膠質(zhì)瘤基因預(yù)測的多模態(tài)磁共振成像及影像組學(xué)研究進展

韓 亮，李曉欣，董俊伊，苗延巍

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 放射科，遼寧 大連 116011)

根據(jù)2016年WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類，膠質(zhì)瘤的分類不僅取決于鏡下病理特征，還取決于其基因型，分子類型已成為主要因素，并是影響患者生存最重要的預(yù)后因素之一。研究[1]發(fā)現(xiàn)，染色體1p/19q聯(lián)合缺失、異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase， IDH)基因突變、6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶(O-6-methylguanine-DNA methyltransferase， MGMT)基因啟動子甲基化、TP53突變、ATRX表達缺失[ATRX(-)]及H3 K27M突變等基因表型及分子特征，對膠質(zhì)瘤的預(yù)后及治療有重要影響。

術(shù)前進行基因預(yù)測對膠質(zhì)瘤患者個體化治療的選擇具有十分重要的意義，但目前只能通過手術(shù)或活檢獲取組織樣本進行基因檢測，但為一種有創(chuàng)檢查。MRI是無創(chuàng)診斷膠質(zhì)瘤的方法，并有助于預(yù)后及療效的評估。目前，多模態(tài)MRI技術(shù)可獲得形態(tài)學(xué)、血流灌注、代謝等多方面信息。近年來，影像組學(xué)[2]分析成為研究的熱點。本文對多模態(tài)MRI及影像組學(xué)對膠質(zhì)瘤基因預(yù)測的研究進展進行綜述。

1 膠質(zhì)瘤基因表型及分子特征

1.1 IDH1突變 IDH1突變在腫瘤中的作用機制復(fù)雜，目前主要有IDH1的低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIF)信號通路學(xué)說和IDH1-2-羥基戊二酸(2-Hydroxyglutaric acid， 2-HG)致癌機制。研究[3]表明多數(shù)彌漫性低級別膠質(zhì)瘤(low grade glioma， LGG)與IDH1突變相關(guān)，IDH1突變型LGG患者通常預(yù)后較好。相比之下，IDH1野生型LGG傾向于快速獲得多種復(fù)雜的遺傳改變，并在其病程早期轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)母細胞瘤。

1.2 1p/19q聯(lián)合缺失 研究[4]證實，第1號染色體短臂(1p)和第19號染色體長臂(19q)的聯(lián)合缺失常見于少突膠質(zhì)瘤，1p/19q聯(lián)合缺失的腫瘤患者對放療和化療具有較高的敏感性，且患者預(yù)后相對較好。Lin等[5]報道存在1p/19q缺失的膠質(zhì)瘤患者病情進展相對較慢，預(yù)后較好。

1.3 ATRX缺失 ATRX基因作為α地中海貧血/智力低下綜合征的相關(guān)基因，在膠質(zhì)瘤中同樣存在突變。在星形細胞瘤和少突膠質(zhì)細胞瘤的鑒別中以及明確膠質(zhì)瘤分化方向中，ATRX基因具有重要意義。研究[6]表明，ATRX是低級別膠質(zhì)瘤的有效生物標志物，與腦膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)有關(guān)。最近，有研究[7]發(fā)現(xiàn)ATRX缺失狀態(tài)與11C-蛋氨酸攝取和低級別膠質(zhì)瘤伴IDH突變患者的不良預(yù)后相關(guān)。

1.4 MGMT基因啟動子甲基化 近年來，MGMT基因啟動子甲基化是膠質(zhì)瘤分子標志物的研究熱點，檢測MGMT啟動子甲基化對診斷及鑒別診斷腦膠質(zhì)瘤具有重要作用，且膠質(zhì)瘤烷化劑化療敏感性有較高預(yù)測價值[8]。約45%膠質(zhì)母細胞瘤存在MGMT基因啟動子甲基化，后者是抑制MGMT蛋白表達的關(guān)鍵機制，可抑制DNA修復(fù)，增加替莫唑胺化療敏感性[9]。Yuan等[10]研究表明，與低級別膠質(zhì)瘤相對比，高級別膠質(zhì)瘤中MGMT陽性率明顯降低。有研究[11]也發(fā)現(xiàn)低級別膠質(zhì)瘤的IDH1基因突變與MGMT基因啟動子甲基化具有相關(guān)性。

