Clinical significance of circulating tumor DNA in plasma of patients with Primary central nervous system lymphoma

Abstract

원발성 중추신경계 림프종 (Primary central nervous system lymphoma, PCNSL)은 전체 중추신경계암에 3%의 유병율을 가지며, 생존기간이 짧은 비호지킨림프종의 하위 분류이다. 대부분의 환자는 뇌 신경학적 증상(두통, 구토 등의 두 개내강 내압 상승, 의식저하, 경련, 반신마비 등)을 동반하며, 뇌전산화 단층촬영 또는 자기공명영상등 방사선학적 검사를 통해 종양의 위치와 다발성여부를 확인하고, 뇌정위 조직 생검(navigation biopsy)이나 종양적출술 (craniectomy)을 시행하여 확진한다. 하지만 원발성 중추신경계 림프종 환자의 일부은 조직검사의 위험성으로 영상검사와 임상적인 추측을 기반으로 치료를 진행하게 된다. 액체생검 (Liquid biopsy)은 혈장에 존재하는 종양 세포 사멸 과정 (apoptosis)의 부산물인 Circulating tumor DNA (ctDNA) 가 종양의 유전자 체세포 변이의 일부를 대표하고 있어, 최근 이를 이용하여 암의 특징과 치료 경과를 설명하고자 하는 연구들이 활발히 진행중인 분야이다. 그러나, 원발성 중추신경계 림프종 환자의 혈액 뇌 장벽이 혈장 내 ctDNA의 발견에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 명확히 알려져 있지 않다. 따라서, 본 연구는 원발성 중추신경계 림프종 환자의 혈액을 진단, 치료 중간, 치료 후에 연속적으로 채혈하여 ctDNA의 변화 양상과 치료 효과 예측 및 질병 진행 과정과의 연관성을 탐색하기 위한 연구를 진행하였다. 2017년 1월부터 2018년 12월까지 원발성 중추신경계 림프종으로 진단된 환자 중, 치료기간동안 연속적 채혈에 동의한 42명의 환자를 대상으로 연구가 진행되었다. 이들의 중앙생존 연령은 52세 (범주, 19~52세) 였으며, 남자 (22명)가 여자 (20명)보다 많았다. 이들은 모두 리툭시맙, 고용량 메토트렉세이트, 빈크리스틴, 그리고 프로카바진이 결합된 항암치료를 받았다. 이들의 혈장분석에서 cell free DNA (cfDNA)의 양적 분석에서 유전자양이 부족한 환자 한 명이 제외된 41명의 cfDNA는 13.5 ng/ml (평균 19.34 ng/ml, 범주 2.6-121.60 ng/ml)였다. 41명 중에서 한 종류 이상의 체세포 변이가 확인된 11명 (27.5%)의 환자에서, 가장 높은 빈도로 나타난 ctDNA는 KMT2D, PIK3CA, PIM 였으며, 이어서는 BTG1, BTG1, CARD11, DNMT3A, IRF4, MYD88, PIK3CD, PRDM1, STAT6가 그보다는 낮은 빈도(18.2%)로 확인되었다. ctDNA의 변화를 치료에 따라 연속적으로 모니터링한 결과, 완전관해 (Complete response, CR)를 획득한 7명의 환자중에서, 5명의 환자는 뇌 자기공명영상과 ctDNA에서 동시에 완전관해를 보였고, 2명의 환자는 뇌 자기 공명영상에서는 림프종이 소실되었지만 ctDNA에서는 변이된 유전자가 계속 남아 있는 불일치를 보였다. 결론적으로, 본 연구는 처음으로 원발성 중추신경계 림프종 환자의 ctDNA를 진단시에서 치료 종결까지 연속적으로 추출하여 분석한 첫 연구로써, 원발성 중추신경계 림프종 환자의 표적화 시퀀싱의 감지율은 27.5%로 다소 낮은 한계점을 확인하였다. 하지만, ctDNA의 모니터링을 통해 치료의 반응, 치료 후 미세 잔존암, 질병의 진행을 예측하는 것이 가능함을 제시하였으며, ctDNA의 임상적용의 가능성을 확인하였다. ;Circulating tumor DNA (ctDNA) which is tumor‐specific DNA sequences found in blood, has been considered an important new strategy that will aid in the treatment of non‐Hodgkin's lymphoma (NHL) because ctDNA could use in various aspects of NHL management such as diagnosis before therapy and early prediction of treatment failure as well as disease relapse. High‐throughput DNA sequencing of ctDNA encoding tumor‐specific mutations also could serve as a surrogate for the entire tumor genome and overcome the barrier of spatial and temporal tumor heterogeneity. However, the role of ctDNA in the blood is still not determined in primary central nervous system lymphoma (PCNSL) because it is not clear how the blood-brain barrier affects the level of ctDNA in blood of patients with PCNSL. Thus, we performed this pilot study to explore the clinical relevance of ctDNA in patients who consecutively diagnosed with PCNSL. The study population was from our prospective cohort study for lymphoma patients (NCT03117036) that has been enrolling patients since January 2017. All patients enrolled after obtaining written informed consent, and plasma samples for the isolation of ctDNA and targeted sequencing were collected at diagnosis and after the interim and final response evaluation. Additional samples also collected at the time of relapse. Using plasma, high-depth targeted sequencing consisting of 66 genes performed. The median age of 42 patients enrolled in the study was 52 years (range, 19 - 85 years) and, male (n = 22) was slightly more than female (n = 20). All patients included in the study administrated with combination systemic chemotherapy consisting of rituximab, high dose methotrexate, vincristine, and procarbazine as the first line. By confirming the somatic genetic mutation of tissue samples, we have proven that the detected ctDNA originated from the parent brain tumor. In plasma analysis, targeted sequencing performed for 41 patients except for a patient as a DNA quality control failure. Among 41 patients, the median ctDNA amount at the diagnosis was 13.5 ng/ml (mean 19.34 ng/ml, range 2.6 -121.60 ng/ml). Eleven patients (27.5 %) only carried at least one mutation within the target regions of the panel. For instance, KMT2D, PIK3CA, and PIM were highly ranked mutated genes, followed by BTG1, BTG1, CARD11, DNMT3A, IRF4, MYD88, PIK3CD, PRDM1, and STAT6. The changes in the therapeutic response of ctDNA monitored consecutively. Among 11 patients with ctDNA detection, five patients were identified in Complete response (CR) by ctDNA and brain MRI simultaneously. Two patients achieved CR, but the residual somatic mutation remained until the end of treatment. In conclusion, we conducted the first study that continuously analyzed ctDNA in patients with PCNSL from diagnosis to end of treatment. The detection rate of ctDNA in PCNSL was 27.5 %, which was indicating slightly lower. However, subsequent analysis of ctDNA suggested the estimation of treatment response, minimal residual disease, and disease progression. Based on these findings, we propose the clinical application of ctDNA in the real world.