影像基因組學(xué)在肝細(xì)胞癌診療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉斌 楊雪 孫君 李宏軍

肝細(xì)胞癌（hepatocellular carcinoma,HCC）是肝臟最常見的原發(fā)惡性腫瘤，2018 年HCC 新發(fā)病例841 080 例，死亡病例 781 631 例[1]。HCC 的早期診療至關(guān)重要，甲胎蛋白(alpha-fetoprotein,AFP）是輔助診斷的重要實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)，但30%~40%的HCC 病人AFP 呈陰性[2]。盡管MRI 檢查的敏感性和特異性均高于CT 和超聲，但對小肝癌（直徑<2 cm）的診斷效能較低[3]，因此傳統(tǒng)影像檢查已不能滿足臨床需求；而影像組學(xué)挖掘影像中肉眼不可見的龐大數(shù)據(jù)信息，為HCC 的診療提供更多的宏觀信息；基因組學(xué)通過對核苷酸結(jié)構(gòu)和功能的分析在分子和基因?qū)用娼沂灸[瘤發(fā)生機(jī)制，為HCC 的診療提供更多的微觀信息。早期的影像基因組學(xué)是傳統(tǒng)影像特征與基因關(guān)聯(lián)，影像組學(xué)興起之后被擴(kuò)展為形態(tài)學(xué)特征和影像組學(xué)表型與基因關(guān)聯(lián)，影像基因組學(xué)有可能真正實(shí)現(xiàn)宏觀信息和微觀信息的結(jié)合。本文對影像組學(xué)、基因組學(xué)及影像基因組學(xué)在HCC 診療的研究進(jìn)展予以綜述，為HCC 的臨床診療提供新思路。

1 影像組學(xué)及在HCC 診療中的應(yīng)用

影像組學(xué)的概念于2012 年首次被提出，即通過數(shù)字化自動(dòng)化特征算法從圖像中挖掘大量的影像表型特征[4]，而后Kumar 等[5]將概念擴(kuò)展為利用高通量分析從影像中提取大量的表型特征。影像組學(xué)流程主要分為圖像采集和重建、圖像分割和繪制、特征提取和量化、建立共享數(shù)據(jù)庫及個(gè)體化分析數(shù)據(jù)5 步[6]。影像組學(xué)嘗試從基因遺傳、組織形態(tài)、細(xì)胞分子等層次上對大量影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將結(jié)果與臨床數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而利用影像表型對疾病進(jìn)行早期診斷及預(yù)后監(jiān)測[7]。影像組學(xué)表型特征主要包括以下4 個(gè)方面[8]：①強(qiáng)度，反映興趣區(qū)（ROI）內(nèi)像素的統(tǒng)計(jì)信息；②形狀，反映病灶的邊界情況；③邊緣，反映病灶與周圍組織過渡區(qū)域的情況；④紋理，反映病灶ROI 像素強(qiáng)度的空間分布。

HCC 的增強(qiáng)CT 門靜脈期影像中HCC 的小波變換特征與腫瘤切除和經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈化學(xué)栓塞（transcatheter arterial chemoembolization，TACE）術(shù)后的總體生存率相關(guān)，且切除術(shù)后再接受TACE 治療或TACE 術(shù)后再接受切除均可獲得更好的總體生存率[9]。HCC 增強(qiáng)CT 門靜脈期影像中HCC 的紋理特征和小波變換特征分別與TACE 術(shù)后的疾病進(jìn)展時(shí)間和總體生存率相關(guān)，且TACE 術(shù)后聯(lián)合索拉菲尼治療可以獲得更好的預(yù)后[10]。Akai 等[11]研究表明HCC 病人術(shù)前CT 平掃、增強(qiáng)掃描影像中分別有5 個(gè)和3 個(gè)紋理表型與術(shù)后隨訪的無病變進(jìn)展生存期相關(guān)，分別有7 個(gè)和8 個(gè)紋理表型與術(shù)后隨訪的總體生存率相關(guān)，因此利用紋理表型在術(shù)前可為HCC 的治療提供指導(dǎo)，也可以直接評估不可切除HCC 病人的預(yù)后情況。CT 平掃影像中的基于幾何和直方圖的表型特征與HCC 病人的總體生存率相關(guān)，可以根據(jù)ROI 內(nèi)的影像組學(xué)表型確定個(gè)性化的放療方案[12]。目前臨床評估腫瘤異質(zhì)性主要根據(jù)腫瘤的形態(tài)學(xué)特征主觀分析或利用肝臟影像報(bào)告與數(shù)據(jù)系統(tǒng)（the liver imaging reporting and data system,LI-RADS）對腫瘤進(jìn)行半定量分析，這種方法不僅耗時(shí)，而且結(jié)果易受醫(yī)生主觀因素的影響；而影像組學(xué)可以利用數(shù)學(xué)上定義的定量特征量化腫瘤的形態(tài)學(xué)特征，通過計(jì)算機(jī)評估腫瘤的異質(zhì)性，從而建立與臨床或生物學(xué)特征的相關(guān)性。

