DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的初步研究

段筱璠，張輝，王效春，譚艷，秦江波，王樂，張磊

DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的初步研究

段筱璠1，張輝2*，王效春2，譚艷2，秦江波2，王樂2，張磊2

目的探討DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的價(jià)值。材料與方法搜集經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的52例腦星形細(xì)胞瘤患者，術(shù)前均行常規(guī)MRI掃描及多b值DWI掃描，其中低級別組(WHO Ⅰ～Ⅱ級) 24例，高級別組(WHO Ⅲ～Ⅳ級) 28例。測量腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值、常規(guī)ADC值。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析AQP-ADC值、常規(guī)ADC值在高低級別腦星形細(xì)胞瘤中是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，ROC曲線分析比較AQP-ADC值與常規(guī)ADC值的診斷效能。結(jié)果高級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值高于低級別組，高級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的常規(guī)ADC值明顯低于低級別組；腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值、常規(guī)ADC值在腦星形細(xì)胞瘤高低級別間有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＜0.01)，AQP-ADC值、常規(guī)ADC值對腦星形細(xì)胞瘤分級的ROC曲線下面積：AQP-ADC值為0.891，常規(guī)ADC值為0.778。結(jié)論AQP-ADC值可以鑒別高低級別腦星形細(xì)胞瘤，且優(yōu)于常規(guī)ADC值。

星形細(xì)胞瘤；腦；彌散磁共振成像

段筱璠, 張輝, 王效春, 等. DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的初步研究. 磁共振成像, 2017, 8(1): 13-16.

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性腦腫瘤，其中腦星形細(xì)胞瘤約占75%，高級別星形細(xì)胞瘤具有生長速度快、侵襲能力強(qiáng)、無邊界浸潤及術(shù)后易復(fù)發(fā)等特性[1-2]，因此術(shù)前對腦星形細(xì)胞瘤級別的評估對于治療方案的選擇及臨床預(yù)后的評估具有重要意義。MRI功能成像可以提供腫瘤病理生理學(xué)信息，是常規(guī)MRI的重要補(bǔ)充。

MRI水分子擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)可以反映活體水分子分布、運(yùn)動(dòng)的特征信息[3-4]。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為水分子是以自由擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜的，1993年Agre等[5]對水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，對傳統(tǒng)的這種觀念提出了挑戰(zhàn)。水通道蛋白(aquaporine, AQP)是細(xì)胞膜上能選擇性地高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的膜內(nèi)在蛋白，能顯著增加細(xì)胞膜對水的通透性，參與水的分泌、吸收及細(xì)胞內(nèi)外水平衡的調(diào)節(jié)[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤細(xì)胞AQP1、4、9表達(dá)明顯增高，而且與腫瘤級別呈相關(guān)性[7-10]。李加慧等[11]研究發(fā)現(xiàn)采用水?dāng)U散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中高值(b＞1500 s/mm2)時(shí)，能夠檢測到通過紅細(xì)胞膜AQP擴(kuò)散的水分子，從而間接獲得AQP在細(xì)胞膜的分布、活性和數(shù)量信息。

目前，應(yīng)用DWI多b值水通道蛋白分子成像進(jìn)行腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的研究報(bào)道極少，其是否有臨床應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步研究，在此我們探討DWI多b值水通道蛋白分子成像對腦星形細(xì)胞瘤分級診斷的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

搜集我院2014年4月至2016年5月經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)的腦星形細(xì)胞瘤52例。根據(jù)WHO 2007年中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類標(biāo)準(zhǔn)分為兩組：低級別組(WHOⅠ～Ⅱ級)24例；高級別組(WHO Ⅲ～Ⅳ級)28例。排除標(biāo)準(zhǔn)：MRI檢查前行放化療的患者；復(fù)發(fā)患者。

1.2 檢查方法

使用GE 3.0 T MRI儀，采用八通道頭頸聯(lián)合拓?fù)湎嗫仃嚲€圈，患者術(shù)前行常規(guī)T1WI、T2WI、T2WI-液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(T2WI-FLAIR)及多b值DWI掃描，最后行T1WI增強(qiáng)掃描。

1.2.1 常規(guī)序列參數(shù)

(1)梯度回波(GRE) T1WI：TR 195 ms，TE 4.8 ms，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，層厚 6.0 mm；(2)快速自旋回波(TSE) T2WI：TR 5900 ms，TE 98 ms，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，層厚 6.0 mm；(3) T2WI-FLAIR：TR 8000 ms，TE 95 ms，F(xiàn)OV 24 cm× 24 cm，層厚 6.0 mm。Gd-DTPA (0.1 mmol/kg)用于T1WI增強(qiáng)掃描。