1.5 TP53突變 TP53基因有野生型和突變型。野生型TP53可抑制癌細胞的生存，當細胞DNA損傷時，其可抑制異常細胞分裂或誘導(dǎo)細胞凋亡。突變型TP53可加強細胞分裂和增殖，導(dǎo)致細胞惡變。TP53突變發(fā)生在膠質(zhì)瘤形成早期，陽性率達47.5%[12]，且與腫瘤的惡變進程有關(guān)。

1.6 H3 K27M突變 組蛋白H3有多種變體，且每個變體具有不同功能。其中，變體H3.3的編碼基因H3F3A易發(fā)生H3 K27M突變。研究[13]發(fā)現(xiàn)，H3 K27M突變可導(dǎo)致氨基酸變異，常發(fā)生于兒童和青年人，常見部位是脊髓、丘腦、腦干等中線結(jié)構(gòu)，且呈彌漫性生長，惡性程度較高。

2 膠質(zhì)瘤基因預(yù)測的多模態(tài)MRI研究

多模態(tài)MRI技術(shù)主要包括：擴散成像[包括DWI、擴散張量成像(diffusion tensor imaging， DTI)、擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging， DKI)及體素內(nèi)不相干運動(intravoxel incoherent motion， IVIM)]、1H-MRS、灌注成像[包括動態(tài)磁敏感對比-灌注加權(quán)成像(dynamicsusceptibility contrast-perfusion weighted imaging， DSC-PWI)、動態(tài)對比增強(dynamic contrast-enhanced-MRI， DCE-MRI)、ASL成像]、BOLD-fMRI)、磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging， SWI)、氨基質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(amide protontransfer， APT)等。

2.1 擴散成像 擴散成像是常用的MRI技術(shù)。Villanueva-Meyer等[14]利用定量DWI和灌注成像對IDH1野生型與突變型的Ⅱ級彌漫型膠質(zhì)瘤進行評估，發(fā)現(xiàn)IDH1野生型Ⅱ級彌漫型膠質(zhì)瘤有較低的ADC值，且與腫瘤的不良預(yù)后有相關(guān)性；多元回歸分析顯示，年齡>45歲的患者，最低ADC值、平均ADC值和最高ADC值與IDH1突變狀態(tài)獨立相關(guān)；ADC閾值為0.9×10-3mm2/s時，具有最高的敏感度(91%)和特異度(76%)。Han等[15]的研究表明，ADC值比相對腦血容量(relative cerebral blood volume， rCBV)值對MGMT甲基化狀態(tài)的預(yù)測價值更高，且聯(lián)合腫瘤位置與囊變特征可獲得更高的AUC。ADC值有助于判定膠質(zhì)瘤IDH1或MGMT甲基化狀態(tài)，DWI可作為預(yù)測膠質(zhì)瘤某些基因狀態(tài)的一種方法，但僅依靠DWI進行基因分型稍顯不足。Xing等[16]通過DWI和DSC-PWI聯(lián)合常規(guī)MRI預(yù)測WHO Ⅱ級和Ⅲ級星形細胞瘤的IDH1突變狀態(tài)，結(jié)果顯示IDH1突變型Ⅱ級和Ⅲ級星形細胞瘤的最小ADC值和相對ADC值顯著高于野生型(P<0.05)，最小ADC值的區(qū)域為腫瘤細胞密度最高的部位，提示IDH1野生型膠質(zhì)瘤細胞密度較IDH1突變型大；DWI、DSC-PWI和常規(guī)MRI聯(lián)合檢測IDH1突變有較高的敏感度(92.3%)、特異度(91.3%)、陽性預(yù)測值(96.1%)和陰性預(yù)測值(83.6%)。表明多模態(tài)MRI技術(shù)可進一步提高膠質(zhì)瘤IDH1基因突變的診斷率。