通過HCC 于MRI T2WI 上的5 個(gè)紋理表型預(yù)測TACE 術(shù)后短期療效的敏感度和特異度分別為83.7%和69%，受試者操作特征曲線下面積（AUC）為 0.812（95%CI：0.722~0.901）[13]。多模態(tài) MRI 可以為HCC 的診療提供更多的信息，釓塞酸二鈉MR 增強(qiáng)掃描肝膽期腫瘤周圍低信號(hào)提示肝癌微血管浸潤（microvascular invasion,MVI） 陽性，特異度達(dá)93.2%[14]。MR 增強(qiáng)掃描動(dòng)脈期影像的“平均強(qiáng)度”和“灰度級游程不均勻度”是反映HCC 侵襲性的重要指標(biāo)，術(shù)前可以對HCC 病灶進(jìn)行分級[15]。雖然MRI為HCC 診療提供的信息更豐富，但其影像參數(shù)很難標(biāo)準(zhǔn)化，主要是因?yàn)镸R 采集參數(shù)較多、不同機(jī)型之間差異較大以及容易受偽影的干擾等，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤參數(shù)的可重復(fù)性差，因此基于MRI 的HCC影像組學(xué)研究遠(yuǎn)不及基于CT 的影像組學(xué)臨床應(yīng)用廣泛。

2 基因組學(xué)及在HCC 診療中的應(yīng)用

1986 年基因組學(xué)的概念首次被提出，即對所有基因進(jìn)行做圖、定位、核苷酸序列分析和功能分析，從而獲取一個(gè)生物體所有遺傳信息[16]。

HCC 發(fā)生的根本原因在于基因表達(dá)發(fā)生了異常，基因分析可以早期發(fā)現(xiàn)異常變化的基因。有研究[17]已經(jīng)對數(shù)千例HCC 病例進(jìn)行了基因測序，并且已經(jīng)找到了幾類高頻驅(qū)動(dòng)基因，主要包括β 連環(huán)蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)基因、細(xì)胞周期信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)基因、細(xì)胞外調(diào)節(jié)通路相關(guān)基因、端粒逆轉(zhuǎn)錄酶和端粒維持相關(guān)基因、染色質(zhì)調(diào)節(jié)相關(guān)基因以及一些少見驅(qū)動(dòng)基因，例如肝代謝相關(guān)基因、感染相關(guān)基因及氧化性應(yīng)激相關(guān)基因等。HCC 發(fā)生基因突變主要受結(jié)構(gòu)變異、基因融合、拷貝數(shù)變化以及病毒融合等因素的影響，突變特征主要包括表型1、4、16、22 和 24，它們分別與細(xì)胞衰老、吸煙、飲酒、馬兜鈴酸和毒素相關(guān)[18]。綜上，基因組學(xué)可以在微觀層面解釋HCC 的發(fā)生發(fā)展過程。

Omar 等[19]對乙肝相關(guān)HCC 的核糖核酸進(jìn)行微陣列分析、多重聚合酶鏈反應(yīng)的驗(yàn)證和單因素分析，結(jié)果顯示由人去唾液酸糖蛋白受體2、微型染色體維持蛋白7、脯氨酸絲氨酸蘇氨酸性磷酸酶結(jié)合蛋白1、胞裂蛋白2、凝聚蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)RNA 異戊基轉(zhuǎn)移酶1 基因組成的模型預(yù)測乙肝相關(guān)早期HCC 的敏感度、特異度分別達(dá)70%和92%。血管內(nèi)皮生長因子 A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）是HCC 的一個(gè)潛在靶標(biāo)，使用索拉菲尼治療VEGFA 擴(kuò)增的HCC 病人生存率顯著提高，染色體6p21 的VEGFA 基因和染色體11q13 的周期蛋白D1 基因，以及成纖維細(xì)胞生長因子2、4、19 基因可預(yù)測索拉菲尼應(yīng)答情況[20]。有文獻(xiàn)[21]報(bào)道至少有28%的HCC 病人，其病變可以用美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的藥物靶向治療，86%病人的HCC突變是Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)藥物可治療的；以人表皮生長因子受體、肝細(xì)胞生長因子受體、原癌基因絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶或原癌基因人類表皮生長因子受體2 擴(kuò)增為靶標(biāo)的激酶抑制劑對20%~30%的HCC 病人可能有效[22]，阿拉西替尼對出現(xiàn)極光激酶A 擴(kuò)增的HCC 可能有效[23]。目前，基因組學(xué)在HCC的應(yīng)用大多處于研究或待驗(yàn)證階段，尚有很大的探索空間。

