最大乳腺癌脑转移队列分析解锁基因图谱，靶向与免疫疗法机会多多

了解乳腺癌脑转移（BCBMs）的基因组图谱对于开发靶向疗法很关键。在本研究中，Foundation Medicine Inc对常规临床诊疗过程中收集的822例BCBMs样本、11988例局限性乳腺癌（BC）活检样本和15516例非中枢神经系统（N-CNS）转移样本（均为非配对样本）进行了基因检测。与局限性BC和N-CNS转移相比，BCBMs中临床相关基因组改变显著富集。通过BRCA1/2变异、杂合性缺失评估的同源重组缺陷，以及免疫检查点抑制剂（ICI）生物标志物 [高肿瘤突变负荷（TMB）、高微卫星不稳定性（MSI）、PD-L1/L2] 在BCBM中比在局限性BC和N-CNS中更常见。在ER阴性/HER2阴性BCBMs中观察到较高的PD-L1蛋白表达（48.3%，局限性BC中为50.0%，N-CNS中为21.4%）。我们的数据表明，很大一部分BCBMs可能适合靶向疗法（包括PARP抑制剂）和ICIs。

研究背景

乳腺癌（BC）是第二常见的累及中枢神经系统（CNS）的恶性实体瘤。BC是一种异质性疾病，通过免疫组织化学（IHC）和荧光原位杂交（FISH）检测，可将其分为临床相关亚型：检测雌激素受体（ER）和孕激素受体（PR），确定激素受体（HR）阳性乳腺癌；检测人表皮生长因子受体2（HER2）受体或ERBB2基因扩增情况，确定HER2阳性乳腺癌；若缺乏这些受体的表达，则归类为三阴性乳腺癌（TNBC）。在转移性情况下，不同亚型倾向于累及的远处器官（包括脑）不同。HER2阳性乳腺癌和TNBC患者更容易发生乳腺癌脑转移（BCBM）；与HR阳性乳腺癌相比，这两种亚型发生BCBM的风险增加2至5倍。

BCBMs在转移性乳腺癌（MBC）患者中越来越常见，在颅外疾病得到充分控制的情况下，新出现或进展性的脑转移是一个特别具有挑战性的问题。在局部CNS治疗失败后，有效的全身治疗选择相对有限，尤其是对于HER2阴性肿瘤患者。鉴于此，以及与BCBM相关的致残率和死亡率，BCBM仍然是一个临床需求未满足的领域。患有活动性BCBMs的患者通常被明确排除在临床试验之外，这不仅使他们在获取新型药物方面处于不利地位，也限制了针对这些患者的新型疗法的开发和可及性。下一代测序技术的应用使人们能够对BC进行特征描述，同时也揭示了转移性BC复杂多样的分子图谱。BCBM测序研究发现，与原发性肿瘤相比，其基因组图谱存在差异。利用13项BCBMs测序研究数据，我们之前报道了在BCBM中常见的突变基因，以及与两项未纳入BCBMs的颅外疾病大型研究数据相比，存在哪些差异。该研究强调了在基因组水平上将BCBMs视为一个独特实体的重要性，并且表明颅外疾病数据不能可靠地用于BCBMs。该研究进一步强调了对脑转移进行基因检测以确定合适治疗方案的重要性。

鉴于已发表的转移性乳腺癌数据集中BCBM的代表性不足，以及可及的BCBM基因组数据总体匮乏，本研究对目前最大的BCBM队列之一进行了基因组图谱分析。我们将BCBMs与非配对的局限性BC和非CNS转移（N-CNS）队列数据进行比较，以确定BCBMs中可能存在哪些潜在靶点，总体目标是明确哪些疗法应被合理考虑用于BCBMs的临床开发。

