腦膠質瘤MRI影像基因組學研究進展

王佳，胡粟，胡春洪

腦膠質瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性腫瘤，約占所有中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的27%，原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的80%[1]。近年來，腫瘤診斷正從組織學層面轉向分子遺傳學層面。2016年世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類、分級標準修改版[2]仍將腦膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，但首次將基因型納入腦腫瘤的診斷中，并根據(jù)分子特征對腫瘤進行分型，如異檸檬酸脫氫酶基因(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變狀態(tài)將組織學上相似的彌漫性膠質瘤劃分為基因和臨床表現(xiàn)上截然不同的亞型，伴IDH野生型腫瘤更具有侵襲性和基因異質性，無論其WHO等級如何。TP53和1p/19q狀態(tài)在IDH突變型星形細胞瘤和少突細胞瘤中的意義也逐漸獲得認可[3]。這都改變了長久以來基于光鏡的組織學分類準則，增加了臨床診斷的客觀性，對指導個體化治療和預后評價具有重大意義。

相較于組織學分類，基因可能是與治療和預后相關的一些分子標志物改變的更為關鍵的預測因子。一些分子遺傳學標志物(包括IDH1/2突變、TP53突變、MGMT啟動子甲基化、1p/19q共缺失等)在腫瘤發(fā)生過程中起著重要作用。不斷涌現(xiàn)的磁共振成像和圖像分析技術，不僅提供了非侵襲性的診斷和評估腫瘤的方法，并且提供了實驗室檢查無法得到的瘤周區(qū)域特征以及瘤體內部的基因異質性[4-5]，從而讓臨床工作者獲得更為全面的腫瘤信息。本文將從幾種常見的膠質瘤基因分子標志物方面就膠質瘤影像基因組學研究進展予以綜述。

1 MRI成像評估IDH基因突變

IDH基因突變是膠質瘤發(fā)生過程中的早期事件，由Parons等[6]于2008年首先報道，主要發(fā)生在低級別膠質瘤和繼發(fā)性膠質母細胞瘤中。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變型膠質瘤患者的預后明顯好于野生型患者，提示IDH基因突變對膠質瘤患者診斷及預后有重要的臨床預測價值[7]。IDH1基因突變使IDH與底物結合能力下降，突變型IDH1與野生型競爭底物形成二聚體造成α-KG含量下降，細胞缺氧誘導因子(hypoxia-mducible factor，HIF)穩(wěn)定性增加，HIF信號通路激活，最終導致腫瘤的發(fā)生。

有文獻報道了磁共振解剖成像對不同IDH基因型膠質瘤生長特點的分析。Qi等[8]發(fā)現(xiàn)IDH突變型膠質瘤患者生存期的延長主要是與腫瘤的位置和MRI特征所對應的低度侵襲性的生物學行為有關。突變型腫瘤在常規(guī)MRI上主要位于一側腦葉，如額葉、顳葉或者小腦，而極少位于間腦或腦干，并且更傾向于單側生長，邊緣清晰銳利，密度均一，增強幾乎無強化。

目前，國內外對于IDH1基因的非侵襲性研究主要有兩種方法。第一種方法是建立在IDH1基因突變可使三羧酸循環(huán)中間物α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)轉變?yōu)?-羥基戊二酸(2-hydroxyglutarate，2-HG)的理論基礎上的。由于IDH1基因突變造成的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)依賴性還原反應被催化，使得α-KG 變成2-HG。腫瘤細胞內過量2-HG累積的影響尚不完全明確，但眾多研究者的成果表明，2-HG在改變IDH突變型腫瘤的基因及代謝圖譜進而促使細胞增殖和惡變中起到了重要作用。IDH突變型膠質瘤內2-HG濃度范圍為5～35 mmol/L，而在體磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)檢測代謝物的靈敏度閾值約為1 mmol/L，并且在正常腦組織中不存在2-HG濃度背景[9]。因此，理論上MRS成像可實現(xiàn)在體評估2-HG的水平。但2-HG波譜易與谷氨酸和谷氨酰胺等代謝峰重疊，傳統(tǒng)的1D-MRS很難實現(xiàn)對2-HG的檢測。研究人員通過改良2D-MRS成像參數(shù)及波譜解析技術，解決了波譜重疊問題，成功實現(xiàn)了2-HG的在體評估[10]。

