影像基因組學(xué)及其在肝細(xì)胞癌中的應(yīng)用

李 煒，倪才方

隨著20 世紀(jì)90 年代基因組學(xué)研究飛速發(fā)展，人們開(kāi)始意識(shí)到癌癥是一種基因疾病，并在基因水平研究人類疾病，以期根據(jù)腫瘤特定基因構(gòu)成，制定出更加精準(zhǔn)的癌癥治療方法[1]。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬在2015 年國(guó)情咨文中宣布精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃（Precision Medicine Initiative），精準(zhǔn)醫(yī)療本質(zhì)上就是個(gè)性化醫(yī)療。為了迎合精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代全新的治療理念，診斷檢查必須做到充分、全面、多層次。這要求檢查不應(yīng)局限在單個(gè)致癌缺陷上，而應(yīng)涵蓋腫瘤基因與分子多樣性，以做到對(duì)某一治療的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)指導(dǎo)及精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。影像組學(xué)與基因組學(xué)信息可以幫助其實(shí)現(xiàn)[1-2]。

原發(fā)性肝癌（PLC）是最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，同時(shí)也是癌癥相關(guān)死亡最主要原因之一。其中，肝細(xì)胞癌（HCC）是PLC 中最常見(jiàn)的一種，全世界約一半PLC 新增病例及死亡發(fā)生在中國(guó)[3-5]。雖然有研究表明HCC 早期發(fā)現(xiàn)并接受手術(shù)治療可獲得較好結(jié)局，尤其是＜2 cm 早期HCC，5 年生存率遠(yuǎn)高于腫瘤較大者，但由于缺乏明顯的早期癥狀和特異性生物標(biāo)記物，HCC 常難以早期診斷[4]。

目前HCC 治療方法繁多，除了傳統(tǒng)外科切除和肝移植外，還包括消融治療、經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈化療栓塞術(shù)（TACE）等多種介入治療手段[6]。然而基于分子標(biāo)記物的HCC 分類方案尚未常規(guī)應(yīng)用于手術(shù)病理和臨床治療[7]，大大限制了對(duì)HCC 的精準(zhǔn)治療。

隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、影像分析技術(shù)進(jìn)步及高通量算法發(fā)展，影像學(xué)研究將迎來(lái)嶄新一頁(yè)。影像組學(xué)和基因組學(xué)相結(jié)合的影像基因組學(xué)（radiogenomics），勢(shì)必會(huì)在HCC 診治過(guò)程中發(fā)揮重要作用，通過(guò)構(gòu)建并驗(yàn)證影像基因組學(xué)模型實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的患者分層管理，制訂個(gè)體化治療方案，預(yù)測(cè)治療反應(yīng)[8]。

1 HCC 異質(zhì)性

瘤內(nèi)異質(zhì)性被看作是腫瘤固有特征，越來(lái)越多研究認(rèn)為瘤內(nèi)異質(zhì)性是影響治療失敗和腫瘤復(fù)發(fā)的關(guān)鍵因素[9]。近期研究發(fā)現(xiàn)，HCC 是一種具有顯著異質(zhì)性的疾病，其異質(zhì)性可表現(xiàn)為不同腫瘤或同一腫瘤不同部位的生長(zhǎng)特點(diǎn)、細(xì)胞構(gòu)成及分化程度不同。除了形態(tài)學(xué)與分化程度異質(zhì)性，HCC 異質(zhì)性還表現(xiàn)在免疫組化標(biāo)記物與基因表達(dá)不同[10-11]。此外，HCC 瘤內(nèi)異質(zhì)性與分化程度和增殖活動(dòng)相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，瘤內(nèi)異質(zhì)性與腫瘤大小存在明顯關(guān)聯(lián)，在直徑為3～5 cm HCC 中瘤內(nèi)異質(zhì)性發(fā)生率為64%，而在直徑＜2 cm HCC 中瘤內(nèi)異質(zhì)性比例為25%～47%[12-13]。

