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암 환자에서 연수막 전이 진단표지자로서의 뇌척수액 CYFRA 21-1

Abstract

Background

The early and accurate diagnosis of leptomeningeal metastasis (LM) has become important because of introduction of new therapeutic strategies for LM and increasing incidence of LM along with longer survival of cancer patients. We aimed to evaluate the role of cerebrospinal fluid (CSF) CYFRA 21-1 as a diagnostic indicator for LM in patients with cancer.

Methods

CSF CYFRA 21-1 level was analyzed using electro-chemiluminescent immunoassay. The difference in concentration of CSF CYFRA 21-1 between 91 patients with LM and 339 control groups (patients with other neurological disease or healthy controls) was investigated. The cut-off value of CSF CYFRA 21-1 as a diagnostic indicator for LM and its diagnostic performance were evaluated.

Results

The CSF CYFRA 21-1 was significantly higher in LM patients than control groups (p<0.001). A cut-off value of diagnosis for LM in patients with cancer was 1.59 ng/mL. The sensitivity, specificity, accuracy, and positive and negative predictive values of CSF CYFRA 21-1 were 80.2%, 96.2%, 92.8%, 84.9%, 94.8% for diagnosis of LM.

Conclusions

These results suggested that CSF CYFRA 21-1 can be an additional diagnostic indicator for cancer patients with LM.

서 론

연수막 전이는 진행된 상태의 암 전이로, 전이 암세포가 암 환자의 연수막과 뇌척수액에도 퍼져 있는 경우로 정의한다[1]. 암 환자들의 전신 항암 치료가 급속하게 발전함에 따라 생존율이 향상되고 있어 진행된 상태의 암 전이인 연수막 전이를 경험할 확률이 높아졌으며, 연수막 전이를 진단하는 신경영상학의 발달로 인하여 이를 발견하는 경우도 늘어나고 있다[2-4]. 또한 최근 연수막 전이가 상대적으로 많이 발생하는 폐암의 저분자량 표적 치료(small molecular weight target therapy)가 발전하고 이 경우 뇌-혈관장벽을 통과하는 비율이 높아 연수막 전이의 치료에도 희망이 될 수 있을 것으로 기대되고 있다[5]. 더불어 뇌실요추관류 치료(ventriculolumbar perfusion therapy) 등 치료 방법의 개선도 연수막 전이 치료에 대한 기대감을 더욱 높이고 있다[6,7]. 환자수 증가와 함께 새로운 치료들이 가능해지고 있어 좀 더 조기에 연수막 전이를 진단하고 치료를 받을 수 있도록 하는 것이 임상적으로 매우 중요해졌다.
CYFRA 21-1은 수용성 상피(epithelial) 세포구조 유지단백질로 일차암이 연수막 전이를 할 경우 뇌척수액에서 발견될 수 있다[8]. 기존에는 상대적으로 접근성이 좋은 혈액 내의 CYFRA 21-1의 진단표지자로서의 역할이 규명되어 왔고[9-13], 최근에 이르러 뇌척수액 CYFRA 21-1의 연구가 소규모로 이루어지고 있었다[14,15]. 본 연구진은 기존 연구를 통하여 연수막 전이의 진단표지자로서 뇌척수액 내 CYFRA 21-1이 가치가 있음을 보인 바 있으나, 지난 연구는 대조군의 범주가 제한적인 한계점이 있었다[16]. 이번 연구에서는 뇌척수액 CYFRA 21-1의 상승이 연수막 전이로 인한 것임을 분명히 하기 위하여 중추신경계 내에 다른 암을 가졌거나 전신암 만을 가졌거나, 혹은 암의 뇌 전이가 있으나 연수막 전이는 없는 암 환자 등을 포함하였다. 또한 자기공명영상에서 연수막 전이와 같이 조영증강을 보이나 치료가 다르므로 임상적으로 반드시 감별이 필요한 중추신경계 감염 환자들이 추가적으로 연구에 참여하였다. 마지막으로 정상 대조군이 추가되었고, 연수막 전이 암 환자들의 검체도 일부 추가되었다. 이를 통하여 뇌척수액 CYFRA 21-1의 연수막 전이 암 환자의 진단표지자로서의 역할을 더욱 명확히 확인하고, 좀 더 정확한 진단을 위한 기준치(cut-off value)를 찾고자 하였다.

