基于MRI特征的腦膠質(zhì)瘤異檸檬酸脫氫酶1表達(dá)預(yù)測研究

夏曉亮，夏云寶，陳利華，向定朝，耿承軍

0 引 言

起源于膠質(zhì)細(xì)胞的膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，約占原發(fā)顱內(nèi)腫瘤的65%，近年來，膠質(zhì)瘤的發(fā)病率在全球范圍內(nèi)急劇上升[1-3]。由于膠質(zhì)瘤具有侵襲性生長、預(yù)后差、致死率高的特點(diǎn)，尋找早期診斷、預(yù)后評估的標(biāo)志物成為目前研究的熱點(diǎn)。異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)是三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵限速酶，在代謝、細(xì)胞分化及血管生成方面發(fā)揮著重要的作用。IDH基因突變通常發(fā)生于Ⅱ級、Ⅲ級和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，在2016世界衛(wèi)生組織分類中，將Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ級膠質(zhì)瘤分為IDH突變型及IDH野生型[4-6]。近年多項(xiàng)研究顯示，尤其是IDH1突變的膠質(zhì)瘤意味著更好的預(yù)后及更長的生存期，使IDH1成為了預(yù)測膠質(zhì)瘤預(yù)后的重要靶點(diǎn)，但目前對于IDH1突變檢測仍舊依賴于術(shù)后病理標(biāo)本。MRI作為一種非侵入性檢查，在膠質(zhì)瘤診斷、復(fù)發(fā)、及治療后評估中得到了廣泛的應(yīng)用。由于其具有無創(chuàng)、多參數(shù)、多平面成像及組織分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在臨床中有很大的應(yīng)用前景。本研究旨在利用MRI特征及臨床檢查數(shù)據(jù)建立術(shù)前檢測IDH1突變的預(yù)測模型，為膠質(zhì)瘤患者的臨床治療提供更多的參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象回顧性分析2014年5月至2017年9月在我院就診并術(shù)后病理診斷為膠質(zhì)瘤的76例患者臨床資料。其中男41例，女35例，年齡17～76歲，平均年齡(47.4±17.4)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)術(shù)后病理證實(shí)為膠質(zhì)瘤。②有術(shù)前完整MRI平掃及增強(qiáng)數(shù)據(jù)。③有完整的臨床及實(shí)驗(yàn)室檢查資料。④術(shù)前未行化療、放療。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并顱內(nèi)感染等。

1.2 MRI掃描方案MRI掃描采用GE Signa HDxt 3.0T MR超導(dǎo)型掃描儀，8通道頭部專用線圈。掃描參數(shù)如下：①平掃軸位FSE T1WI:TR=195 ms,TE=7 ms,SL=5.0 mm,FOV=25 cm×25 cm,MATRIX=512×512；②平掃軸位FSE T2WI:TR=4500 ms,TE=92 ms,SL=5.0 mm,FOV=25 cm×25 cm,MATRIX=512×512；③軸位FLAIR：TR=8700 ms,TE=85 ms,SL=5.0 mm,FOV=25 cm×25 cm,MATRIX=512×512；④軸位DWI：TR=3000 ms,TE=79 ms,SL=5.0 mm,FOV=25 cm×25 cm,MATRIX=512×512；⑤增強(qiáng)對比劑采用釓噴酸葡胺(廣州康臣)，劑量為0.2 mmol/kg，流速為2.5 mL/s,延遲30 s掃描，包括軸位、矢狀位及冠狀位，掃描參數(shù)同平掃T1WI。

1.3 圖像數(shù)據(jù)處理所有患者術(shù)前MRI圖像分析全部在醫(yī)院圖像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication system，PACS)工作站完成，由2名工作8年和10年的神經(jīng)系統(tǒng)放射科醫(yī)師分別行雙盲法獨(dú)立分析，統(tǒng)計(jì)的特征包括：腫瘤最大直徑、腫瘤部位、強(qiáng)化程度、邊界是否清楚、是否累及多個(gè)腦葉、是否累及深部白質(zhì)、周圍水腫情況、腫瘤內(nèi)出血、腫瘤內(nèi)壞死囊變、表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)值(取最大層面腫瘤實(shí)性部分，隨機(jī)選取3個(gè)面積1 mm2感興趣區(qū)測值，并取平均值)。對于分類變量數(shù)據(jù)，如有爭議，由1名工作20年的神經(jīng)系統(tǒng)放射科醫(yī)師作出最終結(jié)論，對于連續(xù)變量數(shù)據(jù)，取2名觀察者的平均值。本研究前所有觀察者對影像特征的分類均參考美國國家癌癥研究所腫瘤影像檔案庫(https://wiki.cancerimagingarchive.net/display/Public/VASARI+Research+Project)的影像特征描述準(zhǔn)則，并參加為期2周的培訓(xùn)。