研究结果

BCBMs的基因组图谱

比较了BCBM（n=822）与非配对的局限性BCs（n=11988）和N-CNS（n=15516）的基因变异图谱。图1A展示了BCBM中30个变异频率最高的基因及变异类型，而使用log2比值比（OR）和校正后P值的火山图比较了BCBMs与局限性BCs（图1B）和N-CNS（图1C）中常见的基因组改变。与局限性BCs相比，在BCBMs中，31个基因的基因组改变显著富集，发生率>3%且错误发现率（FDR）<0.1，其中26个基因相比在N-CNS中，也在BCBMs中富集（图2A）。BCBMs中最显著富集的基因包括：TP53（71.8%）、MYC（25.9%）、ERBB2（24.6%）、PTEN（16.7%）、CDKN2A（10.3%）、BRCA1和CDKN2B（各7.8%）（图2A）。ESR1改变在BCBMs中的发生率高于局限性BCs，但两者均显著低于N-CNS（6.4% vs 3.7%，FDR 0.003和20.7%, FDR 6.7 ×10−27）。BCBMs（30.2%）和BCs（31.8%）之间的PIK3CA发生率没有显著差异（图2B）。与BCs（FDR 5.8 ×10−33）和BCBMs（FDR 3.8 ×10−6）相比，PIK3CA改变在N-CNS转移（38.9%）中更为普遍。总体而言，28个基因在BCBMs中的变异频率＞3%，但与局限性BCs相比无显著差异（FDR＞0.1，图2B）。一些较少见但潜在可操作的改变也在BCBMs队列中富集，包括ROS1、KIT、NTRK1、RICTOR1和JAK2改变，各在BCBMs中约占2-3%（图1B）。

图1

图2

分析致病性短变异（SVs），与局限性BCs相比，BCBMs中FDR＜0.1的最显著富集的基因包括TP53（70.7%）、PIK3CA（26.5%）、BRCA1（6.7%）、ARID1A（6.4%）、NF1（6.1%）、BRCA2（5.1%）（表1），而CDH1（3.8%）和AKT1（1.8%）在BCBMs中的发生率相较于局限性BCs显著较低（表1）。分析拷贝数（CN）变异，与局限性BCs相比，19个基因在BCBMs中的CN变异频率至少为3%，且FDR＜0.1（表1）。报告的的CN改变包括癌基因扩增（CN＞6）和抑癌基因深度缺失（CN = 0）。显著扩增和缺失的前几位基因是MYC（25.9%）、ERBB2（22.5%）、PIK3CA（5.23%）和PTEN（9.4%）、CDKN2A（8.4%）、CDKN2B（7.4%）。此外，PDL1、PDCD1LG2（PDL2）和干性标志物SOX2在BCBMs中的扩增发生率更高，为3.4%，而在BC中这三个基因的扩增发生率为1.6%-0.96%，在N-CNS中为1.1%-1.15%（表1）。最后，REs（重排，大的结构变异）在BCBMs中较为罕见。在BCBMs中，唯一RE发生率＞3%且FDR＜0.1的基因是CDK12（3.5%）（表1）。

表1

根据受体状态分层的BCBMs基因组图谱

在根据受体状态对所有样本进行分层后，评估了根据受体状态分层的BCBMs基因组图谱，以及与局限性BCs和N-CNS相比的改变频率。正如预期的那样，ESR1和ERBB2改变分别在ER阳性和HER2阳性肿瘤中更常见，ESR1改变（点突变和扩增）在ER阳性/HER2阴性BCBMs中显著富集（FDR＜0.001）。BCBMs中最常发生改变的基因，如TP53、PIK3CA和MYC，存在于所有BCBMs亚型中。FGF/FGFR（FGF3/4/19和FGFR1/2）通路在ER阳性/HER2阴性（21.7-22.2%）、ER阳性/HER2阳性（7.6-19.7%）和ER阴性/HER2阳性（8.2-10.6%）的BCBMs中频繁发生改变，而在ER阴性/HER2阴性的BCBMs中则不然。在ER阳性/HER2阴性的BCBMs中，频繁发生改变的基因是CDH1（8%）和BRCA2（7%）；在ER阳性/HER2阳性的BCBMs中，是PIK3C2B（11%）、MDM4（11%）、TBX3（9%）和AKT2（8%）；在ER阴性/HER2阳性的BCBMs中，是LYN（9%）。CDK12在HER2阳性BCBMs中相比在局限性BCs（8.6%）和N-CNS（8.5%）中富集（15%），但差异不显著（p＜0.01，FDR＞0.1）。在ER阴性/HER2阴性BCBMs中，FDR＜0.1的显著富集的基因是BRCA1（14%）、CCND3（9%）、JAK2（8%）和免疫检查点抑制（ICI）标志物CD274（PDL1）（7%）。根据受体状态分层的30个最常发生改变的基因见图3。

