擴(kuò)散峰度成像在WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤IDH基因分型的預(yù)測(cè)研究

武文杰，張輝，王效春，譚艷，秦江波，楊國(guó)強(qiáng)

腦膠質(zhì)瘤是顱內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)最常見的腫瘤，既往根據(jù)腫瘤組織學(xué)特征分為Ⅰ～Ⅳ級(jí)。隨著研究的不斷深入，過去10多年間發(fā)現(xiàn)組織學(xué)類型相同的腦膠質(zhì)瘤存在不同基因遺傳特性，例如異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變、染色體1P/19q共缺失、O6-甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉(zhuǎn)移酶啟動(dòng)子甲基化等[1]。2016版WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)組織學(xué)基礎(chǔ)上增加了基因分型，其中最主要是IDH基因分型[2]。目前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究表明IDH基因分型對(duì)于膠質(zhì)瘤患者預(yù)后具有重要意義[3]，因此，術(shù)前無(wú)創(chuàng)性預(yù)測(cè)IDH基因分型具有重要的臨床意義。

擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是基于非高斯分布模型的磁共振技術(shù)，是擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)的延伸。Tan等[4]研究表明DTI成像為評(píng)估WHOⅡ～Ⅲ級(jí)星形細(xì)胞瘤的IDH1基因狀態(tài)提供了可靠的影像學(xué)手段，相較于DTI成像，DKI可以定量描述細(xì)胞內(nèi)外水分子擴(kuò)散的非高斯分布，量化病變組織微觀結(jié)構(gòu)改變。其中平均擴(kuò)散峰度(mean kurtosis，MK)代表空間各梯度方向的擴(kuò)散峰度平均值，反映組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[5]。因此，DKI成像能夠從功能微觀層面反映腦膠質(zhì)瘤的異質(zhì)性，為術(shù)前無(wú)創(chuàng)性評(píng)估IDH基因分型提供新的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

回顧性分析2013年1月至2016年10月我院25例WHO II級(jí)腦膠質(zhì)瘤患者的臨床、影像資料，男10例，女15例，年齡21～71歲，平均年齡(46.32±13.19)歲。25例患者術(shù)前行常規(guī)MRI及DKI掃描檢查，檢查前未接受藥物、化療、放射治療等干預(yù)措施。術(shù)后將組織蠟塊送至北京泰普舜康醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)所進(jìn)行Sanger(雙脫氧末端終止法)測(cè)序得到IDH基因分型。

1.2 數(shù)據(jù)采集

使用GE 3.0 T超導(dǎo)磁共振掃描儀，采用8通道頭頸聯(lián)合拓?fù)湎嗫仃嚲€圈采集信息，常規(guī)MRI掃描序列包括軸位T1WI、T2WI、T2 FLAIR，矢狀位T1WI，T1WI增強(qiáng)掃描軸位、矢狀位、冠狀位。常規(guī)MR序列參數(shù)：軸位T1WI (TR 1677 ms，TE 25 ms，層厚6.0 mm)，矢狀位T1WI(TR 1710 ms，TE 24.5 ms，層厚6.0 mm)，軸位T2WI (TR 6480 ms，TE 111 ms，層厚6.0 mm)，T2WI FLAIR (TR 8000 ms，TE 125 ms，層厚6.0 mm)，增強(qiáng)序列(TR 1500 ms，TE 14 ms，層厚6.0 mm)，增強(qiáng)藥物使用釓噴替酸葡甲胺(0.1 mmol/kg)。DKI采用平面回波序列，掃描參數(shù)：TR 23000 ms，TE 108 ms，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，層厚 6 mm，層間隔 0 mm，30個(gè)擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，取6個(gè)b值分別為0、500、1000、1500、2000、2500 s/mm2。

1.3 圖像后處理及參數(shù)測(cè)量

在GE Advantage Workstation 4.4工作站通過Functool軟件處理后獲得DKI參數(shù)圖(圖1)，結(jié)合MR常規(guī)序列，在腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)、瘤周水腫區(qū)、同層面對(duì)側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū)設(shè)置橢圓形感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，測(cè)定每個(gè)ROI的各項(xiàng)異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity，MD)、MK、軸向擴(kuò)散峰度(axial kurtosis，Ka)、徑向擴(kuò)散峰度(radial kurtosis，Kr)值。腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)ROI選取需結(jié)合增強(qiáng)掃描，若腫瘤強(qiáng)化選取腫瘤強(qiáng)化區(qū)域，同時(shí)避開囊變、壞死、出血等；若腫瘤不強(qiáng)化，實(shí)質(zhì)區(qū)信號(hào)不均勻，則選取腫瘤實(shí)質(zhì)部分表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖信號(hào)最低區(qū)為ROI；瘤周水腫區(qū)ROI選取近腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)，去除瘤體和正常腦組織成分。選取的ROI為圓形或橢圓形，每個(gè)ROI至少包括30個(gè)像素，每個(gè)ROI重復(fù)測(cè)量3次取平均值。為排除大腦內(nèi)不同區(qū)域參數(shù)差異影響，將所得DKI參數(shù)除以對(duì)側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū)得到相對(duì)擴(kuò)散各項(xiàng)異性分?jǐn)?shù)(ratio of FA，rFA)、相對(duì)平均擴(kuò)散系數(shù)(ratio of MD，rMD)、相對(duì)平均擴(kuò)散峰度(ratio of MK，rMK)、相對(duì)軸向擴(kuò)散峰度(ratio of Ka，rKa)、相對(duì)徑向擴(kuò)散峰度(ratio of Kr，rKr)值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 患者臨床資料比較