1.4 臨床及實(shí)驗(yàn)室檢查資料臨床資料包括患者年齡、性別、癲癇發(fā)作病史、頭痛病史、行為認(rèn)知障礙、運(yùn)動(dòng)障礙、語言障礙，由神經(jīng)外科醫(yī)師提供。實(shí)驗(yàn)室檢查包括血清C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)、血清胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、紅細(xì)胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)。

1.5 術(shù)后標(biāo)本病理及免疫組化檢測術(shù)后標(biāo)本病理分級及分類參照2016世界衛(wèi)生組織中樞神經(jīng)系統(tǒng)分級分類標(biāo)準(zhǔn)[7]。免疫組化染色采用EnVision 法，標(biāo)本常規(guī)甲醛固定及石蠟包埋后行3 μm薄層切片，一抗、二抗孵育后二氨基聯(lián)苯胺(DAB)顯色，蘇木精復(fù)染，中性樹脂封固。陰性對照以磷酸鹽緩沖液(PBS)代替一抗孵育。IDH1表達(dá)于細(xì)胞質(zhì)，以細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)有棕黃色或棕褐色顆粒判為陽性細(xì)胞，光鏡下隨機(jī)觀察10個(gè)高倍視野，以陽性細(xì)胞超過5%定義為IDH1突變陽性。根據(jù)IDH1突變結(jié)果將所有病例中IDH1突變陽性的劃分為IDH突變組，反之則劃分為IDH野生型組。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析所有數(shù)據(jù)使用R軟件(version 3.4.4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，比較2名觀察者對影像特征的一致性，分類變量采用kappa一致性檢驗(yàn)，連續(xù)變量采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)一致性檢驗(yàn)。IDH野生型組與IDH突變組間影像及臨床數(shù)據(jù)單變量分析，連續(xù)變量采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，分類變量采用Chi-squared檢驗(yàn)或Fisher’s精確檢驗(yàn)，以P≤0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的指標(biāo)行多變量logistic回歸及10折交叉驗(yàn)證并建模，作列線圖，通過影像特征對應(yīng)的分?jǐn)?shù)相加得出總分，通過總分可以得出IDH1突變概率。并采用受試者工作曲線(receiver operating characteristic,ROC)、校準(zhǔn)曲線及決策曲線對模型進(jìn)行評價(jià)。

2 結(jié) 果

2.1 一致性檢驗(yàn)2名觀察者對11項(xiàng)影像學(xué)特征的評估見圖1。ICC/kappa值為0.86～0.98，顯示了2名觀察者間較高的一致性。

圖1 膠質(zhì)瘤患者M(jìn)RI影像特征一致性分析結(jié)果

2.2 影像特征及臨床資料單變量分析76例膠質(zhì)瘤，術(shù)后病理及免疫組化顯示，其中血管中心型膠質(zhì)瘤2例，毛細(xì)胞星形細(xì)胞瘤5例，彌漫性星形細(xì)胞瘤21例，少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤7例，混合性少突-膠質(zhì)細(xì)胞瘤16例，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤25例。WHO Ⅰ級7例，Ⅱ級22例，Ⅲ級26例，Ⅳ級21例。2例典型IDH1突變型和野生型的MRI圖像、病理及免疫組化圖片見圖2、圖3。入組對象中34例表現(xiàn)為IDH1突變型，42例表現(xiàn)為IDH1野生型。IDH1突變型組年齡為(46.38±18.49)歲，IDH1野生型組年齡為(48.14±16.74)歲，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。2組之間影像及臨床單變量分析顯示6個(gè)影像特征(腫瘤強(qiáng)化、腫瘤邊界、腫瘤累及腦葉、腫瘤累及深部白質(zhì)、瘤周水腫、瘤內(nèi)壞死或囊變)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余變量差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表1、表2。

a-f:分別為T1WI、T2WI、FLAIR、DWI、ADC、增強(qiáng)T1WI圖像；g-h：分別為HE染色及IDH1免疫組化(×400)圖2 IDH1突變型腦膠質(zhì)瘤MRI圖像及術(shù)后病理圖像

a-f：分別為T1WI、T2WI、Flair、DWI、ADC、增強(qiáng)T1WI圖像；g-h：分別為HE染色及IDH1免疫組化(×400)圖3 IDH1野生型腦膠質(zhì)瘤MRI圖像及術(shù)后病理圖像