Friemel 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，瘤內(nèi)異質(zhì)性主要表現(xiàn)在形態(tài)學(xué)、免疫表型、CTNNB1 與TP53 的基因突變3 個(gè)方面。該研究在87%（20/23）腫瘤中觀察到了形態(tài)學(xué)異質(zhì)性，在39%（9/23）腫瘤中觀察到免疫組化標(biāo)記物表達(dá)異質(zhì)性，且伴有形態(tài)學(xué)異質(zhì)性；僅22%（5/23）腫瘤具有基因異質(zhì)性，同時(shí)伴有形態(tài)學(xué)和免疫表型異質(zhì)性。該研究進(jìn)一步證實(shí)，隨著腫瘤生長(zhǎng)，瘤內(nèi)異質(zhì)性程度也會(huì)增加。

鑒于腫瘤異質(zhì)性存在，臨床實(shí)踐中對(duì)不同腫瘤或同一種腫瘤不同個(gè)體，甚至同一個(gè)體腫瘤發(fā)展不同階段，均應(yīng)采用不同治療方案。能否獲得可全面反映腫瘤生物學(xué)行為和分子特征的信息，成為影響治療效果的關(guān)鍵。為了尋找更加合適的腫瘤標(biāo)記物，從而實(shí)現(xiàn)腫瘤早期診斷、更好地預(yù)測(cè)預(yù)后和治療效果，以基因表達(dá)為主的分子層次信息與影像學(xué)方法相融合的影像基因組學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

2 影像基因組學(xué)的發(fā)展

2.1 發(fā)展過(guò)程

“Radiogenomics”一詞最早于2002 年出現(xiàn)在《Radiotherapy ＆ Oncology》期 刊[14]，2003 年 歐 洲放射治療與腫瘤學(xué)學(xué)會(huì)（ESTRO）年會(huì)上被再次提出[15]。最初，影像基因組學(xué)主要指涉及患者遺傳基因與其對(duì)放射治療敏感性間關(guān)系的研究。之后，Segal 等[16]學(xué)者將影像基因組學(xué)定義為一種建立基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)與影像學(xué)特征相關(guān)聯(lián)的新技術(shù)。

盡管影像組學(xué)（radiomics）與影像基因組學(xué)名稱上十分相近，但兩者研究?jī)?nèi)容大不相同。影像組學(xué)主要是從醫(yī)學(xué)圖像中提取定量信息，而影像基因組學(xué)主要涉及影像學(xué)特征與基因信息相關(guān)聯(lián)研究[17]。

影像基因組學(xué)標(biāo)志著影像學(xué)從最初的解剖水平向基因水平的深入。影像基因組學(xué)研究中影像學(xué)圖像反映了基因和分子水平變化結(jié)果，因此從影像學(xué)圖像處理分析獲得信息也可反映組織潛在表型和基因特征。影像基因組學(xué)主要研究對(duì)象是關(guān)聯(lián)影像學(xué)特征與基因表達(dá)信息、基因突變及其它基因特征，深入了解腫瘤生物學(xué)性質(zhì)并把握腫瘤固有的異質(zhì)性，其最終目的是獲得預(yù)測(cè)預(yù)后的影像學(xué)生物標(biāo)記物，作為基因檢測(cè)的替代物[18]。

2.2 研究過(guò)程

影像基因組學(xué)研究過(guò)程主要可分為3 個(gè)基本方面：①影像組學(xué)部分，包括圖像采集、腫瘤分割、影像特征提??；②基因組學(xué)部分，包括基因組數(shù)據(jù)量化與分析；③計(jì)算部分，包括建立數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)聯(lián)基因組與圖像特征、驗(yàn)證結(jié)果[19]。