图3

BCBMs的基因组特征和PD-L1表达

我们发现，通过全基因组杂合性缺失评估的同源重组缺陷（HRD-gLOH；阈值16%）在BCBMs中显著高于局限性BCs和N-CNS（分别为52.0%、33.7%、31.5%，BCBM vs BC和BCBM vs N-CNS的p值均为0.0001）（表2）。与BCs和N-CNS相比，HRD-gLOH在ER阳性/HER2阴性（43.2%，与BC相比，p = 0.0682；与N-CNS相比，p = 0.0306）和ER阴性/HER2阴性（70.5%，与BC相比，p = 0.0269；与N-CNS相比，p = 0.0039）的BCBMs中尤其高（表2）。与此一致的是，BRCA1、BRCA2和PALB2改变在BCBMs（7.8%、5.5%和2.7%）中比在BC（4.3%、4.2%和1.3%）和N-CNS（3.2%、4.9%和1.3%）中更常见。

表2

我们还研究了BCBMs中免疫检查点抑制（ICI）标志物的发生率，包括肿瘤突变负荷（TMB；阈值10个突变/Mb）和微卫星不稳定性（MSI）。15.5%的BCBMs为TMB-H，2.0%为MSI-H，3.5%存在PD-L1（CD274）改变（3.4%为扩增），3.4%存在PDCD1LG2（PD-L2，CD273）扩增。所有这些在BCBMs组均显著高于局限性BCs组和N-CNS组（所有比较均p＜0.0001）。与BCs相比，TMB-H在ER阳性/HER2阴性（11.4%，p = 0.0002）和ER阴性/HER2阴性（17.4%，p＜0.0001）的BCBMs中仍然显著，而在其他亚型中则不然。

PD-L1（SP142）IHC检测显示，BCBMs（38.7%）的PD-L1阳性表达低于BCs（54.3%），但高于N-CNS（26.2%）。根据亚型划分，在ER阳性/HER2阴性（23%）、ER阳性/HER2阳性（27%）、ER阴性/HER2阳性（57%）样本中，BCBMs的PD-L1蛋白表达低于BC但高于N-CNS（表2）。值得注意的是，ER阴性/HER2阴性BCBMs（48.3%）与BC（50.0%）的PD-L1蛋白表达相似，但高于N-CNS（21.4%）。表2总结了局限性BCs、BCBMs和N-CNS队列以及不同受体亚型中基因组特征、PD-L1/L2改变和PD-L1 IHC阳性的发生率。

一部分TMB-H BCBMs样本（n = 18）同时PD-L1表达阳性（12/18，66.7%）。TMB-H BCBMs的PD-L1阳性率低于局限性BCs（83/113，73.5%），但仍高于TMB-H N-CNS（84/236，35.6%）。

临床相关性分析和可靶向基因

大多数BCBMs至少存在一个可靶向基因（PIK3CA、ERBB2、BRCA1/2、ARID1A、PARP1、CDKN2A/2B），见图1和表1。此外，许多样本中一种或多种ICI标志物呈阳性（TMB-H、MSI-H、PD-L1、PD-L2，表2）。这些数据表明，如果有这些基因组数据，很大一部分BCBMs患者可能有资格接受靶向和/或免疫单药或联合治疗。在OncoKB数据库（www.oncokb.org）中进一步评估了这些可靶向标志物的可操作性。例如，FDA 批准的药物（1级）可用于乳腺癌中ERBB2、PIK3CA改变，以及所有实体瘤中其他生物标志物，如TMB-H、MSI-H。有临床证据（3级）表明，AKT1、BRCA1/2、IDH1突变可分别被Capivasertib、奥拉帕利或他拉唑帕利、艾伏尼布靶向，而生物学证据（4级）将CDK12截断突变与帕博利珠单抗-纳武利尤单抗-塞米普利单抗相关联，将CDKN2A致癌突变与哌柏西利-瑞波西利-阿贝西利相关联。使用搜索词"乳腺癌""CNS"和"胶质瘤"，本研究BCBMs队列中识别的基因改变及相关治疗药物和证据水平总结于表3。。

表3

讨 论

基因检测有助于通过比较原发性肿瘤和转移性肿瘤沉积物，更深入地了解乳腺癌的进化过程和转移的发展。这种基因特征描述有助于识别体细胞和胚系基因改变，进而推动靶向治疗的开发和应用。众所周知，原发性和转移性乳腺癌的基因图谱存在差异，在乳腺癌进展过程中，除了因治疗出现的突变外，还观察到额外的突变负荷和新获得的驱动突变。鉴于此，获取转移性疾病样本并进行测序至关重要。

关于BCBMs，可及的基因数据有限。在三项大型基因组研究中，共对1985例MBCs的基因图谱进行了描述，其中只有33例（1.7%）是BCBMs。在最近发表的一项系统综述中，我们利用13项测序研究的数据，报告了在总共164例BCBMs中发现的常见突变基因。将这些数据与颅外疾病数据进行比较，揭示了原发性乳腺癌和脑转移瘤之间的差异，强调了获取和分析患者脑转移组织样本的重要性。