2.3 多因素logistic回歸分析并建模對單變量分析中有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的6個(gè)變量行多變量logistic回歸分析(逐步回歸)及10折交叉驗(yàn)證并建模顯示，腫瘤邊界、腫瘤累及腦葉、腫瘤累及深部白質(zhì)、瘤周水腫4個(gè)變量進(jìn)入最終模型，見表3。對模型結(jié)果作列線圖，見圖4。采用ROC曲線對模型進(jìn)行評價(jià)，曲線下面積(AUC)為0.92(95%CI:0.85～0.98),顯示了模型較好的預(yù)測能力。模型校準(zhǔn)曲線也顯示了預(yù)測值和實(shí)測值之間較高的一致性。決策曲線顯示閾值在>2%及<90%之間時(shí)，本模型均優(yōu)于全或無簡單模型，見圖5。

表1 IDH1突變型組與IDH1野生型組腦膠質(zhì)瘤患者M(jìn)RI特征單變量分析結(jié)果

變量IDH1突變型組(n=34)IDH1野生型組(n=42)腫瘤部位(幕上/幕下,n)29/534/8腫瘤部位(左半球/右半球,n)20/1423/19腫瘤強(qiáng)化(輕度/明顯,n)22/1213/29?腫瘤邊界(清楚/模糊,n)25/912/30?腫瘤累及腦葉(單個(gè)/多個(gè),n)23/1111/31?腫瘤累及深部白質(zhì)(是/否,n)8/2632/10?瘤周水腫(輕度/廣泛,n)25/98/34?瘤內(nèi)出血(不明顯/明顯,n)25/931/11瘤內(nèi)壞死或囊變(不明顯/明顯,n)24/1013/29?腫瘤直徑(x±s,cm)5.47±1.825.04±1.61腫瘤ADC(x±s)0.96±0.120.97±0.13 與IDH1突變型組比較,?P<0.05

a：ROC曲線；b:校準(zhǔn)曲線(虛線為理想模型，實(shí)線為本預(yù)測模型)；c:決策曲線圖5 腦膠質(zhì)瘤患者IDH1突變預(yù)測模型評價(jià)

表2 IDH1突變型組與IDH1野生型組腦膠質(zhì)瘤患者臨床資料單變量分析結(jié)果(n)

變量IDH1突變型組(n=34)IDH1野生型組(n=42)性別(男/女)18/1623/19癲癇(無/有)15/1920/22頭痛(無/有)23/1127/15行為認(rèn)知障礙(無/有)25/934/8運(yùn)動(dòng)障礙(無/有)29/535/7語言障礙(無/有)28/637/5CRP(<5/≥5 mg/L)11/2317/25IGF-1(<180/≥180 mg/L)10/2415/27ESR(<15/≥15 mm/h)13/2119/23腫瘤分級(Ⅰ+Ⅱ/Ⅲ+Ⅳ)15/1914/28

表3 IDH1突變結(jié)果多變量逐步logistic回歸分析

變量βSEWaldOR值(95%CI)P值腫瘤邊界-1.6440.7275.1160.193(0.047～0.803)0.024腫瘤累及腦葉-1.8100.7465.8900.164(0.038～0.706)0.015腫瘤累及深部白質(zhì)3.9400.95017.12651.401(0.034～0.584)0.000瘤周水腫-2.4450.75010.6150.087(0.020～0.377)0.001

圖4 基于腦膠質(zhì)瘤患者M(jìn)RI圖像4個(gè)影像特征建立模型的列線圖

3 討 論

IDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵限速酶，其可催化異檸檬酸形成α-酮戊二酸(α-Ketoglutarate，α-KG)、CO2和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADPH)[8]。2008年首次報(bào)道了在低級別膠質(zhì)瘤及繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中的IDH突變，研究發(fā)現(xiàn)IDH突變?yōu)槟z質(zhì)瘤的相對特異性突變，可能是膠質(zhì)瘤發(fā)生早期的重要腫瘤驅(qū)動(dòng)因素[9-10]。IDH家族有三種同工酶：IDH1、IDH2及IDH3，IDH1主要位于胞質(zhì)和過氧化物酶體內(nèi)，IDH2和IDH3主要位于線粒體內(nèi)，IDH3尚未見突變的報(bào)道，IDH1、IDH2突變較為常見且相互排斥，其中最為重要的是IDH1突變。