Tan等[17]研究表明DTI可作為預(yù)測WHO Ⅱ級和Ⅲ級星形細胞瘤IDH1基因狀態(tài)的技術(shù)。Xiong等[18]探討常規(guī)MRI和DTI參數(shù)與少突膠質(zhì)瘤1p/19q缺失和IDH1突變的相關(guān)性，結(jié)果顯示DTI參數(shù)FA值與ADC值在IDH1突變型和野生型的少突膠質(zhì)瘤之間有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，但在有或無1p/19q缺失中差異無統(tǒng)計學(xué)意義；DTI和常規(guī)MRI聯(lián)合檢測IDH1突變的敏感度、特異度、陽性和陰性預(yù)測值分別為92.2%、75.8%、93.8%和71.1%，而與1p/19q基因分型的相關(guān)性較差。武文杰等[19]通過DKI預(yù)測WHO Ⅱ級腦膠質(zhì)瘤IDH基因狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)Ⅱ級膠質(zhì)瘤瘤體相對平均擴散峰度(ratio mean kurtosis， rMK)、相對擴散各項異性分數(shù)(ratio fractional anisotropy， rFA)、相對平均擴散系數(shù)(ratio mean diffusivity， rMD)值有助于判斷IDH基因狀態(tài)，并且rMK和rMD的敏感度(77.8%、68.7%)及特異度(87.5%、66.7%)均較高。膠質(zhì)瘤基因突變會引起腫瘤細胞密度、新生血管形成、細胞核多形型、細胞異型性等，使水分子運動呈非高斯分布，DTI、DKI可通過定量分析腫瘤細胞內(nèi)外水分子的非高斯分布，反映腫瘤內(nèi)部微觀病理生理變化，進而預(yù)測膠質(zhì)瘤的基因型。

Federau等[20]發(fā)現(xiàn)IVIM技術(shù)的最大灌注分數(shù)、最大rCBV和最小ADC對膠質(zhì)瘤患者2年生存率的預(yù)測敏感度均為88.9%，特異度分別為83.3%、51.7%、75.0%；最大灌注分數(shù)、最大rCBV和最小ADC均可預(yù)測膠質(zhì)瘤患者的生存率，且最大灌注分數(shù)和最小ADC值在預(yù)測生存率方面表現(xiàn)相似，均略優(yōu)于最大rCBV。但對于膠質(zhì)瘤相關(guān)基因的IVIM研究還需進一步探索。

2.21H-MRS Choi等[21]利用MRS技術(shù)檢測2-HG，以確定MRS定量評估2-HG是否可作IDH1突變型膠質(zhì)瘤的無創(chuàng)性生物標志物，結(jié)果顯示1H-MRS測得的2-HG濃度可重復(fù)性好，可較穩(wěn)定地反映病情程度。De la Fuente等[22]研究發(fā)現(xiàn)，2HG-MRS可與常規(guī)MRI相結(jié)合提供膠質(zhì)瘤中2-HG的定量信息，并可作為影像標記物在膠質(zhì)瘤治療和隨訪期間無創(chuàng)監(jiān)測IDH1突變腫瘤細胞。Emir等[23]研究發(fā)現(xiàn)，通過1H-MRS可定量檢測2-HG和可能在腫瘤進展期間累積的相關(guān)代謝物，從而更好地監(jiān)測治療。盡管研究表明MRS可作為一種非侵襲性方法評估IDH突變的標志物2-HG，但1H-MRS操作復(fù)雜，耗時較長，2-HG檢測受腫瘤體積等因素的影響，且對于不同級別膠質(zhì)瘤IDH1基因診斷的閾值還無統(tǒng)一標準，不能作為臨床常規(guī)使用方法，還需繼續(xù)探討。