25例膠質(zhì)瘤患者中，IDH野生型9例(男4例，女5例)，IDH突變型16例(男6例，女10例)。兩組病例之間性別差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.53)；IDH野生型患者平均年齡為(55.33±12.09)歲，IDH突變型患者平均年齡為(41.25±11.15)歲，兩者年齡差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)，ROC曲線下面積為0.82，當(dāng)截?cái)帱c(diǎn)取57.5時(shí)，其敏感性為66.7%，特異度為93.7%。

圖1 女，59歲，WHO Ⅱ級(jí)星型細(xì)胞瘤。A：IDH突變型，右側(cè)額顳島葉異常未強(qiáng)化信號(hào)影；B～F：分別對(duì)應(yīng)同層面的FA圖、MD圖、MK圖、Ka圖、Kr圖 圖2 瘤體rFA、rMK值的ROC曲線 圖3 瘤體rMD值的ROC曲線Fig. 1 Female, 59 years old, WHO Ⅱ grade astrocytoma. A: IDH-mutant type, and abnormal unreinforced signal in the right frontotemporal island lobe; B—F: Respectively correspond to FA, MD, MK, Ka, Kr. Fig.2 ROC curve of the tumoral solid portion rFA and rMK. Fig.3 ROC curve of the tumoral solid portion rMD

表1 不同IDH基因分型的WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤DKI參數(shù)比較Tab. 1 Comparison of the DKI parameters in WHO Ⅱ brain glioma with different IDH genotypes

2.2 DKI參數(shù)比較

IDH野生型腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)rFA、rMK值均高于IDH突變型，rMD值低于IDH突變型，且兩者之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；兩組瘤周水腫各參數(shù)值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。詳見表1。

瘤體rMK值ROC曲線下面積為75.7%，當(dāng)截點(diǎn)取0.515時(shí)，敏感性為77.8%，特異性為68.7%；瘤體rFA值ROC曲線下面積為72.9%，當(dāng)截點(diǎn)取0.527時(shí)，敏感性為66.7%，特異性為93.7%(圖2)；瘤體rMD值ROC曲線下面積為75.7%，當(dāng)截點(diǎn)取1.261時(shí)，敏感性為87.5%，特異性為66.7%(圖3)。

3 討論

3.1 臨床資料分析

本研究中WHO Ⅱ級(jí)膠質(zhì)瘤IDH基因突變率為64%，這與王國(guó)良等[6]報(bào)道的WHO Ⅱ級(jí)彌漫性星形細(xì)胞瘤、少突膠質(zhì)瘤、少突星形細(xì)胞瘤突變率在66.7%以上符合。Metellus等[7]研究報(bào)告WHO Ⅱ級(jí)IDH突變型腦膠質(zhì)瘤患者平均年齡為(38.8±11.1)歲，IDH野生型患者平均年齡為(53.9±17.5)歲，本組病例分別為(41.25±11.15)歲、(55.33±12.09)歲，年齡相差不大。由此得出WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤IDH突變型發(fā)病年齡普遍低于IDH野生型，且IDH基因突變?cè)赪HO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤中較為普遍，突變率在64%以上。

3.2 腦膠質(zhì)瘤DKI參數(shù)分析

IDH基因分型是判斷腦膠質(zhì)瘤患者生存預(yù)后的重要因素，目前臨床多應(yīng)用常規(guī)MRI成像檢查，通過各種影像征象進(jìn)行判斷。雖然國(guó)內(nèi)外專家研究表明常規(guī)MRI與IDH基因具有一定的關(guān)聯(lián)[8-9]，但由于各種影像征象難以量化，易受診斷醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)判斷等因素影響，所以常規(guī)MRI檢查應(yīng)用價(jià)值有限。在人體腦膠質(zhì)瘤微環(huán)境中，水的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)受到細(xì)胞膜屏障、細(xì)胞內(nèi)外間隙等因素影響，同時(shí)還會(huì)受腫瘤組織病理生理改變，例如瘤細(xì)胞密度、細(xì)胞異型性、細(xì)胞核多形型、新生血管形成等，使水分子運(yùn)動(dòng)呈非高斯分布。DKI是依據(jù)生物組織內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)呈非高斯分布擴(kuò)散，通過非高斯分布模型呈現(xiàn)組織器官微觀結(jié)構(gòu)改變。DKI成像可以得到多個(gè)參數(shù)值，其中MK值代表空間各梯度方向的擴(kuò)散峰度平均值[10]，定量描述細(xì)胞內(nèi)外水分子擴(kuò)散的非高斯分布，其大小取決于ROI內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，MK值就越大[11-12]。因此，DKI較傳統(tǒng)常規(guī)MRI成像更能反映組織微觀結(jié)構(gòu)改變。