首先，IDH1突變產(chǎn)生大量的2-羥基戊二酸(2-hydroxyglutaric acid，2-HG)，2-HG與α-KG結(jié)構(gòu)類似，可競爭性抑制許多α-KG依耐性酶，可能導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，同時(shí)，2-HG本身就是一種腫瘤細(xì)胞代謝產(chǎn)物，可能對神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的發(fā)生有促進(jìn)作用。其次，IDH1突變可抑制脯氨酰羥化酶(prolyhydroxylase，PHD)的活性，并提高缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF1α)的表達(dá)，誘導(dǎo)下游效應(yīng)如：血管生成、葡萄糖代謝和細(xì)胞增殖，從而可能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長、侵襲、血管生成及轉(zhuǎn)移。說明IDH1突變是導(dǎo)致膠質(zhì)瘤發(fā)生的重要因素[11-13]。但同時(shí)多項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，IDH1突變與膠質(zhì)瘤預(yù)后明顯相關(guān)，IDH1突變的膠質(zhì)瘤患者預(yù)示著更好的預(yù)后及更長的生存期，其機(jī)制尚不明確，考慮可能為IDH1突變既可導(dǎo)致膠質(zhì)瘤的發(fā)生，又可抑制腫瘤細(xì)胞分化[14]。Sabha等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在一組未經(jīng)放射治療的低級別彌漫性膠質(zhì)瘤中，IDH1突變型組的生存時(shí)間明顯長于IDH1野生型組。楊燕武等[16]也報(bào)道，在WHOⅡ級、Ⅲ級、Ⅳ級膠質(zhì)瘤患者中，IDH1突變型組的無進(jìn)展生存期及中位生存時(shí)間均長于IDH1野生型組。另一項(xiàng)研究顯示，相對于IDH1野生型，IDH1突變型膠質(zhì)瘤患者對化療更為敏感[17]。因此IDH1成為近年研究膠質(zhì)瘤治療及預(yù)后的重要靶點(diǎn)。

MRI作為一種非侵入性檢查，在膠質(zhì)瘤診斷和評估中發(fā)揮著越來越重要的作用，由于其成像特性可間接反映腫瘤內(nèi)部的代謝及分子機(jī)制，近年有多項(xiàng)基于MRI成像特征預(yù)測IDH1突變的研究報(bào)道。在這些研究中發(fā)現(xiàn)IDH1突變與MRI特征有著一些特定的關(guān)系，如IDH1突變型膠質(zhì)瘤一般位于額葉，且很少位于腦干、間腦等深部腦組織，IDH1突變型膠質(zhì)瘤相對于IDH1野生型膠質(zhì)瘤，一般強(qiáng)化較弱、邊界較清、腫瘤內(nèi)囊變壞死較少、ADC值較高，呈相對良性的影像特征[18-22]。本研究收集了11項(xiàng)影像學(xué)特征及11項(xiàng)臨床變量，進(jìn)行單變量分析時(shí)，所有的臨床因素均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，有6項(xiàng)影像學(xué)特征有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，顯示 IDH1突變型膠質(zhì)瘤相對于IDH1野生型膠質(zhì)瘤強(qiáng)化更弱、邊界更清晰、一般累及單個(gè)腦葉、較少侵及深部白質(zhì)、瘤周水腫較輕、瘤內(nèi)囊變壞死較少見，證實(shí)IDH1突變型膠質(zhì)瘤具有局部侵襲性較低的影像特征，這與之前的研究基本相符，但本研究顯示2組間ADC值無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與之前的部分研究不符[23]，考慮為樣本量較少且未行亞組分析的原因，在后續(xù)的研究中將行進(jìn)一步分析。多變量logistic回歸分析，腫瘤邊界、腫瘤累及腦葉、腫瘤累及深部白質(zhì)、瘤周水腫進(jìn)入最終模型，為預(yù)測IDH1突變的獨(dú)立因素，采用ROC曲線、校準(zhǔn)曲線、決策曲線對模型進(jìn)行評價(jià)，證實(shí)了模型較高的預(yù)測能力。

本研究收集了膠質(zhì)瘤患者部分臨床資料及MRI半定量特征，建立了IDH1突變預(yù)測模型及列線圖，并對模型進(jìn)行了多維評價(jià)，這對臨床決策提供了重要參考，但仍有一些不足，本研究為單中心回顧性研究，且樣本量偏少，未對不同病理類型的膠質(zhì)瘤行亞組分析，也缺少外部驗(yàn)證結(jié)果，這在下一步工作中將行進(jìn)一步論證。