在本研究中，我们使用经过验证的Foundation Medicine检测，对迄今为止最大的BCBMs队列（n=822，是系统综述中数据量的5倍）进行研究，探讨了BCBMs中存在的与临床相关的基因改变，以及与局限性BCs和/或N-CNS疾病相比的差异。BCBMs与局限性BCs和/或N-CNS的基因组差异，可能反映了在转移过程中获得的额外突变（包括新的驱动突变），或者是能够播种BCBMs的细胞的克隆选择，不过还需要更多研究来进一步证实这些假设。

如果对BC和N-CNS转移的基因检测未显示某些基因改变，且患者尚未使用过某些可及的靶向药物，那么本研究中发现的一些基因改变会促使医生考虑采取特定的治疗干预措施。例如，ERBB2基因改变有可能通过针对HER2的疗法进行靶向治疗。图卡替尼联合曲妥珠单抗和卡培他滨，以及德曲妥珠单抗，已显示出对HER2阳性脑转移患者有较高的颅内活性。携带ESR1基因改变的BCBMs，有可能适合使用新型口服选择性雌激素受体下调剂，如艾拉司群（EMERALD）进行治疗。鉴于记录了CDK4/6抑制剂阿贝西利的颅内活性，阿贝西利与艾拉司群联合用于HR阳性、HER2阴性的BCBM患者目前正在研究中（NCT04791384）。FGF/FGFR基因改变是乳腺癌中一种新出现的耐药途径和治疗靶点。重要的是，最近的一项研究表明，FGFR异常会增加BCBM的发生率，并且与BC患者预后较差相关。还有研究报告表明，FGFR异常与TP53、FLT1基因变异以及HER2阳性一起，可预测BCBM。

在这个大型BCBMs队列中，我们观察到同源重组修复相关基因（BRCA1、RAD51B、BARD1和PALB2）变异频率较高，同时HRD-gLOH发生率也较高。在本研究中，2.7%的BCBMs中检测到PALB2体细胞改变，这一比例高于乳腺癌和N-CNS转移中的1.3%。这些结果表明，聚[ADP-核糖]聚合酶1（PARP）抑制剂或其他DNA损伤剂（如铂类疗法）可能具有潜在的治疗价值。目前，PARP抑制剂奥拉帕利和他拉唑帕利仅被批准用于治疗携带胚系BRCA1/2改变的转移性乳腺癌。奥拉帕利和他拉唑帕利相关OlympiAD和EMBRACA临床试验表明，与化疗相比，PARP抑制剂对携带胚系BRCA1/2致病性变异的转移性乳腺癌患者更有益，特别是对于基线时颅内疾病稳定的患者。此外，辅助治疗OlympiAD试验发现，随机分配到奥拉帕利组的患者，脑转移发生率在数值上低于接受安慰剂治疗的患者。这些在转移性和辅助环境中的数据，证明了PARP抑制剂的颅内活性。最近一项他拉唑帕利单药治疗II期研究表明了PARP抑制剂对胚系BRCA1/2以外的基因变异的疗效，该研究显示，他拉唑帕利对携带胚系PALB2致病性变异的患者有效，而TBCRC 048试验显示，奥拉帕利对携带体细胞BRCA1/2突变的乳腺癌患者有效。综合这些数据表明，PARP抑制剂是一种治疗策略，需要在HRD阳性脑转移患者中进行探索。

在本研究的BCBMs队列中，除了HRD-gLOH发生率较高外，几种ICI生物标志物的发生率也较高，包括TMB-H、MSI-H和PD-L1（通过IHC和基因扩增检测）。TMB-H是FDA批准的晚期癌症ICI生物标志物，在15%的BCBMs和超过20%的ER阴性/HER2阳性BCBMs中观察到，提示有相当一部分患者可能适合接受ICI治疗。ER阴性/HER2阴性的BCBMs中，HRD-gLOH和MSI也显著较高，而PD-L1/L2基因改变是该BCBMs亚型的一个显著特征。基因组研究发现，MSH6变异、MSI-H以及PDL1/2基因扩增发生率较高，这些与免疫激活表型一致。在SAFIR02-BREAST IMMUNO试验中，观察到CD274扩增可确定一组对抗PD-L1免疫疗法高度敏感的患者。

