影像組學(xué)在非小細(xì)胞肺癌基因突變中的應(yīng)用進(jìn)展

馮穎慧 綜述 陳曉東，羅澤斌，羅樹存 審校

廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院放射科，廣東 湛江 524000

原發(fā)性肺癌是導(dǎo)致全球癌癥相關(guān)死亡的最主要原因，其發(fā)病機(jī)制至今尚不明確，但與吸煙、環(huán)境污染、職業(yè)接觸、遺傳易感性及既往慢性肺部疾病等危險因素有關(guān)。我國的肺癌死亡率較高，在2015 年至2030年期間或?qū)⒃黾蛹s40%[1]。以肺癌患者的臨床信息為基礎(chǔ)，為其量身定制醫(yī)療方案，對提高其生活質(zhì)量及延長其生存時間具有重要意義。隨著肺癌驅(qū)動基因?qū)W的發(fā)展，人們逐步發(fā)現(xiàn)基因?qū)用娴母淖冊诜伟┑陌l(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，這為疾病的治療提供了潛在靶點[2]。

1 非小細(xì)胞肺癌常見的基因突變與分子靶向治療

非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)中肺腺癌是最常見的組織亞型，所占的比例在50%以上，根據(jù)其相關(guān)驅(qū)動基因突變可進(jìn)一步細(xì)分成更多的亞群。目前最常研究的肺腺癌驅(qū)動基因包括表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)、間變性淋巴瘤激酶(anaplastic lymphoma kinase，ALK)和鼠類肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viraloncogene，KARS)等[3]。

分子靶向治療是NSCLC 治療中最熱門、最有前途的領(lǐng)域之一，它通過利用腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞間分子生物學(xué)上的差異，作用于腫瘤細(xì)胞的特定靶點，使腫瘤細(xì)胞死亡。由于并不損害腫瘤周圍的正常組織細(xì)胞，分子靶向治療比傳統(tǒng)化療具有更高的選擇性及更小的不良反應(yīng)，對患者病情緩解效率高，耐受性好，改善預(yù)后明顯。

隨著個體化治療的發(fā)展，EGFR 已成為眾多研究中的焦點，一些分子生物標(biāo)志物已被研究為對非小細(xì)胞肺癌對EGFR酪氨酸激酶抑制劑(TKIs)反應(yīng)的潛在預(yù)測因子(如EGFR 表達(dá)、EGFR 基因復(fù)制增益和EGFR 突變)。如今EGFR-TKI 已被廣泛用作EGFR 基因突變型NSCLC的一、二線或輔助治療藥物。EGFR突變最常見于18～21外顯子，在亞裔人群中NSCLC患者的19外顯子缺失及21外顯子L858R位點突變分別占EGFR突變總數(shù)的40%～50%及39%～48%，這兩種最常見的突變類型及所占比例較少的18 外顯子突變(約4%)對EGFR-TKI 治療敏感，常用藥物主要有一代藥吉非替尼及二代藥阿法替尼，而20 外顯子T790M 基因突變會出現(xiàn)耐藥反應(yīng)。在T790M 陽性患者中，EGFR-TKI 三代藥奧希替尼在隨機(jī)臨床試驗中已顯示出優(yōu)于鉑雙重化療和第一代EGFR-TKI 的優(yōu)勢，對突變型EGFR受體和藥代動力學(xué)的體外選擇性增強(qiáng)。但野生型肺癌病灶對上述藥物極不敏感，因此治療以化療為主。ALK基因突變作為NSCLC基因突變中較為常見的另一種類型，克唑替尼是其最為常用的抑制劑。EGFR 和ALK 酪氨酸激酶抑制劑在EGFR 突變和ALK 融合患者中的成功應(yīng)用，將晚期NSCLC 引入了靶向治療的時代[4]。

KRAS 基因是NSCLC 中除EGFR 基因之外的最常見的驅(qū)動基因，但目前并沒有針對晚期NSCLC 中KRAS 基因突變的藥物，因此難以通過靶向治療及標(biāo)準(zhǔn)化療來取得預(yù)期療效。目前針對KRAS突變患者的治療主要還是干擾下游通路重要調(diào)控因子來阻止腫瘤細(xì)胞的生長。近年來，NSCLC的基因組研究發(fā)現(xiàn)了其他潛在的治療靶點，,包括RET 融合、MET 擴(kuò)增、ROS1 重 排、以 及HER2、PIK3CA、BRAF、ERBB2、NRAS、KIT 突變等，這揭示了肺癌的遺傳異質(zhì)性和復(fù)雜性，提示攜帶這些致癌驅(qū)動因子的NSCLC 可成為其他適應(yīng)證或臨床開發(fā)藥物的靶點，具有潛在的臨床治療意義。