2.3 MR灌注成像 Xing等[16]研究發(fā)現(xiàn)IDH1突變型WHO Ⅱ、Ⅲ級星形細胞瘤瘤體的rCBV值明顯低于IDH1野生型，最大rCBV值則反映了腫瘤組織內(nèi)血管生成情況，可能與IDH1突變引起2-HG的積累，導(dǎo)致HIF-1α活化和抑制血管源相關(guān)信號相關(guān)。Lin等[24]聯(lián)合應(yīng)用DSC-PWI、DWI、SWI技術(shù)鑒別Ⅱ級和Ⅲ級少突膠質(zhì)細胞瘤的IDH1突變和1p/19q聯(lián)合缺失的等級劃分，比較高、低級別少突膠質(zhì)細胞瘤的標準化最大腦血容量(normalized maxim cerebral blood volume， nCBV)值、標準化最大腦血流量值(normalized maximum cerebral blood flow， nCBF)和標準化ADC(normalized ADC， nADC)值、腫瘤內(nèi)磁敏感信號(intratumoral susceptibility signals， ITSSS)，發(fā)現(xiàn)nADC、ITSSS、nCBV和nCBF組間差異明顯(P<0.05)；nADC和nCBV診斷腫瘤分級敏感度(100%、92.31%)和特異度(77.78%、80.00%)較高；ITSS對高級別膠質(zhì)瘤診斷的敏感度和特異度分別為60.00%和83.33%；SWI和DSC-PWI參數(shù)聯(lián)合診斷膠質(zhì)瘤級別的敏感度和特異度分別為100%和93.33%，表明聯(lián)合DSC-PWI、DWI、SWI可將IDH1突變和1p/19q聯(lián)合缺失的少突膠質(zhì)細胞瘤按等級進行分層。但目前1p/19q聯(lián)合缺失狀態(tài)與灌注成像參數(shù)間的關(guān)系尚存爭議，有研究[25]認為1p/19q未缺失型和聯(lián)合缺失型腫瘤的DWI、PWI及MRS表現(xiàn)并無顯著差異，但結(jié)合MRS，聯(lián)合缺失狀態(tài)可有效判斷低級別少突膠質(zhì)細胞瘤的間變性。

Brendle等[26]對照研究ASL和DSC-PWI在膠質(zhì)瘤分級中的價值以及對IDH1突變和ATRX表達的診斷能力，發(fā)現(xiàn)由ASL獲得的腦血流量值(cerebral blood flow， CBF)能較好地區(qū)分IDH1突變型和野生型星形細胞瘤，其診斷敏感度及特異度分別為75%和88%，提示ASL灌注對于IDH1基因突變有一定的價值。Gupta等[27]研究認為ASL獲得的CBF圖與表皮生長因子變體Ⅲ狀態(tài)具有相關(guān)性，中位rCBF、最大腫瘤血流量和相對腫瘤血流量與表皮生長因子表達均呈顯著正相關(guān)。

2.4 BOLD-fMRI Wu等[28]通過測量膠質(zhì)瘤靜息狀態(tài)BOLD-fMRI參數(shù)，發(fā)現(xiàn)高級別比低級別膠質(zhì)瘤具有更復(fù)雜的解剖形態(tài)和BOLD特征，靜息態(tài)fMRI參數(shù)對膠質(zhì)瘤分級有一定的價值。但利用BOLD-fMRI對膠質(zhì)瘤基因預(yù)測的研究較少，還需進一步探索。

