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)分析获得的S-plot图,用于区分IDH突变型和IDH野生型胶质瘤的代谢; B) IDH突变型和IDH野生型胶质瘤以及未受侵脑组织中2HG、Glu和NAA的差异表达。(***p<0.001);C) 使用单级MS相对强度的代谢物数据、2HG/Glu和2HG/NAA的MS/MS数据获得的ROC曲线。AUC值分别为0.839、0.979和0.985;D) 使用微型质谱仪和2HG/Glu在MS/MS中比值为0.185进行IDH突变诊断的流程图。


总 结

总的来说,该研究成功构建了完整的胶质瘤IDH突变术中诊断流程,并将全流程检测时间缩短至1.5分钟,可以在术中快速、准确地检测IDH突变状态。质谱检测的快速性和高效性为术中评估肿瘤边缘的IDH突变状态提供了重要信息,有助于更好地指导外科手术切除范围。

视频1 一名疑似胶质瘤患者在进行开颅手术时的标准治疗流程

视频中演示了外科切除的连续步骤。来自肿瘤不同部位的新鲜切除组织样本被转移到DESI-MS操作员处,然后使用3D打印的涂抹工具将每块组织的小片涂抹在玻璃载片上。将组织涂片放置在DESI源上进行串联质谱测量。在MS/MS模式下同时检测和测量2HG和Glu的碎片离子。IDH突变肿瘤显示出显著高于Glu的2HG信号。

⚠️ 视频中包含外科手术部分镜头,可能会令人不适,请谨慎观看!


文章链接:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2318843121

 

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