在影像組學(xué)部分，第一步需要獲得用于診斷和評(píng)估的高質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化影像學(xué)圖像。為獲得更理想的分析結(jié)果，選擇病例時(shí)應(yīng)避免過(guò)于異質(zhì)性。同時(shí)采集圖像應(yīng)盡量選擇相同型號(hào)或相同類型掃描設(shè)備，并選擇合理的掃描參數(shù)，如層厚、像素、管電壓等[20-21]；第二步腫瘤分割，指利用現(xiàn)有手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)方法分割感興趣區(qū)（ROI）。目前常用分割算法有圖形切割法、活動(dòng)輪廓法、區(qū)域生長(zhǎng)法和水平集法等[21]。雖然放射診斷醫(yī)師手動(dòng)勾畫(huà)ROI 可能存在觀測(cè)者間差異，且人力成本和時(shí)間投入相對(duì)較高，但其仍被視為勾畫(huà)ROI“金標(biāo)準(zhǔn)”[22-24]。

分割完成后，需從ROI 提取影像學(xué)特征數(shù)據(jù)?；诮y(tǒng)計(jì)劃分，這些數(shù)據(jù)通常分為紋理特征、形態(tài)特征和語(yǔ)義特征。紋理特征指由一幅圖像導(dǎo)出的特征，通過(guò)各種數(shù)學(xué)方法提供圖像不同灰度級(jí)相對(duì)位置信息，從而量化腫瘤異質(zhì)性[25]；形態(tài)特征指通過(guò)計(jì)算ROI 描述腫瘤特征（常用的有緊密度、三維直徑、球形不均勻度、球形度、表面積、體積等），主要提供腫瘤三維大小和形狀等相關(guān)信息，并不涉及腫瘤異質(zhì)性；語(yǔ)義特征指常用于描述ROI的相關(guān)詞匯，如尺寸、形狀、位置、血管分布、毛刺和壞死等[21-22]。

完成對(duì)影像學(xué)特征數(shù)據(jù)提取后，這些數(shù)據(jù)將會(huì)編譯至一安全、可發(fā)掘的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由高通量微陣列分析獲得，并與基因組學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)分析建立影像學(xué)特征與基因組數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)間對(duì)應(yīng)，進(jìn)而建立影像基因組學(xué)模型。應(yīng)用該模型預(yù)測(cè)特定圖像信息的基因表達(dá)譜，進(jìn)而對(duì)患者進(jìn)行危險(xiǎn)分層，制定個(gè)體化治療方案，預(yù)測(cè)治療反應(yīng)。

3 影像基因組學(xué)在HCC 中的應(yīng)用

目前關(guān)于影像基因組學(xué)在腦膠質(zhì)瘤、肺癌、腎癌等腫瘤中應(yīng)用的報(bào)道較多，但在HCC 中應(yīng)用的報(bào)道仍較少[26-28]。Segal 等[16]2007 年報(bào)道發(fā)現(xiàn)PLC 許多基因表達(dá)譜均與其影像學(xué)特征密切關(guān)聯(lián)，28 個(gè)影像學(xué)特征不同組合可反映出包含細(xì)胞增殖、肝臟合成功能和患者預(yù)后等信息的大部分基因表達(dá)情況；還發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)任意一個(gè)基因表達(dá)變化平均需要3 個(gè)影像學(xué)特征，而任何情況下均不會(huì)需要超過(guò)4 個(gè)影像學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)非侵入影像學(xué)手段反映人類HCC 基因活動(dòng)，使無(wú)創(chuàng)、連續(xù)且快速的分子分析應(yīng)用于個(gè)體化醫(yī)療實(shí)踐。