盡管多數(shù)研究者認為2-HG是一種理想的評估IDH突變的標志物，并且MRS十分適用于2-HG的非侵襲性研究，然而一方面由于耗時過長，操作復雜等原因，MRS并不是臨床常規(guī)使用的成像技術，另一方面其技術本身仍存在局限性。既往文獻報道的MRS對于不同級別膠質瘤的IDH1基因診斷的截斷值不盡相同，同時，2-HG的檢測效果還受到腫瘤體積的影響，對于體積小于3.4 ml的腫瘤，MRS的靈敏度僅有8%[11]。

部分學者轉向第2種方法即多模態(tài)影像分析技術。IDH基因的突變改變了IDH與底物的親和力，導致三羧酸循環(huán)能量代謝異常，從而使腫瘤微結構和代謝產(chǎn)物發(fā)生改變。多模態(tài)MRI通過分析與這些微結構和代謝改變相關的定量或半定量影像特征以達到在體無創(chuàng)評價膠質瘤IDH基因表型的目的。Kickingereder等[12]證明IDH基因突變對HIF-1α和血管生成等生物學功能的抑制作用。因此，IDH1/2突變型患者相對腦血容量較野生型患者下降，提示突變型腫瘤細胞增殖程度低，新生血管生成少，與其較好的預后相一致。Eichinger等[13]依靠腫瘤體積和擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)紋理信息預測WHO Ⅱ和Ⅲ級膠質瘤的IDH基因狀態(tài)。他們建立的一模型在實驗組和驗證組中的精確度分別達到了92%和95%。Zhang等[14]從T1WI、T2WI、T1WI增強和ADC圖中提取的2970個影像特征與臨床數(shù)據(jù)整合產(chǎn)生的模型在實驗組和驗證組中也分別達到了86%和89%的準確度，其中預測價值最高的是患者年齡、參數(shù)強度、紋理和形態(tài)特征。Yamashita等[15]從TIWI增強和DWI圖像中選取了6種參數(shù)，在這6種參數(shù)值中絕對腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、相對CBV、壞死面積、增強病變中跨層壞死面積百分比在突變型和野生型IDH腫瘤中的差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線的曲線下面積(area under the curve，AUC)為0.74～0.87。

總之，目前無創(chuàng)檢測腫瘤IDH狀態(tài)的方法中應用廣泛的是通過MRS技術來探測由IDH基因突變所導致的2-HG累積，但是IDH基因突變引發(fā)的代謝和微結構的改變?yōu)槎鄥?shù)DWI，灌注加權成像(perfusion-weighted imaging，PWI)和血氧水平依賴等獲得反映腫瘤細胞密度、微血管密度、血管通透性及氧代謝等影像標記提供了分子學和病理學基礎。多模態(tài)影像分析因大量定量/半定量特征的優(yōu)點在IDH研究中可獲得進一步應用。

2 MRI成像評估染色體1p/19q共缺失

1p/19q共缺失是指1號染色體短臂(1p)和19號長臂(19q)同時缺失。目前研究認為1p/19q共缺失與少突膠質細胞瘤高度相關，是其診斷性分子標志物[16]。2016年，WHO分型指出1p/19q共缺失與IDH1基因突變可共同作為少突及星形膠質細胞瘤進一步分類的重要分子標準。1p/19q相關基因的丟失使得其他抑癌基因、癌基因或耐藥基因發(fā)生激活或者功能下降，從而使伴1p/19q共缺失型少突膠質細胞瘤通常對放化療更為敏感，預后更為良好。

研究表明，少突膠質細胞瘤發(fā)生部位與1p/19q共缺失狀態(tài)存在一定關系，額葉和枕葉多為共缺失型而島葉和顳葉多為非缺失型[17]。Zlatescu等[18]在間變性少突膠質瘤患者群體中得出同樣的結論，并且他們發(fā)現(xiàn)共缺失型往往具有雙邊生長的特點。對此，研究人員認為癌基因轉變事件僅僅發(fā)生在特定細胞來源或腦區(qū)域時才會有效，從而使得不同前體細胞來源的腫瘤表現(xiàn)出不同的影像學和病理學特點。少突膠質瘤MRI圖像特征同樣與1p/19q共缺失狀態(tài)存在一定關系。共缺失型腫瘤T1WI和T2WI信號較混雜，邊緣模糊[19]。Jenkinson等[20]對33例少突膠質細胞瘤患者及53例星形細胞瘤患者腫瘤生長特征和基因型與MRI表現(xiàn)的研究表明，浸潤性生長在1p/19q未缺失型膠質瘤中更為常見。同時，1p/19q未缺失型與共缺失型腫瘤相比，腫瘤邊緣更為光滑或銳利，但不同基因型瘤體細胞結構的影像學邊緣并無明顯差異。