1.2.2. 多b值DWI

采用平面回波序列(EPI)，TR 3000 s，TE 115.5 s，層厚6.0 mm，層距1.0 mm，NEX為3，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，矩陣128×128，b=0、20、50、100、200、400、800、1200、1800、2500、3000、3500、4000 mm2/s，共13個(gè)b值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在GE Adavantage Workstation 4.4工作站使用AQP軟件及ADC軟件進(jìn)行后處理，分別獲得AQPADC參數(shù)圖及常規(guī)ADC圖(圖1，2)，在各參數(shù)圖上采用手繪法在腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)(強(qiáng)化區(qū)域)勾畫感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，ROI的面積大小范圍為20～40 mm2，腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)需避開囊變、壞死、出血、大血管和鈣化等，然后分別測量同一腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值及常規(guī)ADC值，每個(gè)ROI重復(fù)測量3次，取平均值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 高低級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值及常規(guī)ADC值比較

高低級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值及常規(guī)ADC值如表1所示。結(jié)果顯示高級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值明顯高于低級別組(P＜0.05)，高級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的常規(guī)ADC值明顯低于低級別組(P＜0.05)。

2.2 腦星形細(xì)胞瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)ROC曲線分析

腦星形細(xì)胞瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值、常規(guī)ADC值鑒別高低級別腦星形細(xì)胞瘤的ROC曲線下面積(AUC)分別為0.891、0.778，界值分別為0.120、1.012，敏感性及特異性分別為96.2%、85.4%及88.5%及81.5% (圖3)。

圖1 男，25歲，星形細(xì)胞瘤, WHO Ⅰ級。A：右側(cè)顳葉輕度異常強(qiáng)化影；B：常規(guī)ADC圖，腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)常規(guī)ADC值為1.073；C： AQP-ADC圖，腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值為0.116 圖2 女，56歲，星形細(xì)胞瘤, WHO Ⅲ級。A：右側(cè)丘腦不規(guī)則環(huán)狀異常強(qiáng)化信號影；B：常規(guī)ADC圖，腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)常規(guī)ADC值為0.864；C：AQP-ADC圖，腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值為0.138Fig. 1 Male, 25 years old with WHO Ⅰ grade astrocytoma. A: Slight enhanced lesion in the right temporal lobe. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 1.073. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.116. Fig. 2 Female, 56 years old with WHO Ⅲ grade astrocytoma. A: Irregular ring like enhanced lesion in the right thalamus. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 0.864. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.138.

圖3 AQP-ADC值及常規(guī)ADC值對腦星形細(xì)胞瘤分級的ROC曲線Fig. 3 Receiver operating characteristic (ROC) curves of AQP-ADC value and conventional ADC value of the cerebral astrocytoma.

3 討論

1993年，Agre等[5]學(xué)者對AQP的發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)立了水在細(xì)胞膜主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的全新理論，對傳統(tǒng)的水以自由擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜的理論提出了挑戰(zhàn)。從Stejskal等提出采用雙極梯度進(jìn)行DWI機(jī)制，到雙指數(shù)的IVIM模型，再到IVIM模型基礎(chǔ)上的拉伸指數(shù)模型和DKI模型，都沒有考慮到細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)，以及水分子在組織和細(xì)胞中運(yùn)動(dòng)的分子生物學(xué)機(jī)理[12]。建立在水通道蛋白理論基礎(chǔ)上的AQP分子成像技術(shù)，使擴(kuò)散加權(quán)成像(DWI)多b值水通道蛋白分子成像技術(shù)顯示其分子信息成為可能[5-6，13]。

表1 腦星形細(xì)胞瘤腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)AQP-ADC值及常規(guī)ADC值比較(×10-3mm2/s)Tab. 1 The comparison of AQP-ADC value and conventional ADC value of the tumoral solid part of the cerebral astrocytoma (×10-3mm2/s)

李加慧 等[11]報(bào)道 采用乙 酰 唑胺抑 制AQP1、AQP4進(jìn)行MR分子成像，作者發(fā)現(xiàn)采用水?dāng)U散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中低b值具有很好的組織特異性，高b值能夠(b＞1500 s/mm2)提供AQP信息，從而間接獲得AQP在細(xì)胞膜的分布、活性和數(shù)量信息；李秋菊等[14]對肝纖維化大鼠的初步研究表明，DWI多b值成像能夠顯示肝臟組織細(xì)胞中水分子的血流灌注相、組織內(nèi)擴(kuò)散相以及跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)相的圖像信息，尤其高b值下ADC值變化與肝臟細(xì)胞膜上AQP表達(dá)相關(guān)，可以間接反映AQP分子信息；呂水清等[13]應(yīng)用DWI多b值水通道 蛋 白分子成像技術(shù)對AQP在帕金森病患者不同腦區(qū)的MRI表現(xiàn)進(jìn)行了初步研究；白巖等[12]應(yīng)用DWI多b值水通道蛋白分子成像技術(shù)獲得膠質(zhì)瘤圖像，發(fā)現(xiàn)其可以反映膠質(zhì)瘤分級。

