磁共振功能成像預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤分子表型的研究進(jìn)展

柯曉艾，周俊林

膠質(zhì)瘤是最常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)性腫瘤，起源于神經(jīng)上皮細(xì)胞，多呈侵襲性生長(zhǎng)，具有高復(fù)發(fā)率、高致殘率以及高死亡率的特征，治療效果不佳。研究證明，具有不同分子遺傳學(xué)背景的同級(jí)別膠質(zhì)瘤預(yù)后有較大的差異。目前已發(fā)現(xiàn)一系列分子標(biāo)志物能夠幫助臨床診斷膠質(zhì)瘤并預(yù)測(cè)腫瘤預(yù)后，其中包括異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變、染色體1p/19q聯(lián)合缺失、O6甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉(zhuǎn)移酶(O6-methylguanine-DNA methyhransferase，MGMT)啟動(dòng)子甲基化、表皮生長(zhǎng)因子體(epidermal growth factor receptor，EGFR)擴(kuò)增等[1]，這些分子遺傳學(xué)標(biāo)志物在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。用影像學(xué)方法預(yù)測(cè)腦膠質(zhì)瘤分子表型的研究仍處于起步階段，隨著磁共振新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，為探索反映腫瘤微觀生物學(xué)改變提供了新方法。本文對(duì)磁共振功能成像預(yù)測(cè)腦膠質(zhì)瘤分子表型的臨床應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 擴(kuò)散磁共振成像在腦膠質(zhì)瘤分子表型中的研究進(jìn)展

1.1 擴(kuò)散張量成像

擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是一種基于擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighing imaging，DWI)而發(fā)展的高級(jí)磁共振成像技術(shù)，它能夠利用水分子在組織內(nèi)不同方向擴(kuò)散原理對(duì)神經(jīng)纖維細(xì)微變化進(jìn)行定性、定量分析，直觀顯示腦白質(zhì)纖維走行以及白質(zhì)纖維束與病灶的相互關(guān)系，能夠反映活體組織細(xì)胞內(nèi)、外微環(huán)境中水分子的運(yùn)動(dòng)等變化[2]。在腦組織中，各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)反映了髓鞘的完整性及神經(jīng)纖維束的致密性[3]。平均擴(kuò)散率(mean diffusivity，MD)用來(lái)反映組織內(nèi)水分子各個(gè)方向擴(kuò)散張量總和的平均值[4]。表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficients，ADC)值反映了水分子運(yùn)動(dòng)的速度和范圍。擴(kuò)散張量纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)主要顯示病灶與腦白質(zhì)纖維束的關(guān)系，判斷功能區(qū)神經(jīng)纖維束的形態(tài)、方向及受累情況，為臨床手術(shù)提供指導(dǎo)。

Figini等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在WHO Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤中最大FA值及最小MD值在IDH野生型及IDH突變型膠質(zhì)瘤中具有顯著差異。IDH野生型膠質(zhì)瘤中的最小MD值較突變型減低，其最大FA值較突變型顯著增高。最小MD值與最大FA值的受試者工作特征曲線下面積(area under curve，AUC)值分別為0.73、0.74，并且他們表示這些峰度參數(shù)在預(yù)測(cè)評(píng)估WHO Ⅱ和Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)比傳統(tǒng)擴(kuò)散成像參數(shù)更具優(yōu)勢(shì)。然而，在伴和不伴有1p/19q缺失的IDH突變膠質(zhì)瘤之間DTI各參數(shù)沒(méi)有顯著差異，這可能表明DTI尚不能夠檢測(cè)這些變異。Xiong等[6]研究了84例少突神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的DTI圖像及常規(guī)MRI圖像后發(fā)現(xiàn)，IDH野生型少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤的FA值和rmFA值較IDH突變型低，IDH野生型瘤體最小ADC值和rmADC均小于IDH突變患者。然而，IDH野生型患者的瘤周水腫區(qū)ADC值和rmADC卻大于IDH突變患者，用DTI和常規(guī)MRI圖像聯(lián)合診斷IDH突變具有較高的靈敏度與特異度。有學(xué)者[7]用DTI圖像評(píng)估不同分子表型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤對(duì)臨近組織的浸潤(rùn)情況發(fā)現(xiàn)，IDH突變型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤比IDH野生型對(duì)鄰近腦組織的浸潤(rùn)更輕，由此也反映了IDH突變型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤預(yù)后更好。以上研究說(shuō)明DTI圖像作為用于評(píng)估腦膠質(zhì)瘤的IDH狀態(tài)的非侵入性方法，具有較大的研究?jī)r(jià)值和空間。