本研究結(jié)果顯示，校正后WHO Ⅱ級(jí)IDH野生型與突變型瘤周水腫的rFA、rMD、rMK、rKa和rKr值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其結(jié)果與Tan等[4]通過DTI成像技術(shù)研究WHO Ⅱ級(jí)IDH1野生型與突變型瘤周水腫區(qū)域rFA值結(jié)果一致。表明無(wú)論是IDH野生型還是突變型，WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤對(duì)周圍正常腦組織病理改變無(wú)明顯差異。

IDH野生型與突變型腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)的研究顯示，IDH野生型腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)rMK、rFA值大于IDH突變型，rMD值小于IDH突變型，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并且在以上指標(biāo)中，rMK值具有最大ROC曲線下面積。以上結(jié)果推測(cè)IDH突變型腦膠質(zhì)瘤微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)更為復(fù)雜，細(xì)胞核異型性大、細(xì)胞密度大、腫瘤新生血管豐富等，這些微觀結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致水分子運(yùn)動(dòng)偏移高斯分布位移更大。Xing等[13]通過擴(kuò)散加權(quán)成像與動(dòng)態(tài)磁敏感灌注加權(quán)成像(dynamic susceptibility contrast-perfusion weighterd imaging，DSC-PWI)研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變型WHO Ⅱ、Ⅲ級(jí)星形細(xì)胞瘤瘤體的最大相對(duì)腦血容量(relative cerebral blood volume，rCBV)值明顯低于IDH野生型，而最小ADC值明顯高于IDH野生型。最小ADC值的區(qū)域反映了腫瘤中細(xì)胞密度最高的部位[14]，而最大rCBV值則反映了腫瘤組織內(nèi)血管生成情況。這種相關(guān)性提示IDH野生型膠質(zhì)瘤細(xì)胞密度較IDH突變型大，血管生成豐富，這可能與IDH突變引起2-羥基戊二酸(2-Hydroxyglutaric acid，2-HG)的積累，導(dǎo)致低氧誘導(dǎo)因子1-a活化和抑制血管源相關(guān)信號(hào)相關(guān)[15]。以上結(jié)果說明不同IDH基因類型的WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤其腫瘤內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同。通過DKI成像參數(shù)rMK值可以預(yù)測(cè)WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤IDH基因狀態(tài)，從而判斷患者生存的預(yù)后情況。

WHO Ⅱ級(jí)IDH野生型瘤體rFA值大于IDH突變型，與Tan等[4]通過DTI成像研究腦膠質(zhì)瘤IDH1基因分型結(jié)論一致。Beppu等[16]對(duì)31例星形細(xì)胞瘤行DTI成像測(cè)量FA值，并通過CT定向活檢將FA值與腫瘤組織的細(xì)胞構(gòu)成和血供進(jìn)行比較，認(rèn)為腫瘤組織的FA值與細(xì)胞構(gòu)成和血管分布呈正相關(guān)。進(jìn)一步證實(shí)WHO Ⅱ級(jí)IDH野生型較IDH突變型血管分布多，細(xì)胞構(gòu)成復(fù)雜。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)IDH突變型瘤體rMD值明顯大于IDH野生型，MD值是反映擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢程度，代表分子的整體擴(kuò)散水平和存在的全部障礙，MD值越小代表擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越慢，障礙越大，IDH野生型MD值小于IDH突變型，說明IDH野生型瘤體分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)慢，障礙大，瘤體組織微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，細(xì)胞密度大、間隙小。

本研究尚存在一些不足之處。首先，研究病例數(shù)相對(duì)較少，并且單獨(dú)將WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤進(jìn)行分析，未將其他級(jí)別腦膠質(zhì)瘤納入研究范圍，缺乏整體認(rèn)識(shí)；其次，研究過程中涉及諸多參數(shù)值測(cè)量易受到測(cè)量者經(jīng)驗(yàn)判斷影響?；蛟S單獨(dú)通過DKI成像探索IDH基因分型稍顯不足，還需要進(jìn)一步綜合利用DSC-PWI[17]等磁共振成像技術(shù)甚至是影像組學(xué)分析來(lái)探索術(shù)前無(wú)創(chuàng)性預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤的IDH基因分型。

綜上所述，DKI成像參數(shù)rMK、rFA、rMD值有助于WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤的IDH基因分型判斷，其中rMK與rMD的敏感性及特異性均較高。DKI作為一種新型的磁共振功能成像，能夠提供病變組織微觀結(jié)構(gòu)改變，為術(shù)前無(wú)創(chuàng)性判斷WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤IDH基因分型提供了更多影像學(xué)信息。