本研究采用高b值(1800～4000 s/mm2)，通過AQP后處理軟件得到AQP圖像，并測量腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值，結(jié)果顯示高級別組腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的AQP-ADC值明顯高于低級別組。造成這種結(jié)果的原因目前尚無定論，分析可能與不同級別的腦膠質(zhì)瘤組織細(xì)胞表達(dá)AQP的程度不同有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤細(xì)胞AQP1、4、9 表達(dá)明顯增高，而且與腫瘤級別呈相關(guān)性[8]。近年來發(fā)現(xiàn)AQP不僅能夠選擇性高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子，還可促使水分子快速進(jìn)入細(xì)胞板狀偽足，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲能力、調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤細(xì)胞需氧酵解導(dǎo)致局部微環(huán)境的改變、膜電位的維持、細(xì)胞有絲分裂卵裂溝的形成及細(xì)胞骨架的重構(gòu)等[8-9]。而且文獻(xiàn)報(bào)道AQP的表達(dá)程度與腫瘤級別呈正相關(guān)，這些高表達(dá)的AQP引起膠質(zhì)瘤組織內(nèi)水代謝增高[12]，表現(xiàn)為高級別組的AQP-ADC值不同程度高于低級別組；而且，我們的研究結(jié)果顯示，與常規(guī)ADC值相比，其對腦星形細(xì)胞瘤分級的診斷效能更高。

綜上所述，本研究結(jié)果初步表明通過AQP MRI分子成像技術(shù)可以鑒別高低級別腦星形細(xì)胞瘤，是采用一種無創(chuàng)的方式來對腦星形細(xì)胞瘤的惡性程度進(jìn)行預(yù)測，并對臨床治療方案的選擇提供參考。但是，本研究尚存在一些不足之處，首先，總體病例數(shù)相對較少，缺乏一定的代表性，仍需病例數(shù)較多的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，并確定準(zhǔn)確率較高的界值；其次，本研究沒有進(jìn)行AQP表達(dá)的測定，AQP的表達(dá)與否缺乏免疫組化的支持，但是，大量文獻(xiàn)報(bào)道膠質(zhì)瘤組織細(xì)胞中AQP表達(dá)升高，而且與病理級別呈相關(guān)性，在接下來的研究中，我們會(huì)進(jìn)行AQP表達(dá)的測定，使結(jié)果更具說服力。

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The preliminary study of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of cerebral astrocytoma

DUAN Xiao-fan1, ZHANG Hui2*, WANG Xiao-chun2, TAN Yan2, QIN Jiang-bo2, WANG Le2, ZAHNG Lei21Medical Imaging Department of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
2Department of Radiology, First Clinical Medical College, Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
*

Zhang H, E-mail: zhanghui_mr@163.com
Received 22 Sep 2016, Accepted 19 Nov 2016
ACKNOWLEDGMENTSThis study was supported by grants from the National Natural Science Foundation (No. 81471652) to Hui Zhang; the Natural Science Foundation of Shanxi Province to Yan Tan (No. 201601D021162).

Objective:To investigate the value of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of astrocytoma.Materials and Methods:Fifty-two patients with cerebral astrocytoma underwent conventional MRI scanning and multi b value DWI scanning before surgery, of which the low-grade group (WHOⅠ—Ⅱgrade) were 24 cases, the highgrade group (WHO Ⅱ—Ⅳgrade) were 28 cases. Measuring the AQP-ADC values and conventional ADC values in tumoral solid part. Using independent sample t-test to compare AQP-ADC values and conventional ADC values between the lowgrade group and high-grade group, ROC curve was used to compare the diagnostic performance of AQP-ADC values and conventional ADC values.Results:The AQP-ADC value in tumoral solid part of high-grade group was higher than those of low-grade group, and the conventional ADC value in tumoral solid part of highgrade group was lower than those of low-grade group, the AQP-ADC value and conventional ADC value of tumoral solid part had significant differences between the groups (P＜0.01). The area under the ROC curve (AUC) of AQP-ADC value and conventional ADC value was 0.891, 0.778 respectively.Conclusions:AQP-ADC value in tumoral solid part could be used to identify low grade astrocytoma from high grade astrocytoma, and was better than conventional ADC value.

Astrocytoma; Brain; Diffusion magnetic resonance imaging

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號：81471652)，山西省自然科學(xué)基金(編號：201601D21162)

1. 山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，太原030001

張輝，E-mail：zhanghui_mr@163. com

2016-09-22

R445.2；R730.264

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.01.004

2. 山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科，太原 030001

接受日期：2016-11-19