1.2 擴(kuò)散峰度成像

擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是基于DTI技術(shù)的延伸，主要用于描述組織微觀結(jié)構(gòu)中水分子的非高斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。DKI中平均擴(kuò)散峰度(mean kurtosis，MK)為所有梯度方向擴(kuò)散峰度的平均值，代表組織內(nèi)水分子擴(kuò)散位移分布偏離高斯曲線的平均程度，其優(yōu)勢(shì)在于解決DTI無(wú)法解決的纖維交叉問(wèn)題，腦部灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)都可用MK來(lái)描述，MK的大小反映了組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[8]。軸向峰度(axial kurtosis，AK)是擴(kuò)散張量平行方向上擴(kuò)散信息的重要體現(xiàn)，可反映軸突的完整性和纖維束的密度，AK值越大代表組織結(jié)構(gòu)越緊密越規(guī)則[9]。徑向峰度(radial kurtosis，Kr)體現(xiàn)了垂直于擴(kuò)散張量方向上峰度的平均值，可反映髓鞘的完整性。

最近Zhao等[10]對(duì)52例膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行了前瞻性研究發(fā)現(xiàn)DKI和DTI均可指導(dǎo)判斷IDH突變狀態(tài)，其中AK顯示出較高的診斷價(jià)值，其評(píng)估IDH突變的敏感性、特異性分別為74%、75%，特征曲線下面積為0.72，并且與DTI相比，DKI對(duì)膠質(zhì)瘤的綜合評(píng)估更具有優(yōu)勢(shì)。Figini等[5]研究發(fā)現(xiàn)，相比IDH突變型低級(jí)別膠質(zhì)瘤，IDH野生型膠質(zhì)瘤中的峰度各向異性(kurtosis anisotropy，KA)值和FA值顯著增高，這表明腦內(nèi)纖維的完整性得以保留，并且在IDH突變型膠質(zhì)瘤中，較高的細(xì)胞外水含量可能是FA和KA降低的原因。武文杰等[11]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在WHO Ⅱ級(jí)腦膠質(zhì)瘤中，IDH野生型腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)rFA值、rMK值較高，而rMD值低于IDH突變型，兩者之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；兩組腫瘤的瘤周水腫各參數(shù)值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。他們推測(cè)由于IDH突變型腦膠質(zhì)瘤微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜而導(dǎo)致水分子運(yùn)動(dòng)偏移高斯分布，這可能與細(xì)胞核異型性、細(xì)胞密度、腫瘤新生血管改變有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)MK值不能作為預(yù)測(cè)染色體1p/19q缺失的獨(dú)立生物學(xué)標(biāo)志物，且在MGMT啟動(dòng)子未甲基化和甲基化的腫瘤之間MK值沒(méi)有顯著差異[12-13]。目前膠質(zhì)瘤其他分子類型與DKI成像之間的相關(guān)性研究較少，有待進(jìn)一步研究。

2 磁共振波譜在腦膠質(zhì)瘤分子表型中的研究進(jìn)展

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一種用于檢測(cè)腦內(nèi)病變微代謝變化的非侵入性技術(shù)。它通過(guò)磁共振現(xiàn)象和化學(xué)位移來(lái)定量分析細(xì)胞核及其化合物，從而反映大腦代謝物的變化[14]。在腦膠質(zhì)瘤中IDH基因突變后獲得一種新的酶活性，NADPH依賴性還原反應(yīng)被催化，其可以促進(jìn)α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)還原為2-羥基戊二酸(2-bydroxyglutarate，2-HG)，而惡性腦腫瘤的發(fā)生率與2-HG積累過(guò)多有關(guān)[15]。Choi等[16]應(yīng)用1H-MRS技術(shù)在人體內(nèi)檢測(cè)到2-HG，發(fā)現(xiàn)其特征峰位于約4.02 ppm、2.25 ppm和1.9 ppm位置，但均與來(lái)自其他相關(guān)代謝物的特征峰重疊，在優(yōu)化常規(guī)MRS序列后，2-HG特征峰主要聚焦于2.25 ppm。Branzoli等[17]通過(guò)使用Mescher-Garwood點(diǎn)分辨光譜(MEGA-PRESS)序列編輯MRS的方法和優(yōu)化PRESS序列發(fā)現(xiàn)，與IDH野生型患者相比，IDH突變患者的2-HG水平更高，他們將這兩種方法與GC-MS所測(cè)組織內(nèi)2-HG含量進(jìn)行比較，通過(guò)MEGA-PRESS編輯的MRS在檢測(cè)2-HG時(shí)具有100%的特異性和100%的靈敏度，該技術(shù)所評(píng)估的2-HG水平與來(lái)自組織樣品的2-HG水平具有良好的一致性。Bisdas等[18]發(fā)現(xiàn)IDH突變除了引起體內(nèi)2-HG增多，還伴有谷氨酸、谷氨酰胺以及谷胱甘肽含量減低。雖然以上研究表明MRS對(duì)IDH突變?cè)\斷具有很高的準(zhǔn)確性，然而用MRS技術(shù)檢測(cè)2-HG水平，由于缺乏商業(yè)化序列或后處理軟件，其后處理十分具有挑戰(zhàn)性，且目前缺乏大規(guī)模隊(duì)列研究，2HG-MRS尚未被廣泛使用。

