多模態(tài)MRI評估宮頸癌缺氧及缺氧治療的研究進展

段志青，方少伯，王紹武*

宮頸癌是女性生殖系統(tǒng)的惡性腫瘤，發(fā)病率呈上升趨勢且發(fā)病趨于低齡化，嚴重威脅女性的健康和生命[1]。缺氧是許多惡性腫瘤的共同特征，在評估宮頸癌等多種腫瘤的生長、侵襲和轉移中發(fā)揮重要作用[2-3]。缺氧使腫瘤細胞對常規(guī)的放化療具有抵抗力，增加腫瘤治療失敗的風險[4]。由于缺氧機制的復雜性及其重要的臨床意義，如何評估宮頸癌病人的腫瘤缺氧一直是科學研究的熱門話題。

目前宮頸癌缺氧狀態(tài)的評估方法包括：①有創(chuàng)方法，包括使用極譜電極法直接測量組織氧分壓（pO2）[5]、病理組織檢查方法測定內(nèi)源性缺氧相關蛋白或基因標志物（缺氧誘導因子、碳酸酐酶9、葡萄糖轉運蛋白1、骨橋蛋白、乳酸脫氫酶A等）[6]和外源性標志物（哌莫硝唑、EF5等）[5]、電子順磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR）技術[7]；②無創(chuàng)方法，包括PET及MRI等。

由于MRI具有無創(chuàng)性、高軟組織分辨力與可重復測量的優(yōu)勢，在反映宮頸癌病人腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)方面取得了一定進展。通過MRI進行的缺氧成像集中在幾個間接的多模態(tài)成像技術上，包括基于血氧水平依賴MRI（blood oxygenation level-dependent MRI,BOLD-MRI）、組織氧水平依賴MRI（tissue oxygen level dependent MRI，TOLD-MRI）、動態(tài)對比增 強MRI（dynamic contrast enhanced MRI，DCEMRI）、擴散加權成像（DWI）。這些技術雖然不能直接反映腫瘤缺氧狀態(tài)，但分別與血液氧分壓、細胞間質氧分壓、血流灌注、水分子擴散相關，均有助于揭示缺氧對宮頸癌影響的病理機制。本文對多模態(tài)MRI反映宮頸癌腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)及評估宮頸癌缺氧治療的療效和預后的研究進展予以綜述。

1 缺氧對宮頸癌的影響和臨床治療價值

在宮頸癌組織中，由于微循環(huán)紊亂和缺陷，導致氧氣供應與代謝需求不相匹配，其結果是一個相對無血管的缺氧微環(huán)境[8]。缺氧可以導致腫瘤組織發(fā)生雙向的變化。一方面，由于腫瘤血管系統(tǒng)紊亂、不規(guī)則，在運輸氧氣和其他營養(yǎng)物質方面效率較低，導致細胞的凋亡或壞死[5]；另一方面，輕度缺氧狀態(tài)能促進腫瘤細胞發(fā)生對環(huán)境的適應性反應，通過調(diào)控多種下游靶基因的表達，促進腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[9]。目前，已知的調(diào)節(jié)因子包括缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）、碳酸酐酶9、血管內(nèi)皮生長因子、P53蛋白、促紅細胞生成素和血小板源性生長因子-β等。其中HIF是一種轉錄因子，最受研究者關注。在腫瘤細胞中，HIF誘導能量代謝的變化，并阻止缺氧誘導的細胞壞死[10]。

缺氧是宮頸癌的一個熟知的特征，也是一個既定的治療靶點?，F(xiàn)已有多種策略靶向宮頸癌缺氧，包括增加腫瘤內(nèi)氧氣輸送（如輸血和注射促紅細胞生成素）、減少腫瘤的氧耗（如雙胍類藥物）、應用缺氧特異性放射增敏劑和細胞毒素、熱療以改善腫瘤內(nèi)微循環(huán)與氧合[4]。測量和靶向宮頸癌組織缺氧是未來研究的重要領域。

2 多模態(tài)MRI有助于反映宮頸癌病人腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)

2.1 BOLD-MRI T2*弛豫時間是指由自旋-自旋弛豫和磁場不均勻性共同引起的橫向磁化矢量衰減的特征時間，是磁化率加權成像、灌注MRI和功能MRI等許多MR成像技術應用的基礎，可以用于反映病變和組織中的順磁性脫氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白或含鐵血黃素[11]。