早前有研究也證實(shí)微血管侵犯（microvascular invasion, MVI）是與HCC 切除或肝移植后早期復(fù)發(fā)有關(guān)的主要危險(xiǎn)因素[29]。目前診斷MVI 主要依靠組織病理學(xué)手段，臨床應(yīng)用較局限[30]。因此，早期針對(duì)HCC 影像基因組學(xué)的研究重點(diǎn)是應(yīng)用影像學(xué)方法檢測(cè)MVI。Segal 等[16]在研究中共發(fā)現(xiàn)91 個(gè)與血管侵犯相關(guān)基因和2 個(gè)關(guān)鍵影像學(xué)特征。此外，研究者們還將腫瘤侵襲能力、基因組數(shù)據(jù)和定性影像特征聯(lián)系在一起[16,31-32]。通過(guò)傳統(tǒng)增強(qiáng)CT 獲取的圖像可反映HCC 基因表達(dá)，影像基因組學(xué)手段應(yīng)用使得腫瘤影像學(xué)特征與其基因表達(dá)形成對(duì)應(yīng)[33]。Banerjee 等[31]提出一基于增強(qiáng)CT 的影像學(xué)標(biāo)記物——影像基因?qū)W靜脈侵犯（radiogenomic venous invasion, RVI），與病理學(xué)MVI 相對(duì)應(yīng)。RVI 影像學(xué)特征主要包括內(nèi)部動(dòng)脈血供、環(huán)形低密度影以及腫瘤與鄰近肝實(shí)質(zhì)過(guò)渡區(qū)域，這些特征在以往研究中被證實(shí)與血管侵犯基因相關(guān)聯(lián)。在該研究中，RVI 可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)病理學(xué)MVI，且術(shù)前增強(qiáng)CT 圖像中出現(xiàn)RVI 與術(shù)后總體生存期較差和早期復(fù)發(fā)密切相關(guān)。

此外，Peng 等[34]通過(guò)采集增強(qiáng)CT 動(dòng)脈期和門(mén)靜脈期圖像特征成功構(gòu)建影像組學(xué)刻線圖，用于術(shù)前預(yù)測(cè)乙型肝炎病毒相關(guān)HCC 是否存在MVI，并在訓(xùn)練集與測(cè)試集中均獲得較高的準(zhǔn)確度。Bakr 等[35]也肯定增強(qiáng)了CT 動(dòng)脈期和門(mén)靜脈期圖像特征在預(yù)測(cè)MVI 中的作用。Zhou 等[36]則通過(guò)增強(qiáng)CT 圖像中提取的影像學(xué)特征建立影像組學(xué)標(biāo)簽，其預(yù)測(cè)HCC 切除術(shù)后早期復(fù)發(fā)的靈敏度、特異度分別為0.794、0.699；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)將這一標(biāo)簽與臨床因素結(jié)合，可顯著提高預(yù)測(cè)的敏感度和特異度。由此可見(jiàn)，增強(qiáng)CT 圖像中提取的特征可作為一種無(wú)創(chuàng)、可重復(fù)的影像學(xué)生物標(biāo)記物用于預(yù)測(cè)MVI 和治療效果，但仍需要大樣本研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 影像基因組學(xué)在HCC 介入治療中的應(yīng)用前景

介入分子影像學(xué)作為分子影像學(xué)的重要分支，在分子影像學(xué)與靶向治療間起到了重要的橋梁作用，有助于實(shí)現(xiàn)疾病精準(zhǔn)靶向和個(gè)體化治療[37]。在此基礎(chǔ)上，影像基因組學(xué)方法構(gòu)建模型可應(yīng)用于HCC 介入治療全過(guò)程，并能發(fā)揮穿刺活檢指導(dǎo)、制定個(gè)體化治療方案、預(yù)測(cè)藥物反應(yīng)，預(yù)測(cè)介入治療效果等重要作用。目前獲取肝內(nèi)病灶組織標(biāo)本的方法主要有手術(shù)切除和穿刺活檢兩種，對(duì)失去手術(shù)切除機(jī)會(huì)患者進(jìn)行腫瘤組織病理和基因檢測(cè)需要對(duì)靶病灶穿刺活檢。傳統(tǒng)穿刺取材策略重點(diǎn)是在腫瘤組織本身而非HCC 生物學(xué)行為。此外，組織取材時(shí)若未充分考慮腫瘤異質(zhì)性，則可能導(dǎo)致病理或基因檢測(cè)結(jié)果無(wú)法全面反映腫瘤細(xì)胞構(gòu)成和基因表達(dá)情況[7]。為了更全面地反映腫瘤生物學(xué)行為，《原發(fā)性肝癌診療規(guī)范（2017 年版）》強(qiáng)調(diào)應(yīng)當(dāng)多點(diǎn)取材[6]。介入醫(yī)師依據(jù)影像基因組學(xué)模型，可以更好地區(qū)分腫瘤內(nèi)不同區(qū)域，并根據(jù)需要對(duì)特定組織選擇性取材，提高診斷陽(yáng)性率。