대상과 방법

총 430개의 뇌척수액 검체에 대한 자료가 수집되었다. 이는 기존 연구에 포함되어 있는 연수막 전이 암 환자 61명과 200명의 대조군 검체에 더하여, 2017년부터 2018년까지 총 3곳의 병원에서 다른 일차암 혹은 신경계질환이 있는 환자 그리고 정상 대조군을 포함한 대조군 139명과 연수막 전이 암 환자 30명의 뇌척수액 검체가 추가로 모집된 결과이다[16]. 이 연구의 모든 참여자들은 각 병원의 기관 임상 연구 보호실의 승인을 받은 충분한 설명을 포함한 동의서(informed consents)에 동의하였다.
연수막 전이의 진단은 임상적으로 연수막 전이 의심 증상이 있을 때 뇌척수액 세포진검사가 양성이거나 자기공명영상에서 연수막 내 조영증강이 관찰되는 경우를 포함하였다[4,16]. 검체 수집은 건강 대조군의 경우 자발적 동의 하에 원하는 시기에 이루어졌고, 환자군의 경우 환자의 진단을 위한 척수천자검사 시 이루어졌다. 연수막 전이 암 환자의 경우 5명을 제외하고는 연수막 전이 치료를 위한 ommaya reservoir 삽입 시술 시에 검체 수집이 주로 시행되었다. 뇌척수액은 원심분리 후 상층액(supernatant)을 보관하였으며 측정 전까지 -80℃인 냉동 상태로 저장되어 변성을 최소화하였다. 자동화된 전기화학발광 면역검사법(electro-chemiluminescent immunoassay)을 이용하여 뇌척수액 CYFRA 21-1의 농도를 측정하였다(Cobas e170 analyzer with Elecsys CYFRA 21-1; Roche Diagnostics, Penzberg, Germany) [17]. 전체 및 각각의 대조군과 연수막 전이 암 환자의 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치를 비교 분석하여 진단적 가치를 확인하고 연수막 전이의 진단표지자로서 뇌척수액 CYFRA 21-1의 기준치(cut-off value)를 설정하였으며 이를 이용하여 연수막 전이 진단에 대한 뇌척수액 CYFRA 21-1의 유효성을 확인하였다.
통계적으로 대조군과 연수막 전이 암 환자군의 연령, 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치 등 연속형 변수의 비교에는 Student t-test 혹은 Mann-Whitney U-test가 사용되었고, 성비 등 범주형 변수의 비교에는 Chi-square test가 사용되었으며, p값이 0.05 미만인 경우 통계적으로 유의한 것으로 보았다. 진단기준치(cut-off value)는 Receiver Operating Characteristic (ROC) curve를 이용하여 분석하였으며, Youden index를 사용하여 민감도와 특이도가 가장 높은 기준치를 구하였다.

결 과

1. 대조군과 연수막 전이 암 환자군의 인구 통계학적 및 기저질환에 대한 정보

연수막 전이 암 환자군과 대조군의 검사 시행 시의 나이와 남녀 비는 각각 53.9±10.6세 vs. 50.0±19.6세, 35:56 (1:1.6) vs. 135:204 (1:1.5)였으며 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 연수막 전이 암 환자군의 일차암 그리고 대조군의 질환과 건강 대조군 여부에 대한 정보는 Table에 상술되어 있다. 연수막 전이 암 환자군의 일차암 중 가장 많았던 것은 폐암, 다음이 유방암이었으며 조직학적으로는 선암이 가장 흔하였다. 기존 연구에 추가하여 연수막 전이 암 환자군 총 91명과 대조군 총 339명이 포함되었다. 주로 염증성 신경면역질환(175명)이 대조군으로 포함되었던 기존 연구에 더 하여[16], 이번 연구에서는 기존 비염증 신경질환을 가진 25명 환자에 51명의 비염증 신경질환(혈관성질환[39명]과 신경퇴행질환[12명]) 환자가 추가되었다. 또한 뇌척수액 CYFRA 21-1의 상승이 연수막 전이로 인한 것임을 더욱 명확히 하기 위하여 1) 중추신경계 일차암(36명)을 가지거나, 2) 뇌나 연수막 전이는 없으나 전신암(17명)을 가지거나, 3) 뇌 전이는 있으나 연수막 전이는 없는 환자(8명)가 추가되었고, 자기공명영상에서 연수막 전이와 유사한 조영증강 양상을 보일 수 있는 4) 중추신경계 감염 환자(11명)가 추가되었다. 마지막으로 건강 대조군 16명도 추가되었다.