BOLD成像定量參數(shù)T2*及R2*可以用于表征宮頸癌的缺氧狀態(tài)。由于BOLD序列對血管內(nèi)及灌注血管周圍的pO2非常敏感，在局部耗氧量增加時，順磁性脫氧血紅蛋白隨之增加，引起局部磁場不均勻，使組織的T2*減小或R2*（1/T2*）值增加，即在T2WI上的組織信號強度減低[12]。使用高濃度氧，如碳源氣體（95%O2/5%CO2）或100%氧氣作為高氧對比劑進行BOLD成像得出的T2*變化（ΔT2*）既可以增大缺氧信號對比，又可以反映組織對氧含量變化的敏感度。Hallac等[13]研究了宮頸癌病人使用高氧氣體進行BOLD檢查的可行性，共9例病人在吸入氧氣之前和期間分別進行了BOLD-MRI檢查，結果發(fā)現(xiàn)腫瘤中BOLD信號強度出現(xiàn)變化，且隨著高氧氣體的吸入，R2*不同程度地增加。近些年來其他基于T2*成像的序列也被證明可以反映宮頸癌缺氧狀態(tài)，如Zhang等[14]研究中分析54例宮頸癌病人R2*mapping定量指標R2*，并對切除的腫瘤進行免疫組化染色，結果顯示HIF-1α表達與R2*呈中度相關，由此可見功能MRI序列參數(shù)R2*可以提供腫瘤缺氧情況信息。

2.2 TOLD-MRI未配對電子可賦予物質適度的縱向弛豫時間（T1），但對于未加干預的組織，氧分子濃度較小，無法僅從T1中識別出缺氧腫瘤。當組織攝入氧氣，一部分氧氣用于滿足局部線粒體的氧供需求，其余過量的氧氣溶解在血漿和組織液中，會導致R1（1/T1）值的明顯增加，此變化與腫瘤組織氧合水平直接相關。這種技術即TOLD-MRI，又稱為氧增強MRI[15]。與評估血氧的BOLD-MRI不同，TOLDMRI用于評估組織氧合。對于腫瘤組織，由于其血管不成熟，因此與BOLD信號相比，TOLD信號可能在反映腫瘤缺氧狀態(tài)中更有價值[16]。O’Connor等[17]對2例宮頸癌和8例其他腹部癌癥病人進行TOLD-MRI研究，對比病人吸氧前后，結果發(fā)現(xiàn)2例宮頸腫瘤和6例其他腫瘤的信號強度顯著增加，表明該方法對吸入高氧氣體具有敏感性。然而，在宮頸癌中TOLD信號與腫瘤內(nèi)缺氧程度的相關性、TOLD與BOLD相比誰更能反映宮頸癌缺氧情況，仍需在臨床研究中進一步探討。

2.3 DCE-MRI DCE-MRI定量分析引入藥物代謝動力學模型，可以更準確、直觀地描述腫瘤組織血流灌注、毛細血管滲透性等微循環(huán)信息[18]。目前已經(jīng)開發(fā)了Tofts標準藥代動力學模型、Brix模型和快門速度模型來分析DCE-MRI數(shù)據(jù)。Tofts標準藥代動力學模型主要定量參數(shù)包括Ktrans、ve及kep等。有研究者[19-20]根據(jù)宮頸癌組織的哌莫硝唑染色標記獲得的缺氧分數(shù)，并獲取了術前DCE-MRI信息，發(fā)現(xiàn)Ktrans值可以反映腫瘤缺氧，而ve值與缺氧分數(shù)無關。Li等[21]應用DCE-MRI評估宮頸癌HIF-1α表達，發(fā)現(xiàn)Ktrans、kep、ve值與HIF-1α表達獨立相關?？傊邢嚓P研究均證實Ktrans與宮頸癌缺氧狀態(tài)呈負相關。另外，Brix模型參數(shù)也可用于反映宮頸癌缺氧。Fjeldbo等[22]研究表明DCE-MRI的生物標志物ABrix與缺氧相關基因具有強相關性。

對腫瘤缺氧部位與缺氧程度的可視化是近年來MRI研究的重點。Hompland等[23]提出基于氧消耗和供應（consumption and supply-based hypoxia，CSH）的缺氧成像算法，可通過常規(guī)影像學方法可視化腫瘤缺氧的范圍。Hillestad等[24]在Hompland等[23]研究的基礎上，通過DCE-MRI參數(shù)ve和Ktrans，利用CSH和降維算法為每個像素分配耗氧量和供氧量的加權信息，獲得了反映宮頸癌腫瘤缺氧范圍及嚴重程度的影像，成功地將影像與哌莫硝唑染色標記部位與缺氧基因表達水平建立了相關性，表明這種工具不僅能夠可視化宮頸癌缺氧部位，還能反映缺氧的程度，證實了DCE-MRI影像對預測預后方面的價值。

DCE還可以應用于監(jiān)測腫瘤抗血管生成治療過程中的缺氧情況。Hauge等[25]對2種源自病人的宮頸癌異種移植模型進行貝伐單抗抗血管生成治療并進行DCE-MRI，用哌莫硝唑作為腫瘤缺氧的標志物，研究發(fā)現(xiàn)未治療與治療組腫瘤的中位Ktrans值與腫瘤的缺氧部分之間均存在強相關性。

2.4 DWI DWI以水分子的擴散特性為基礎，用于腫瘤缺氧狀態(tài)研究的影像方法主要包括單指數(shù)DWI、體素內(nèi)不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）DWI、擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）和擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）等。