我们最近的研究表明，TN BCBMs中PD-L1和CTLA4的转录水平显著较高，HER2阳性BCBMs中CTLA4表达也高于雌激素受体阳性BCBMs。黑色素瘤、非小细胞肺癌和软脑膜转移疾病的免疫治疗研究证明，免疫治疗可以调节颅内疾病，为颅内疾病患者带来临床益处。最近的一项II期试验（NCT02886585）评估了帕博利珠单抗的疗效，发现37%的BCBMs患者取得颅内获益，且毒性可控。然而，正如研究者所指出的，这种有前景的疗效需要与毒性风险进行仔细权衡，还需要更多研究，来优化合理设计的联合方案中PD-1抑制剂的疗效。鉴于这些数据，应探索免疫治疗在经生物标志物筛选、伴有BCBMs的乳腺癌患者中的作用。根据我们的数据，高达一半（48.3%）的TN BCBMs患者可能符合使用PDL1抑制剂进行免疫治疗的条件。

最后，大的结构重排在BCBMs中并不常见，但我们发现CDK12重排的发生率较高（3.5%）。鉴于CDK12基因改变与ICI治疗的潜在关联，其在BCBMs中的发生率需要进一步研究。在晚期前列腺癌研究中，发现CDK12突变病例与新抗原负荷增加和肿瘤T细胞浸润增加相关，并总结认为CDK12失活定义了一种独特的转移性去势抵抗性前列腺癌类型，这类患者可能从ICI治疗中获益。最近一项针对多种癌症类型的研究表明，CDK12基因改变与癌症中的串联重复表型相关。这些数据表明，CDK12失活作为一种可能预测免疫治疗获益的泛癌生物标志物，值得进一步研究。

在乳腺癌中报道的一些罕见但仍可能具有治疗意义的基因改变，也在BCBMs队列中富集。鉴于这些数据，应考虑开展BCBMs伞式试验，通过全面的基因检测筛选入组患者，探索针对这些罕见基因改变的靶向疗法的疗效。这种伞式试验设计已成功应用于转移性乳腺癌（plasmaMATCH）和原发灶不明癌（CUPSICO）研究中。

在开发针对CNS疾病的靶向疗法时，一个关键考虑因素是药物穿透血脑屏障（BBB）的能力。在CNS疾病中，BBB的破坏使得分子更容易进入。此外，如上所述，包括抗体在内的多种药物已显示出颅内活性，表明被破坏的BBB可能不会成为障碍。同时，一些特定药物（如PI3K/mTOR抑制剂paxalisib）已被设计为具有脑穿透性。对于所有新型药物，应在I期研究中以系统化的方式收集有关CNS穿透性的证据。

本研究的局限性在于，尽管它描述了最大的BCBMs数据集，但缺乏配对的原发性和N-CNS转移组织，而这些组织本可以为从原发性癌症到CNS疾病的演变提供更多有用信息。然而，这在其他研究非CNS转移性疾病基因图谱的研究中也很常见。本研究中的样本是在常规临床诊疗过程中获取的；由于需要送检样本进行检测，这可能会因检测资金获取，或医疗团队申请检测的意愿而引入偏差。正如我们之前的系统综述所总结的，许多识别的基因改变，也在一些没有这种偏差且包含配对组织的小型研究中有所报道。我们目前的研究在最大的数据集中凸显了这些基因改变，支持了它们的重要性。最后，我们缺乏完整的临床病理特征和治疗信息，而这些信息本可以提供更多内容和见解。尽管如此，这项大型研究的数据，再次强调了获取脑转移组织进行全面基因检测的重要性，这有助于做出合理的治疗决策，也有助于BCBMs靶向治疗研究的开发和入组患者。对于一些疗法（如ICIs和PARP抑制剂），可能需要检测多种生物标志物来确定哪些患者可能取得临床获益。鉴于并非所有患者都会进行脑转移瘤活检或切除，并且需要从多个病灶和不同时间点进行取样，因此需要使用"液体活检"来评估循环肿瘤DNA（ctDNA）。由于已经证明血浆并非检测CNS疾病来源的ctDNA的合适样本，因此需要收集脑脊液。目前，一项英国的研究（PRIMROSE-CSF，IRAS ID 286155）正在评估这种样本收集的可行性。展望未来，这种方法可能为BCBMs的纵向随访和指导治疗决策提供机会。

参考文献：

Giannoudis, A., Sokol, E.S., Bhogal, T. et al. Breast cancer brain metastases genomic profiling identifies alterations targetable by immune-checkpoint and PARP inhibitors. npj Precis. Onc. 8, 282 (2024). https://doi.org/10.1038/s41698-024-00761-0

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