2. 연수막 전이 암 환자군과 전체 및 각 대조군의 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치의 차이

Fig. 1에 연수막 전이 암 환자군과 전체 대조군 및 각 대조군의 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치의 차이가 나타나 있다. 연수막 전이 암 환자군 91명과 전체 대조군 339명은 중앙값 3.3 vs. 1.32 ng/mL로 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.001). 중추신경계 일차암 환자 37명(중앙값 0.53 ng/mL)과 뇌나 연수막 전이는 없으나 전신암을 가진 환자 17명(중앙값 0.55 ng/mL) 그리고 뇌 전이는 있으나 연수막 전이는 없는 암 환자 8명(중앙값 0.73 ng/mL)이 각각 연수막 전이 암 환자군과 뇌척수액 CYFRA 21-1의 수치에 통계적으로 유의한 차이가 있었다(각각 p<0.001). 또한 중추신경계 감염 환자 11명(중앙값 0.45 ng/mL)과 정상 대조군(중앙값 0.88 ng/mL)도 연수막 전이 암 환자군과 뇌척수액 CYFRA 21-1의 수치 비교에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(각각 p<0.001).

3. 뇌척수액 CYFRA 21-1의 진단기준치(cut-off value) 설정 및 진단적 유효성 검토

ROC 분석 결과, 연수막 전이 암 환자의 진단을 위한 최적의 CYFRA 21-1 기준치 값은 1.59 ng/mL였다(Fig. 2). 곡선 아래 영역(area under curve) 값은 0.903 (95% 신뢰구간 0.856-0.950)으로 확인되었다. 뇌척수액 CYFRA 21-1의 연수막 전이 진단기준치 1.59 ng/mL를 적용하였을 때 연수막 전이 암 환자 진단의 민감도, 특이도, 정확도, 양성 예측도와 음성 예측도는 각각 80.2%, 96.2%, 92.8%, 84.9%, 94.8%로 측정되었다. 뇌척수액 세포진검사의 양성 소견과 자기공명영상에서의 조영증강을 모두 보인 환자 49명에 국한하여 뇌척수액 CYFRA 21-1의 진단 유효성을 검토하였을 때 연수막 전이 암 환자 진단의 민감도, 특이도, 정확도, 양성 예측도와 음성 예측도는 각각 93.9%, 96.2%, 95.9%, 78.0%, 99.1%로 향상되었다. 마지막으로 이 연구에서 현재 연수막 전이의 표준 진단법인 뇌척수액 세포진 검사의 민감도, 특이도, 정확도, 양성 예측도와 음성 예측도는 각각 69.2%, 100%, 93.5%, 100%, 92.4%였다.