3 灌注加權(quán)成像在腦膠質(zhì)瘤分子表型中的研究進(jìn)展

3.1 動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像

動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像(d y n a m i c susceptibility contrast MRI，DSC-MRI)灌注成像中靜脈團(tuán)注順磁性對(duì)比劑后，對(duì)比劑首次通過(guò)腦組織毛細(xì)血管床時(shí)，在血管內(nèi)外形成多個(gè)局部小磁場(chǎng)，引起氫質(zhì)子共振頻率發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致T2或T2*信號(hào)強(qiáng)度的改變[19]。其中反映血管床容積的腦血容量(cerebral blood volume，CBV)是最常用參數(shù)。Tan等[20]對(duì)91例星形細(xì)胞瘤患者的研究顯示，在受試者工作特征曲線分析中，當(dāng)rCVB閾值為2.20時(shí)，能夠較準(zhǔn)確地區(qū)別Ⅱ級(jí)腫瘤中是否存在IDH-1突變，靈敏度和特異度分別為85.7%和82.4%；當(dāng)rCVB閾值為3.14時(shí)，區(qū)別Ⅲ級(jí)腫瘤IDH-1突變狀態(tài)的靈敏度和特異度分別為86.7%和88.9%；當(dāng)rCVB閾值為5.63時(shí)，區(qū)別Ⅳ級(jí)腫瘤IDH-1突變狀態(tài)的靈敏度和特異度分別為83.3%和100%；在不同WHO分級(jí)的腫瘤中，IDH-1野生型腫瘤均顯示出更高的rCVB。目前IDH1突變體和野生型星形細(xì)胞瘤在rCBV比率方面不同的機(jī)制尚不清楚，需要進(jìn)一步探索IDH1突變型和野生型星形細(xì)胞瘤在微血管增殖和微血管密度方面的差異。Kickingereder等[21]也報(bào)道了類似的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)rCBV在預(yù)測(cè)WHO Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)膠質(zhì)瘤中IDH突變狀態(tài)具有潛力，與野生型膠質(zhì)瘤相比，IDH突變型表現(xiàn)出更低的rCBV。Xing等[22]研究表明rCBVmax值與IDH突變狀態(tài)顯著相關(guān)，在43例WHO Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)腦膠質(zhì)瘤中IDH突變型腫瘤的rCBVmax顯著低于野生型腫瘤，當(dāng)rCBVmax閾值為2.35時(shí)，診斷IDH突變的敏感度、特異度、AUC分別為100%、60.87%、0.82。當(dāng)聯(lián)合常規(guī)MRI、DWI及DSC-MRI后，其敏感度、特異度、AUC增加至92.31%、91.3%、0.92，說(shuō)明多模態(tài)組合能進(jìn)一步提高診斷的準(zhǔn)確性。Kapoor等[23]等研究認(rèn)為低級(jí)別少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤1p19q缺失型較1p19q完整型顯示出顯著的高灌注特性，在高級(jí)別腫瘤中也顯示了這種趨勢(shì)。