3 影像基因組學(xué)及在HCC 診療中的應(yīng)用

2003 年歐洲放射治療與腫瘤學(xué)會(huì)上首次提出影像基因組學(xué)[24]的概念，即將病灶的影像特征和基因關(guān)聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)對疾病的危險(xiǎn)分層、早期診斷、選擇最佳治療方法以及對病變療效和預(yù)后進(jìn)行評估。影像組學(xué)興起之后，影像組學(xué)表型亦被納入影像特征內(nèi)，主要步驟包括：①獲取原始圖像并識(shí)別病灶ROI；②對ROI 內(nèi)病灶進(jìn)行分割；③提取傳統(tǒng)影像特征；④將影像特征與基因組學(xué)關(guān)聯(lián)建立模型；⑤將模型用于臨床疾病的無創(chuàng)精準(zhǔn)診療[25]。

Segal 等[26]于 2007 年首次提出 HCC 基因表達(dá)異常與CT 增強(qiáng)影像特征相關(guān)的假設(shè)，研究結(jié)果表明28 個(gè)CT 影像特征可以準(zhǔn)確預(yù)測78%的基因表達(dá)譜?；贑T 增強(qiáng)掃描和MVI 相關(guān)基因構(gòu)建的影像基因組學(xué)生物標(biāo)志物術(shù)前預(yù)測HCC MVI 的準(zhǔn)確度、敏感度和特異度分別達(dá)89%、76%和94%，生存分析顯示影像基因組學(xué)生物標(biāo)志物陽性的病人總體生存率更低，3 年復(fù)發(fā)率更高[27]。CT 影像上HCC病灶邊緣評分高提示阿霉素抵抗相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，阿霉素治療的抵抗增強(qiáng)[28]。HCC 在 CT 或 MRI 影像上表現(xiàn)為腫瘤浸潤、馬賽克征及大血管侵犯提示肝癌的侵襲性基因表達(dá)[29]。HCC 病人在接受MRI 檢查時(shí)擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）上高對比噪聲比、表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）圖的高ADC 值、肝膽期影像的低對比噪聲比和高強(qiáng)化率提示HCC 出現(xiàn)β 連環(huán)蛋白基因突變，腫瘤分化程度較高[30]?；贑T 增強(qiáng)影像特征的模型可以預(yù)測HCC 病人載脂蛋白B、膠原蛋白Ⅺα1 和X 連鎖的核蛋白基因發(fā)生突變的情況，準(zhǔn)確度分別達(dá)76.7%、71.7%和76.5%[31]。LI-RADS 影像特征與等位基因失衡的比例呈正相關(guān)，LI-RADS 分級越高，等位基因失衡的比例越高[32]。綜上，影像組學(xué)表型特征與HCC 的生物學(xué)特征密切相關(guān)，利用影像表型特征無創(chuàng)重復(fù)解碼HCC 的基因異常是有可能實(shí)現(xiàn)的。

4 小結(jié)與展望

盡管利用影像組學(xué)對HCC 診療已有大量研究報(bào)道，但其仍屬新興領(lǐng)域，尚存在許多不足，主要包括以下4 方面：①研究缺乏前瞻性設(shè)計(jì)；②研究缺乏驗(yàn)證；③無法實(shí)現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的開放訪問；④缺乏成本效益的分析。然而，早期影像組學(xué)的不斷探索表明影像組學(xué)在HCC 的應(yīng)用是世界關(guān)注的熱點(diǎn)，而且為將來以HCC 為中心的影像組學(xué)進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。在精準(zhǔn)醫(yī)療的大背景下，分子病理領(lǐng)域發(fā)展迅速，鑒定腫瘤基因組成的需求逐漸增加，傳統(tǒng)放射學(xué)已經(jīng)無法滿足臨床需求，因此影像基因組學(xué)是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向。隨著研究樣本量的不斷積累以及人工智能網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，將來影像組學(xué)有可能為醫(yī)生對病人實(shí)施個(gè)性化治療提供幫助，替代活檢或作為其重要的補(bǔ)充手段，開發(fā)新的預(yù)后生物學(xué)標(biāo)記。