為了明確藥物反應(yīng)基因表達(dá)程序是否可與影像學(xué)特征相關(guān)聯(lián)，Kuo 等[38]選擇HCC 介入治療中最常用的阿霉素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)腫瘤邊緣相關(guān)影像學(xué)特征與阿霉素反應(yīng)轉(zhuǎn)錄程序、血管侵犯及腫瘤分期密切相關(guān)，較高的腫瘤邊緣評(píng)分提示阿霉素抵抗轉(zhuǎn)錄程序、廣泛血管侵犯及更差的腫瘤分期。

近來(lái)對(duì)HCC 紋理分析的關(guān)注度逐漸增加，有研究者通過(guò)評(píng)估定量影像學(xué)特征預(yù)測(cè)TACE 療效，對(duì)患者進(jìn)行分層管理。早期研究將CT 紋理特征與手術(shù)切除和TACE 治療后生存期相關(guān)聯(lián)。Park 等[39]回顧性分析132 個(gè)HCC 病灶TACE 術(shù)前CT 圖像，發(fā)現(xiàn)CT 圖像可用于預(yù)測(cè)TACE 治療HCC 效果，其中動(dòng)脈期增強(qiáng)更明顯、灰度共生矩陣力矩更高、同質(zhì)性更低、體積更小的腫瘤更易在TACE 術(shù)后獲得完全緩解，并認(rèn)為腫瘤異質(zhì)性增加可反映腫瘤形成過(guò)程中非成對(duì)血管數(shù)量和分布范圍增加。

另一項(xiàng)初步觀察性研究結(jié)果顯示，TACE 術(shù)后病理學(xué)組織壞死與術(shù)前造影所示腫瘤明顯強(qiáng)化和供血血管直徑＞0.9 mm 顯著相關(guān)[40]。還有研究通過(guò)比較TACE 術(shù)前與術(shù)后MRI 發(fā)現(xiàn),術(shù)前MRI 所示更高的表觀彌散系數(shù)（ADC）也與術(shù)后腫瘤完全緩解和部分緩解緊密相關(guān)[41]。除了傳統(tǒng)CT、MR等手段獲取圖像外，有研究者采用術(shù)前18F-氟脫氧葡萄糖（FDG） PET/CT 圖像預(yù)測(cè)接受90Y 栓塞治療后患者生存情況，發(fā)現(xiàn)18F-FDG PET/CT 中獲取的影像組學(xué)標(biāo)簽可作為一獨(dú)立預(yù)測(cè)因素反映接受90Y 栓塞治療患者生存期[42]。這些研究證明影像學(xué)在優(yōu)化患者與治療方法選擇方面，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

影像基因組學(xué)在腫瘤治療中具有可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤狀態(tài)并在時(shí)間與空間上更全面等優(yōu)勢(shì)。目前HCC 基因圖譜已闡明，并可通過(guò)檢測(cè)HCC 基因表達(dá)預(yù)測(cè)療效。影像基因組學(xué)可將HCC 患者影像特征、臨床分期、生物學(xué)因子等進(jìn)行整合，作為一種無(wú)創(chuàng)、方便、廉價(jià)、可定量、可重復(fù)的方法應(yīng)用于臨床上HCC 治療，并成為必然趨勢(shì)。隨著影像基因組學(xué)研究發(fā)展，有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)真正意義上的個(gè)體化治療。