2 非小細(xì)胞肺癌基因突變的檢測手段

針對特定致癌基因驅(qū)動突變的靶向治療已成為治療肺癌患者的關(guān)鍵因素。對于臨床診治過程而言，至關(guān)重要的是要準(zhǔn)確識別出具有某些特定基因改變的腫瘤，以使患者能夠獲得最佳治療效果。當(dāng)懷疑患有惡性腫瘤的患者接受活檢后，治療計劃將主要取決于兩個特征：惡性腫瘤的組織學(xué)亞型和分子分析或與惡性腫瘤相關(guān)的基因突變。無論性別、種族、吸煙史或臨床危險因素，常規(guī)檢測EGFR 突變是有腺癌組織學(xué)的NSCLC 的標(biāo)準(zhǔn)做法。EGFR 突變檢測是以DNA為基礎(chǔ)的，可以對從診斷活檢、手術(shù)切除甚至細(xì)胞學(xué)標(biāo)本中獲得的組織進(jìn)行檢測。熒光原位雜交(FISH)測定法及免疫組織化學(xué)方法(immunohistochemistry，IHC)可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地提供具有臨床意義的結(jié)果，所以常作為補(bǔ)充試驗參與基因檢測。實時PCR分析和下一代測序(nextgeneration sequencing，NGS)等非原位檢測方法使基因組測序變得更加便宜和快捷，且其檢測效果良好，也是十分重要的檢測手段。此外，侵入性較低的液體活檢技術(shù)也是近年來肺癌基因檢測的研究熱點之一，主要涵蓋了外周血液中循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell，CTC)及循環(huán)腫瘤ctDNA等基因檢測方法[4，6-10]。

除上述常用的實驗室檢查方法之外，影像組學(xué)和液體活檢具有相似的優(yōu)勢，作為一種微創(chuàng)的“測試”，可以很容易獲得，并且具有可重復(fù)性及廉價性等優(yōu)點，能夠提取關(guān)于腫瘤類型的有價值的早期信息，幫助確定腫瘤的侵襲性，以預(yù)測進(jìn)展和復(fù)發(fā)，亦可以對某些肺癌驅(qū)動基因進(jìn)行評價。進(jìn)行多手段的基因突變檢測可以更好的指導(dǎo)臨床應(yīng)用靶向藥物，對肺癌的個體化治療具有重要的參考價值，從而導(dǎo)向更加明智的醫(yī)療決策。