3.2 動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像(dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)是通過(guò)靜脈注入對(duì)比劑后用T1WI梯度回波序列反復(fù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，由于腦膠質(zhì)瘤中血腦屏障破壞和血管通透性增高，靜脈注射的對(duì)比劑容易從血管內(nèi)區(qū)域滲漏到血管外細(xì)胞外空間(extravascular extracellular space，EES)，導(dǎo)致順磁效應(yīng)引起的T1信號(hào)強(qiáng)度增加[24]。常用的定量參數(shù)有轉(zhuǎn)運(yùn)常數(shù)(volume transfer constant，Ktrans)，即對(duì)比劑從血管內(nèi)到血管外的轉(zhuǎn)運(yùn)速率；血液回流常數(shù)(reflux constant，Kep)，即滲透到EES的對(duì)比劑重新流回血管內(nèi)的速率常數(shù)；血漿容積(blood plasma fraction，Vp)，即血漿內(nèi)對(duì)比劑的容積分?jǐn)?shù)；部分細(xì)胞外血管外間隙容量(extracellular extravascular volume fraction，Ve)，即血管外細(xì)胞外間隙內(nèi)對(duì)比劑的容積分?jǐn)?shù)。以前的研究表明，在常規(guī)MRI更高強(qiáng)化程度和增強(qiáng)/壞死比與EGFR過(guò)度表達(dá)相關(guān)[25]，近期研究表明灌注異常和滲透性異常的腫瘤血管生成可能反映EGFR狀態(tài)。Tykocinski等[26]研究發(fā)現(xiàn)rCVB是EGFRvⅢ表達(dá)獨(dú)立的預(yù)測(cè)因子，并且EGFRvⅢ陽(yáng)性的GBM中rCBV明顯高于陰性，當(dāng)閾值為4.34時(shí)，診斷EGFRvⅢ表達(dá)的特異性及敏感度均可達(dá)100%。也有學(xué)者[27]評(píng)估了DCE-MRI在GBM患者中反映EGFRvⅢ表達(dá)的能力，在EGFRvⅢ陽(yáng)性GBM中觀察到顯著增加的Ktrans和Vp平均值/直方圖值，并且Vp的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于Ktrans的預(yù)測(cè)能力。Ivanidze等[28]通過(guò)DCE-MRI分析評(píng)估了29例IDH1/2野生型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的TERT狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，TERT突變的腫瘤與TERT野生型相比顯示較低的速率常數(shù)Kep和較低的轉(zhuǎn)運(yùn)常數(shù)Ktrans，在TERT突變的患者中，隨著平均Kep增加、平均Ktrans增加，死亡風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。一些研究已經(jīng)證明灌注參數(shù)是用于預(yù)測(cè)GBM中MGMT甲基化的非侵入性放射性表型替代物。Sung等[29]將擴(kuò)散張量成像(ADC、FA)和DCE-MRI (Ktrans、Kep和Ve)的定量參數(shù)用于預(yù)測(cè)GBM中的MGMT甲基化狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)只有Ktrans與這種遺傳改變有關(guān)。有趣的是，具有MGMT甲基化的GBM顯示出顯著更高的Ktrans，表明MGMT甲基化可能參與以內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高的脈管系統(tǒng)為特征的神經(jīng)膠質(zhì)瘤相關(guān)血管生成。由此可見(jiàn)，相關(guān)研究需要擴(kuò)展到大樣本試驗(yàn)，并且必須付出巨大努力才能更深入地了解成像特征與MGMT狀態(tài)之間相關(guān)性的潛在機(jī)制。

3.3 動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)

動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spine labeling，ASL)技術(shù)是一種利用動(dòng)脈血中的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑的磁共振灌注成像方法，目前其只可反映CBF的變化，但較低的信噪比和分辨率仍無(wú)法滿足常規(guī)應(yīng)用及普及，用于膠質(zhì)瘤分子表型的研究較少。也有研究通過(guò)ASL灌注的CBF回顧性評(píng)估了40例膠質(zhì)瘤患者膠質(zhì)瘤分級(jí)、IDH突變狀態(tài)和ATRX表達(dá)，他們發(fā)現(xiàn)CBF能夠區(qū)分IDH突變與野生型的星形細(xì)胞瘤(敏感性=0.75，特異性=0.88)[30]。隨著 MR技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)結(jié)合其他成像技術(shù)來(lái)發(fā)揮ASL優(yōu)勢(shì)的方法在臨床上仍具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 小結(jié)

膠質(zhì)瘤分子遺傳學(xué)特性與多種影像技術(shù)的結(jié)合將是未來(lái)膠質(zhì)瘤分子診斷與治療的必然趨勢(shì)。磁共振功能成像不僅能非侵入性地反映顱內(nèi)病變解剖學(xué)改變，還能初步在細(xì)胞水平、分子水平及基因突變狀態(tài)反映腫瘤微觀生物學(xué)改變，有助于在術(shù)前無(wú)創(chuàng)性精準(zhǔn)評(píng)估膠質(zhì)瘤，有助于個(gè)性化治療方案的制訂并預(yù)測(cè)療效，有助于術(shù)后隨訪及預(yù)測(cè)患者的生存期。磁共振功能成像對(duì)膠質(zhì)瘤分子診斷目前尚存在一些局限性，如多為單一模態(tài)研究為主，病例數(shù)少，多為回顧性研究，基因樣本與影像指標(biāo)并不對(duì)應(yīng)，無(wú)規(guī)范化掃描協(xié)議等，因此，未來(lái)聯(lián)合運(yùn)用各種功能成像新技術(shù)進(jìn)行更加廣泛及深入的研究仍是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

利益沖突：無(wú)。