文獻報道的1p/19q共缺失狀態(tài)與灌注和擴散成像參數(shù)之間的關系尚存爭議。有研究[21]表明1p/19q共缺失型腫瘤rCBV值更高，將ROC曲線閾值設為1.59時敏感性和特異性分別為92%和76%。與1p/19q未缺失型伴低rCBV值和1p/19q共缺失型伴高rCBV值相比，1p/19q未缺失型伴高rCBV值的膠質瘤患者預后更差。該作者的另一項研究[22]表明，1p/19q未缺失型腫瘤的最大ADC值及ADC直方圖更高。然而Fellah等[23]認為1p/19q未缺失型和共缺失型腫瘤的DWI、PWI及MRS表現(xiàn)并無顯著差異，但他們發(fā)現(xiàn)結合MRS，共缺失狀態(tài)可有效判斷低級別少突膠質細胞瘤的間變性，在不伴共缺失的膠質瘤患者中，Cho/Cr＞2.4往往與間變的出現(xiàn)有關。相反，在伴共缺失的腫瘤患者中，當Cho/Cr＞2.4時沒有觀察到間變性。

有學者通過對常規(guī)MRI圖像的紋理分析等方法來預測1p/19q 狀態(tài)。Zhou等[24]發(fā)現(xiàn)由T1WI、T2WI、T2 FLAIR以及T1WI增強序列所獲得的MRI紋理特征對165例低級別星形細胞瘤和少突膠質瘤的共缺失狀態(tài)預測的靈敏度和特異度達到0.90%和89%。Rui等[25]基于T2 FLAIR的紋理分析也證實了少突膠質細胞瘤、IDH突變和共缺失之間影像特征的聯(lián)系。

盡管在各型膠質瘤中的診斷作用并不完全一致，但共缺失狀態(tài)卻是評估放化療效果的有力指標。研究證實，對比增強和瘤周水腫等影像學特征可有效預測伴共缺失型間變性少突膠質瘤的預后[26]。臨床試驗也證實伴共缺失型間變性膠質瘤患者在接受了放療和或烷化劑化療后的生存期更長[27]。

3 MRI成像評估TP53突變

TP53為腫瘤抑制基因，其編碼產(chǎn)物為P53蛋白，后者通過轉錄調節(jié)下游的靶基因而發(fā)揮調節(jié)細胞周期阻滯、誘導細胞凋亡、抑制血管生成、調節(jié)能量代謝作用，從而阻止DNA損傷和有絲分裂后異常染色體分布細胞的存活，抑制腫瘤形成、生長[28]。TP53基因突變發(fā)生在膠質瘤形成早期，陽性率達到了47.5%，且與腫瘤的惡變進程有關，高級別膠質瘤的陽性率顯著高于低級別膠質瘤[29]。

TP53基因突變與特定腫瘤解剖位置有一定的相關性。突變型低級別膠質瘤多位于雙側顳葉和島葉，而野生型腫瘤多位于額葉。這一解剖位置的特異性對腫瘤的預后可能也有影響，左內顳葉和右前顳葉與P53的高表達高度相關，而位于這些區(qū)域的腫瘤的無進展生存期明顯差于其他區(qū)域[30]。但突變型高級別膠質瘤多發(fā)生在側腦室前角周圍額葉區(qū)[31]。

不同的微血管密集度導致的水腫程度在MRI上表現(xiàn)為T2WI信號的差異。周東海等[32]分析了星形細胞瘤瘤周水腫MRI評分與腫瘤組織P53蛋白的相關性。他們發(fā)現(xiàn)隨著瘤周水腫MRI評分的增高，P53陽性細胞率亦隨之增加，因此MRI瘤周水腫表現(xiàn)可反映腫瘤組織P53蛋白的表達程度。Li等[33]從常規(guī)MRI圖像中提取影像組學數(shù)據(jù)建立的模型對低級別膠質瘤的TP53狀態(tài)的預測精確度達到了80%和70.7%，較單個影像特征的預測效果有明顯優(yōu)勢。這些研究結果都符合TP53突變型腫瘤具有更高的微血管計數(shù)和血管內皮生長因子過表達的病理學特征。