3 影像組學(xué)概述

臨床數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和數(shù)量的增長以及相關(guān)的腫瘤決策過程促進(jìn)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的出現(xiàn)，但傳統(tǒng)的影像醫(yī)學(xué)模式是基于形態(tài)學(xué)診斷的，不能提供精準(zhǔn)醫(yī)療所需要的分子和基因水平的生物學(xué)信息。作為一個蓬勃發(fā)展中的領(lǐng)域，“影像組學(xué)”其含義是對通過CT、MR、PET 等影像手段中獲得的海量圖像進(jìn)行特征性的挖掘，用于預(yù)測惡性腫瘤、組織學(xué)亞型、基因表達(dá)和治療及預(yù)后，為精準(zhǔn)影像醫(yī)學(xué)診斷鋪墊基石，為建立精準(zhǔn)醫(yī)療體系建立橋梁，這在癌癥研究中變得越來越重要。傳統(tǒng)影像學(xué)通過主觀視覺進(jìn)行解釋評估，其優(yōu)點是形象、直觀，但影像組學(xué)特征可以對病變和器官異質(zhì)性進(jìn)行更為客觀的評估，并且可以更詳細(xì)地反映有關(guān)組織微環(huán)境的信息。實際應(yīng)用中放射組具體操作流程主要包括：①高質(zhì)量圖像的獲取及重建：非小細(xì)胞肺癌的影像組學(xué)特征的可變性與不同CT掃描的圖像有關(guān)，為獲取高質(zhì)量、符合標(biāo)準(zhǔn)的CT 影像，應(yīng)制定好入組標(biāo)準(zhǔn)，確保入組數(shù)據(jù)需要具有相同或相似的采集參數(shù)。②圖像分割：在圖像處理領(lǐng)域，通過感興趣區(qū)域(ROI)來確定腫瘤區(qū)域以便進(jìn)一步處理。目前圖像分割方法包括：人工手動分割、半自動分割以及自動分割，不同方法各有其特點。人工手動分割目前最常應(yīng)用，由影像醫(yī)師進(jìn)行勾畫，特點是精度高，但主觀性強(qiáng)，效率低下，而半自動或自動分割可提高數(shù)據(jù)的獲取效率，重復(fù)性高，但在距離鄰近結(jié)構(gòu)(例如肺門，胸膜或鄰近血管)較近的病灶可能很復(fù)雜，可能需要手動繪制病灶輪廓以進(jìn)行準(zhǔn)確的分割。③特征提取及降維：影像特征的提取是影像組學(xué)分析的核心步驟，其中主要影像學(xué)特征包括強(qiáng)度、形狀、紋理、小波。高維度特征信息冗雜，需通過降維來獲取少數(shù)真正關(guān)鍵的特征。④模型構(gòu)建及分析：運用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式將篩選出來的組學(xué)特征建立分類或預(yù)測模型。為了確保臨床適用性，使用具有經(jīng)過驗證的臨床結(jié)果的病例來訓(xùn)練模型，并對其進(jìn)行測試和驗證以評估臨床應(yīng)用是至關(guān)重要的。

4 影像組學(xué)在非小細(xì)胞肺癌診療中的作用

4.1 影像組學(xué)與非小細(xì)胞肺癌基因突變的狀態(tài)評估 影像組學(xué)具有定量預(yù)測肺癌基因突變的潛力，目前以探究肺腺癌EGFR 突變狀態(tài)與CT 圖像紋理特征間相關(guān)性的研究較多。YU等[11]使用已建立的預(yù)測模型鑒別EGFR突變型和野生型肺癌的敏感性和特異性，在驗證組的EGFR 突變型和EGFR 野生型肺癌的鑒別診斷中分別具有0.803、0.867 和0.778 的準(zhǔn)確性、敏感性和特異性，在區(qū)分EGFR 突變型和野生型肺癌上取得良好鑒別信息。LI 等[12]從312 例NSCLC 患者的計算機(jī)斷層掃描圖像中提取580個放射學(xué)特征以預(yù)測EGFR 亞型19Del 和L858R，獲 得EGFR 19Del 和L858R聯(lián)合模型的接收器工作特性曲線下的各個區(qū)域分別為0.793 和0.775，提示表皮生長因子受體19Del和L858R有著獨特的成像表型，證明影像組學(xué)可用于EGFR 突變亞型的預(yù)測。此外，LI 等[13]指出基于PET和CT放射學(xué)特征的影像組學(xué)特征在區(qū)分表皮生長因子受體突變型和野生型表皮生長因子受體病例方面優(yōu)于單個影像學(xué)特征、基于PET 或CT 影像學(xué)特征和常規(guī)PET 參數(shù)，包括最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值(SUVmax)、SUV均值、SUV 峰、代謝腫瘤體積(Mtv)和總病變糖酵解(Tlg)，區(qū)分EGFR突變。

因此，結(jié)合了影像組學(xué)特征和臨床因素，能更好地提高對NSCLC 患者EGFR 突變分化的診斷效能。除EGFR 基因外，影像組學(xué)特征也可用于預(yù)測及鑒別某些基因突變表型。SHIRI 等[14]從150 例NSCLC 患者中發(fā)現(xiàn)影像組學(xué)特征具有預(yù)測和鑒別EGFR 及KARS 基因突變的潛力。有部分學(xué)者認(rèn)為傳統(tǒng)CT 影像學(xué)征象有助于預(yù)測晚期肺腺癌中是否存在EGFR突變，但各項相關(guān)研究結(jié)果不一。結(jié)合紋理分析有望更好地實現(xiàn)影像表型與分子表型的結(jié)合，結(jié)合影像組學(xué)特征與定性語義特征(空洞形成、分葉等)更有助于預(yù)測EGFR 基因突變，且隨著腫瘤定量紋理特征的增加，定性語義特征的預(yù)測價值也隨之增加。在患者無法耐受手術(shù)或進(jìn)行活檢的情況下，基于CT 圖像的影像組學(xué)能更好地反映體內(nèi)肺癌病灶的整體特征，使非侵入性評估腫瘤異質(zhì)性成為可能。多特征的影像組學(xué)標(biāo)記將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高維定量數(shù)據(jù)，而多層次數(shù)據(jù)與精細(xì)化決策的整合可協(xié)助病理學(xué)家和腫瘤學(xué)家實現(xiàn)NSCLC 在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的精確診斷和治療。