고 찰

뇌척수액 CYFRA 21-1의 상승이 연수막 전이로 인한 것임을 명확히 하기 위하여 추가된 암 관련 대조군 및 중추신경계 감염 대조군 집단들과 연수막 전이 암 환자군의 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치는 통계적으로 유의하게 차이가 있었다. 또한 이전 연구에서는 시행하지 못하였던 건강 대조군과 연수막 전이 암 환자군의 뇌척수액 CYFRA 21-1 수치 비교에서도 유의한 차이를 확인하였다. 이번 연구에서는 300명이 넘는 대조군을 바탕으로 뇌척수액 CYFRA 21-1 연수막 전이 진단의 기준치를 설정하였으며 진단에 대한 유효성을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 뇌척수액 CYFRA 21-1이 연수막 전이 암 환자의 진단표지자로서 가치가 있음을 더욱 확실히 규명할 수 있었다.
이번 연구를 통하여 정립된 뇌척수액 CYFRA 21-1의 진단기준치는 1.59 ng/mL로 이전에 본 연구진이 시행한 연구에서 200명의 대조군을 바탕으로 설정된 1.61 ng/mL와 큰 차이를 보이지 않았다[16]. 기존의 대조군은 주로 중추신경계 염증질환 환자를 포함하고 있었고 이번 연구는 좀 더 다양화된 신경질환 환자들과 암 관련 대조군, 중추신경계 감염 및 건강 대조군까지 포함하고 있었으며 이를 통하여 좀 더 정밀한 진단기준치가 설정되었다[16]. 기존에 다른 연구진의 연구 결과에서 설정된 뇌척수액 CYFRA 21-1의 진단기준치는 각각 5.5 ng/mL, 1.145 ng/mL로 본 연구보다 높거나 낮은 경향을 보였다[14,15]. 앞의 연구들의 경우 연수막 전이 암 환자와 대조군의 수가 두 군 모두 각각 35명 혹은 60명으로 상대적으로 본 연구보다 적어 이러한 차이가 있었던 것으로 보인다. 이에 더하여 뇌척수액에서는 아직 보고가 없으나 혈액의 경우 CYFRA 21-1가 연령에도 영향을 받을 수 있다는 보고가 있어[18], 향후 뇌척수액 CYFRA 21-1가 임상적으로 더욱 진단적 가치를 높이 가지기 위해서는 일반 인구 집단(general population)을 대상으로 다양한 연령대를 포함한 진단기준치 설정에 대한 연구가 시행되어야 할 것이다.
연수막 전이는 기존에 뇌척수액 내 암세포진검사를 표준검사로 해왔으나 진단의 민감도가 떨어지는 한계점이 있었다[1,3,4]. 이로 인하여 상대적으로 침습적인 검사인 척수천자검사를 반복적으로 해야 할 가능성이 있고, 척수천자를 시행한 후 가능한 신속하게 신선한 상태에서 암세포에 대한 확인이 시행되어야 하며, 상대적으로 많은 양(이상적으로는 10 mL 가량)의 검체가 필요하다는 단점이 있었다[19,20]. 자기공명영상이 연수막 전이 진단에 도움을 주고 있으나 이 검사의 경우도 상대적으로 비용이 많이 들고 비특이적인 조영증강이 있는 질환과의 감별에 제한적이며 조영제 부작용이 있는 환자에게는 적용이 어려운 등의 한계점이 있었다[21]. 이번 연구에서 보여진 바 대로 뇌척수액 CYFRA 21-1은 저장된 상태의 검체에서도 검사가 가능하며 상대적으로 적은 양으로도 검사가 가능하다는 점 그리고 양적 정량화가 가능하다는 장점이 있어 향후 연수막 전이 암 환자의 진단에 추가적인 표지자로서 실제적인 도움을 줄 것으로 기대한다. 이 연구의 한계점으로는 우선 연수막 전이 암 환자들의 검체 채취가 대부분 연수막 전이 치료를 위한 시술 시행 시에 이루어져 실제 진단 시점보다 약간 늦게 수집된 경향이 있다는 점이 있고 일부 대조군의 숫자가 너무 적다는 점이 있었다. 향후 좀 더 많은 수의 개별 대조군을 바탕으로 한, 궁극적으로는 일반 인구 집단을 대상으로 한 대조군의 뇌척수액 검체와 진단 시점의 연수막 전이 암 환자의 뇌척수액 검체를 대상으로 한 연구가 시행되어 이러한 한계점이 보완되어야 할 것이다. 결과적으로 뇌척수액 CYFRA 21-1은 연수막 전이 암 환자에서 뇌척수액 암세포진검사와 자기공명영상을 보완하는 추가적인 진단표지자로 임상에서 환자들에게 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

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Figure 1.
The difference in cerebrospinal fluid CYFRA 21-1 levels between cancer patients with LM and the entire control group as well as individual control groups. CSF; cerebrospinal fluid, LM; leptomeningeal metastasis, Controls; the entire control group, C1; patients with central nervous system (CNS) primary tumor, C2; cancer patients without brain metastasis, C3; cancer patients with brain metastasis but without leptomeningeal metastasis, C4; patients with CNS infection, C5; healthy controls.
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Figure 2.
ROC curve for optimal cut-off value in diagnosis of cancer patients with leptomeningeal metastasis. ROC; receiver operating characteristic.
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Table.
Primary tumor in patients with LM and presence of underlying disease in control group
Primary tumor in patients with LM Number of patients (total 91)
Lung 60
 Non-small cell lung cancer 57
  Adenocarcinoma 54
  Large cell neuroendocrine 2
  Squamous cell 1
 Small cell lung cancer 3
Breast 20
 Invasive ductal 16
 Invasive lobular 4
Stomach 4
 Adenocarcinoma 2
 Signet ring cell 2
Ovary 3
 Epithelial cell 1
 Adenocarcinoma 1
 Serous 1
Colon (adenocarcinoma) 1
Melanoma 2
Unknown origin 1

Control group Number of patients (total 339)

Patients with tumor 62
 CNS primary tumor 37
 Cancer without brain or LM 17
 Cancer with brain but without LM 8
OND 261
 Inflammatory OND 175
  CNS 153
  PNS 22
 Non-inflammatory OND 86
  CNS infection 11
  Vascular diseases 44
  Neurodegenerative diseases 13
  Peripheral neuropathy 11
  Headache 5
  Nutritional deficiency 2
Healthy controls 16

LM; leptomeningeal metastasis, CNS; central nervous system, OND; other neurological diseases, PNS; peripheral nervous system.