4 MRI成像評估MGMT啟動子甲基化

MGMT是一種DNA修復蛋白，可移除DNA上鳥嘌呤氧6位點致突變的烷基加合物，使受損的鳥嘌呤恢復，從而能夠保護細胞免受烷化劑的損傷。因此，MGMT的高表達會影響烷化劑的療效，這也是細胞對烷化劑類藥物產(chǎn)生耐藥的分子基礎。甲基化狀態(tài)有助于預測腫瘤治療效果，但是關于MGMT在腦膠質瘤中的陽性表達與腫瘤病理的關系仍有爭議。Yuan等[34]認為高級別膠質瘤中MGMT的陽性率顯著低于低級別膠質瘤，另一部分學者得到相反的結果[35]。

文獻報道了常規(guī)影像特征如腫瘤位置、體積、增強、侵襲及水腫對MGMT甲基化的預測價值，但尚未達成共識。Kor fiatis等[36]認為MGMT甲基化狀態(tài)與腫瘤的大小無明顯相關性，而與腫瘤的發(fā)生部位相關。甲基化腫瘤多發(fā)生于左額葉，未甲基化腫瘤多發(fā)于顳枕葉。Ellingson等[37]認為MGMT啟動子甲基化型膠質瘤通常位于左半球，未甲基化型多位于右半球。他們還觀察到了甲基化和未甲基化腫瘤的T2 FLAIR高信號容積具有顯著差異，甲基化腫瘤容積明顯小于未甲基化，而兩者的對比增強體積卻無明顯差異，說明甲基化腫瘤的水腫程度要小于未甲基化腫瘤。

MGMT甲基化腫瘤具有較為一致的擴散特點，其ADC值、ADC比值及最小ADC值較非甲基化腫瘤大，提示甲基化腫瘤更高的異質性和較低的細胞結構性[38-39]。Han等[40]的研究不僅表明ADC值比rCBV值對MGMT甲基化狀態(tài)的預測價值更高，并且聯(lián)合腫瘤位置與囊變特征可獲得更高的AUC。Kanas等[41]使用MRI 3D容積模型對膠質母細胞瘤的MGMT甲基化狀態(tài)預測精確度達到了73.6%，其中水腫/壞死容積比、腫瘤/壞死容積比、水腫容積和腫瘤分布及增強特點的預測價值最高。Han等[42]使用膠質母細胞瘤患者的軸向MRI圖像構建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結構來預測MGMT甲基化狀態(tài)，為進一步了解膠質母細胞瘤中MGMT甲基化的影響提供了新的視角。

以上結果說明，盡管MGMT啟動子甲基化在增強化療敏感性方面的作用已得到廣泛認可，但MGMT狀態(tài)與膠質瘤MRI成像特點關系的研究還不足，各作者的結果往往不一，有待進一步的研究。

5 MRI成像評估其他分子遺傳改變

目前還有許多與膠質瘤相關的基因及其分子標志物被相繼發(fā)現(xiàn)并獲得研究。ATRX基因突變通過端粒替代延長機制參與膠質瘤的發(fā)生，其缺失通常與IDH基因突變聯(lián)合發(fā)生而與1p/19q 共缺失拮抗發(fā)生，其突變狀態(tài)可通過動脈自旋標記成像加以分辨[43]。EGFR過表達可促使腫瘤細胞惡性侵襲。研究認為動脈自旋標記成像獲得的腦血流量圖與EGFR變體III狀態(tài)具有相關性[44]，中位相對腦血容量、最大腫瘤血流量和相對腫瘤血流量都與EGFR表達呈顯著正相關?；隗w素的影像組學分析對EGFR表達狀態(tài)的預測準確度達到了90%[45]。

6 小結

影像基因組學是聯(lián)合應用新型MRI成像和數(shù)據(jù)分析技術來判斷影像特征與不同分子表型之間的關系，可對膠質瘤特異性分子遺傳學變異進行更為深入地分析。膠質瘤分子遺傳學特性與多種影像技術的結合將是未來膠質瘤分子診斷與治療的必然趨勢。關于膠質瘤的影像基因組學研究尚處于起步階段，目前尚存在一些局限性，如病例數(shù)少，多為回顧性研究，基因樣本與影像指標不能一一對應，多采用常規(guī)MRI序列等。盡管已經(jīng)確定了大量有潛在價值的影像基因組學生物標志物，但由于不同的儀器獲得的影像特征的一致性仍是一個重要的問題，因此需要未來進行更加廣泛的多中心驗證研究。