4.2 影像組學(xué)與非小細(xì)胞肺癌靶向治療的療效評估 當(dāng)前評估腫瘤反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是基于對實體腫瘤標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)評估(RECIST)，但該標(biāo)準(zhǔn)在準(zhǔn)確監(jiān)測治療反應(yīng)方面的能力具有一定的局限性，而影像組學(xué)通過捕捉大量的腫瘤特征，能更好地展示腫瘤的發(fā)展和治療效果。AERTS等[15]在吉非替尼治療之前和治療后3周對47 例早期NSCLC 患者進(jìn)行了評估，認(rèn)為影像組學(xué)可以識別出對吉非替尼有反應(yīng)的表型。楊春生等[16]發(fā)現(xiàn)不同時相的CT掃描影像組學(xué)特征均可預(yù)測肺腺癌EGFR 突變狀態(tài)、篩選EGFR-TKIs 治療優(yōu)勢人群。以上均說明影像學(xué)方法在治療方案實施前能夠提供給更多有效信息，基于個體患者特征的預(yù)后模型可以改善未來的治療決策和結(jié)果。此外，PET 也可用于評估靶向治療的早期反應(yīng)，特別是在酪氨酸激酶抑制劑使用后病灶的變化情況[17]。在60 例接受新輔助藥物EGFR受體抑制劑厄洛替尼治療的NSCLC患者中，治療3 周后的FDG/PET 顯像被證明與評估組織病理學(xué)反應(yīng)有關(guān)，SUVmax 的顯著降低與良好的組織病理學(xué)反應(yīng)有關(guān)。在同一時間點，CT圖像上腫瘤大小的相對變化并不是一個顯著的預(yù)測因子，但FDG/PET-CT 成像的SUV 強(qiáng)度可能比腫瘤體積的縮小更快地作出反應(yīng)。如果在EGFR-TKI治療的最初幾周內(nèi)沒有發(fā)生代謝反應(yīng)，患者可以避免繼續(xù)使用療效差且副作用較大的藥物。因此進(jìn)一步完善FDG-PET/CT反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可以指導(dǎo)臨床是否要對患者繼續(xù)進(jìn)行靶向治療及后續(xù)觀察，以為患者尋求個性化和精確的治療選擇。50%檢測出EGFR 突變的NSCLC 患者在使用第一代及第二代EGFR-TKI治療后9～13個月內(nèi)出現(xiàn)耐藥性，因此在靶向藥物治療過程中需要對腫瘤進(jìn)行基因檢測分析以發(fā)現(xiàn)耐藥突變位點，從而調(diào)整治療方案，這就要求NSCLC 患者在進(jìn)行靶向治療過程中需再次獲取基因檢測分型，以尋找明確獲得性耐藥突變位點，對其NSCLC患者的基因表型進(jìn)行二次檢測，可能會找到新的藥物靶點，從而指導(dǎo)患者用藥，且有益于深入對耐藥機(jī)制的研究[18-22]。