2.5 SWI Grabner等[29]利用7.0T MR SWI局部圖像方差值(SWI-local image variance， SWI-LIV)分析膠質(zhì)瘤圖像中低信號微血管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)高級別膠質(zhì)瘤的SWI-LIV值高于低級別膠質(zhì)瘤(P<0.000 1)；IDH突變型膠質(zhì)瘤的SWI-LIV值低于IDH野生型(P<0.000 1)；明顯強化的膠質(zhì)瘤SWI-LIV值高于不明顯強化者(P<0.000 1)，表明SWI-LIV定量分析彌漫性浸潤性膠質(zhì)瘤的低信號微血管結(jié)構(gòu)對腫瘤的術(shù)前特征有一定的預(yù)測能力。

2.6 APT APT是基于化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移原理進行成像，可用于檢測存在于多肽和蛋白質(zhì)中的氨基。Shanshan等[30]利用APT對比分析IDH1野生型及IDH1突變型Ⅱ級膠質(zhì)瘤，發(fā)現(xiàn)IDH1野生型比突變型具有更高的APT信號，APT信號可能是檢出Ⅱ級IDH1突變狀態(tài)的有價值的影像標志物。陳永露等[31]利用APT成像預(yù)測高級別膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)IDH野生型的APT值明顯高于IDH突變型，診斷IDH野生型的敏感度及特異度分別為93.8%、66.7%，APT成像對預(yù)測高級別膠質(zhì)瘤IDH基因狀態(tài)有一定價值。

3 影像組學(xué)

周晶等[32]發(fā)現(xiàn)基于MRI數(shù)據(jù)建立的諾模圖，對高、低級別膠質(zhì)瘤具有較好的分級診斷能力，其特異度及敏感度分別為81.8%、77.3%；驗證集的特異度83.3%，敏感度77.3%。Zhang等[33]采用聯(lián)合SVM模型和多模態(tài)MRI特征分析，對照IDH1突變和TP53突變基因，實現(xiàn)對LGG分子亞型分層診斷。Ren等[34]基于多模態(tài)放射組學(xué)方法，在T2 FLAIR圖、ADC圖、eADC圖和CBF圖聯(lián)合提取28個特征以及T2 FLAIR圖、ADC圖和CBF圖聯(lián)合提取6個特征，建立IDH1突變和ATRX缺失的最優(yōu)SVM預(yù)測模型；該模型預(yù)測低級別膠質(zhì)瘤IDH1突變的準確率(94.74%)、敏感度(100%)、特異度(85.71%)、陽性預(yù)測值(92.31%)和陰性預(yù)測值(100%)均較高；預(yù)測IDH1突變的低級別膠質(zhì)瘤中ATRX缺失的準確率(91.67%)、敏感度(94.74%)、特異度(88.24%)、陽性預(yù)測值(90.00%)、陰性預(yù)測值(93.75%)的診斷效能亦均較高。Shofty等[35]利用機器學(xué)習(xí)評估低級別膠質(zhì)瘤的IDH1突變狀態(tài)和1p/19q編碼狀態(tài)，結(jié)果顯示使用集合袋裝樹分類器獲得最佳分類能力(敏感度92%，特異度83%，準確率87%)。利用影像組學(xué)對膠質(zhì)瘤進行分子診斷和治療是未來發(fā)展的必然趨勢，但現(xiàn)階段尚處于起始階段，還存在一定的局限性，如病例數(shù)少難以達到大數(shù)據(jù)要求，多為回顧性研究，對于膠質(zhì)瘤有些基因型的研究缺乏，對多種基因的聯(lián)合預(yù)測的研究較少，且不同的儀器獲得的影像特征缺乏一致性。因此，影像組學(xué)研究需要進行更加廣泛的多中心研究，建立統(tǒng)一標準。

綜上所述，借助多模態(tài)MRI技術(shù)以及影像組學(xué)可獲得精準反映組織和病變形態(tài)、血流、代謝和功能改變的影像學(xué)標記，為膠質(zhì)瘤的定性診斷、分級診斷、基因預(yù)測等提供更多可能。