有研究者[21,26]對宮頸癌進行了單指數(shù)DWI研究，結果表明表觀擴散系數(shù)（ADC）值及ADC直方圖的各項指標與乏氧并無相關性，因此DWI不能反映宮頸癌腫瘤缺氧。由于缺氧對腫瘤造成凋亡與增殖的雙向影響，導致腫瘤內(nèi)水分子擴散表現(xiàn)并不一致[27]，因此非高斯DWI模型（IVIM、DKI等）成為近年來反映組織缺氧狀態(tài)的研究重點。IVIM是雙指數(shù)模型，它可以同時量化水分子在活體組織中的擴散和微循環(huán)灌注，該模型可以更好地評估組織的微觀結構復雜性[28]。Li等[21]應用多模態(tài)成像技術評估宮頸癌HIF-1α表達，結果發(fā)現(xiàn)IVIM參數(shù)單純擴散系數(shù)（D）和灌注分數(shù)（f）值與HIF-1α表達獨立相關。DKI模型量化了組織擴散與高斯行為的偏差。Li等[29]探討了DKI參數(shù)與軟組織肉瘤中HIF-1α表達的相關性，結果表明平均擴散系數(shù)（mean diffusion，MD）與HIF-1α表達呈負相關，平均擴散峰度（mean kurtosis，MK）與HIF-1α表達呈正相關。但目前并無DKI顯示宮頸癌腫瘤缺氧狀態(tài)方面的研究。

3 多模態(tài)MRI有助于評估宮頸癌缺氧治療的療效和預后

3.1 評估療效 目前有許多針對宮頸癌缺氧的治療措施。放射治療是通過電離輻射產(chǎn)生自由基，與細胞內(nèi)的氧分子發(fā)生反應并不可逆地破壞DNA[30]。擴展這一概念，治療期間腫瘤缺氧的變化也可能預測治療反應[31]。宮頸癌缺氧是一個既定的治療靶點，針對宮頸癌缺氧的藥物也可以通過作用于缺氧誘導的耐藥機制提高抗癌治療的功效[4]。基于這些原理，宮頸癌缺氧MRI被越來越多地用于評估放化療與缺氧靶向治療中的療效。Gaustad等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在接受輻射的宮頸癌和異種移植物的Ktrans和細胞存活率之間具有很強的相關性，而在ve和細胞存活率之間的相關性較弱或無相關性，結果表明Ktrans可以反映宮頸癌輻射響應能力。Georg等[32]對宮頸癌病人放化療之前和治療開始后的第2、5、19周進行DWI并分析了腫瘤ADC值，結果表明宮頸癌中的平均ADC值隨著時間的推移而增加。

3.2 評估預后 氧濃度作為宮頸癌病人遠處轉移與存活率的預后意義已得到研究證實[33]。當腫瘤缺氧時，放化療在腫瘤破壞中的效率會降低，形成放化療抵抗。因此，宮頸癌缺氧MRI也被應用于預測病人的預后[34]。Lee等[35]對92例同步放化療前接受BOLD-MRI檢查的病人進行研究，結果表明腫瘤R2*值是無進展生存期（progression-free survival，PFS）和癌癥特異性生存期（cancer-specific survival，CSS）的獨立預測因素。Fjeldbo等[36]研究證實了DCE-MRI生物標志物ABrix與缺氧相關基因之間的強相關性，并構建基于成像和基因的組合二分類生物標志物，結果發(fā)現(xiàn)在更多和更少缺氧的腫瘤病人之間的PFS有很大差異，表明其可改善對放化療療效預測。Hillestad等[24]研究發(fā)現(xiàn)利用DCE-MRI參數(shù)圖（ve和Ktrans）的組合得出的缺氧分數(shù)（hypoxic fraction of MRI，HFMRI）與哌莫硝唑染色標記獲得的缺氧分數(shù)（HFPimo）具有很大的相似性，以HFMRI=0.01為閾值可有效預測宮頸癌病人的PFS，高于該水平的病人預后更差。

4 局限性與展望

MRI可用于揭示宮頸癌缺氧機制，并表征自然狀態(tài)下及治療中的缺氧狀態(tài)；同時，缺氧成像也可用于監(jiān)測療效及預測預后。然而，在臨床應用中仍然存在一些局限性，包括了解這些成像生物標志物的采集和分析的準確性、可重復性和再現(xiàn)性。因此，如何優(yōu)化MRI成像序列與建模方法，使其準確性與精度提高，并確定表征缺氧狀態(tài)的規(guī)范化掃描技術，增加其可重復性是目前用MRI表征宮頸癌缺氧狀態(tài)方面亟待解決的問題。另外，應用MRI精確識別及標準化腫瘤內(nèi)缺氧部位仍是一項難題。在未來用于指導放療劑量的選擇、評估缺氧靶向治療中的缺氧狀態(tài)等臨床實踐中具有重要意義。