4.3 影像組學(xué)與非小細(xì)胞肺癌的預(yù)后、復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移評估 評估腫瘤的預(yù)后、復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移需要常規(guī)隨訪和影像學(xué)檢查[23-26]。影像組學(xué)領(lǐng)域一直致力于預(yù)測腫瘤的預(yù)后和療效的預(yù)處理特征的準(zhǔn)確性，以及早期發(fā)現(xiàn)腫瘤反應(yīng)、復(fù)發(fā)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、放射性肺損傷、死亡和其他預(yù)后情況。捕獲腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的預(yù)后影像學(xué)特征與潛在的基因表達(dá)模式有關(guān)，結(jié)合紋理分析有助于在隨訪過程中早期發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。PHILLIPS等[27-28]從98例接受根治性放療的Ⅰ～Ⅲ期NSCLC患者中，從治療前的600 多個特征中選擇了15 個最具預(yù)測性的紋理特征，將遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險分為高風(fēng)險和低風(fēng)險，CI 為0.62，這提示使用簡單的影像組學(xué)特征能夠預(yù)測遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險。在類似的研究中，從接受放化療的III期患者的大體腫瘤總體積中提取紋理特征，最后根據(jù)傳統(tǒng)的預(yù)后因素(如腫瘤分期)及紋理特征可將患者分為高風(fēng)險和低風(fēng)險兩組，其總體生存率和局部控制率的CI分別為0.89和0.91。XU等[29]從治療前的胸部CT 所捕獲的影像學(xué)特征，可應(yīng)用于預(yù)測Ⅲ/Ⅳ期ALK 陽性非小細(xì)胞肺癌患者的腦轉(zhuǎn)移；ZHONG 等[30]構(gòu)建了一個基于患者治療前的胸部CT 平掃模型以預(yù)測肺腺癌隱匿性淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，其研究表明影像組學(xué)特征模型的預(yù)測效能優(yōu)于臨床病理信息模型；CHEREZOV 等[31]基于腫瘤異質(zhì)性的概念，提出了一種利用紋理特征揭示腫瘤生存環(huán)境的方法，異質(zhì)性程度有助于識別腫瘤的惡性程度和侵襲性，這些結(jié)果顯示，在肺癌患者中區(qū)分長期和短期生存率的AUC 為0.9，準(zhǔn)確率為85%。GANESHAN 等[32]發(fā)現(xiàn)NSCLC 的腫瘤異質(zhì)性可以通過平掃CT 掃描的紋理分析來評估，并且有可能為NSCLC 患者提供一個獨立的生存預(yù)測因子；在其另一項研究中，紋理參數(shù)確定了相關(guān)的聯(lián)系，并證明了這些參數(shù)可作為腫瘤缺氧和血管生成的影像學(xué)相關(guān)因素。VAN DJJK 等[33]通過收集124 例ⅠA～ⅡB 期NSCLC 患者的術(shù)前資料，利用影像學(xué)特征(RS)和臨床病理數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型，最后得出腫瘤和癌周RS 聯(lián)合TNM 分期系統(tǒng)對非小細(xì)胞肺癌患者個體化復(fù)發(fā)風(fēng)險的估計優(yōu)于單獨TNM 分期。大量研究表明紋理分析參數(shù)與傳統(tǒng)預(yù)測因子(包括TNM 分期、AJCC 分期、年齡、性別、組織學(xué)、并發(fā)癥和體能狀況)相結(jié)合有助于提高預(yù)后模型的準(zhǔn)確性[34-40]。

5 問題與展望

雖然當(dāng)前影像組學(xué)在NSCLC 的診療中已取得重大進(jìn)展，但在臨床實踐中仍處于初步探索階段，仍存在許多問題亟待解決：(1)獲取圖像的局限性。當(dāng)前，在不同機(jī)器設(shè)備之間缺乏針對胸部CT 采集圖像和采集后處理的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，不同參數(shù)設(shè)置、掃描序列所獲取的影像特征存在差異性，可能導(dǎo)致處理結(jié)果的偏差，因此在影像組學(xué)研究中，對圖像采集及重建要更為嚴(yán)格規(guī)范；(2)樣本量的局限性。構(gòu)建模型的普遍性和預(yù)測性能需要大量的、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，基于相對較小的數(shù)據(jù)集會增加I 型錯誤的可能性，通過跨區(qū)域、多所醫(yī)院的數(shù)據(jù)共享建立大型影像組學(xué)數(shù)據(jù)庫以獲取更多有效數(shù)據(jù)或是一個良好的解決方案；(3)病例入組的局限性。入組的非小細(xì)胞肺癌病例主要選擇邊界較清晰的實性病灶，因此含實性成分較少或呈純磨玻璃密度的病灶、帶有空洞的病灶未能得到紋理提取與分析勾畫，與縱隔胸膜分界不清、或合并肺葉實變不張、被大量胸水掩蓋的病灶亦無法提取有效影像信息，因此需要精度更高的圖像分割算法。盡管如今仍有許多問題無法避免，需要妥善處理，但影像組學(xué)仍是實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的重要戰(zhàn)略，通過解決上述問題，影像組學(xué)在臨床上的應(yīng)用將更為廣泛。