DKI術(shù)前預(yù)測腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)的研究

楊柳青 文 利 張 冬 張 磊

腦膠質(zhì)瘤是顱內(nèi)最常見的原發(fā)性腫瘤,發(fā)生率為(3～6.4)/10萬,約占所有原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的27%,約占原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的80%,低級別者以中青年多見,高級別者以中老年多見,無性別差異。2021年第5版世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類、分級標(biāo)準(zhǔn)中將成人彌漫性膠質(zhì)瘤分為3類:①星形細(xì)胞瘤,IDH突變型;②少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤,IDH突變伴1p/19q聯(lián)合缺失;③膠質(zhì)母細(xì)胞瘤,IDH野生型;以及4個等級,其中1、2級為低級別膠質(zhì)瘤(low-grade glioma, LGG),3、4級為高級別膠質(zhì)瘤(high-grade glioma, HGG),臨床上針對LGG主要是手術(shù)切除,而HGG手術(shù)后輔助化療、放療及電場治療均可使患者受益[1,2]。因?yàn)橛谐^80%的LGG和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤會發(fā)生IDH突變,使其形成了獨(dú)特的膠質(zhì)瘤亞型,具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)、臨床表型、影像表現(xiàn)、預(yù)后和治療反應(yīng),所以第5版分類標(biāo)準(zhǔn)也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)突變的價值,認(rèn)為IDH突變是可靠的預(yù)后及預(yù)測的生物學(xué)標(biāo)志物,并指出應(yīng)結(jié)合腫瘤的基因型和表型特征“綜合”診斷[3]。IDH突變的狀態(tài)和準(zhǔn)確的分類、分級對術(shù)前確定合適的臨床治療方案和評估腦膠質(zhì)瘤的預(yù)后、治療反應(yīng)等都很重要[4]。臨床上由于腦膠質(zhì)瘤診斷的金標(biāo)準(zhǔn)病理組織活檢受其有創(chuàng)性所局限以及并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn),所以一種無創(chuàng)的預(yù)測其分類方法能解決以上問題[5]。磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)在腦膠質(zhì)瘤術(shù)前評估IDH突變狀態(tài)、分級和優(yōu)化治療中發(fā)揮著重要作用[6]。因此,本研究將采用磁共振擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)技術(shù)及常規(guī)MRI掃描,探討DKI在術(shù)前評估腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)中最優(yōu)參數(shù)的選擇,是否可提高分類診斷準(zhǔn)確性及其臨床應(yīng)用價值。

對象與方法

1.研究對象:本單中心回顧性研究經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理學(xué)委員會批準(zhǔn)(倫理學(xué)審批號:2016-研第046-01),并獲得所有參與者的知情同意。收集2016年11月～2020年9月于陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院經(jīng)手術(shù)切除與病理檢測證實(shí)的有完整MRI檢查及臨床資料的71例腦膠質(zhì)瘤患者,患者年齡18～76歲,平均年齡為45.6±11.1歲;其中,女性患者34例,平均年齡為47.2±12.4歲,男性患者37例,平均年齡為44.1±9.8歲。病程:數(shù)天～4年,多數(shù)為數(shù)天～數(shù)個月;臨床表現(xiàn):構(gòu)音障礙5例,運(yùn)動障礙13例,頭痛、頭暈20例,癲癇6例,發(fā)作性意識喪失9例,嘔吐10例,認(rèn)知能力下降8例。根據(jù)2021版WHO腦腫瘤國際分類及分級標(biāo)準(zhǔn),有41例HGG(3級25例,其中IDH突變型10例,IDH野生型15例;4級16例,其中IDH突變型3例, IDH野生型13例),30例LGG(2級30例,其中IDH突變型28例, IDH野生型2例)[1]。

2.檢查方法:采用美國Signa Excite HDx 1.5T MRI掃描儀和8通道頭顱相控陣線圈。分別行常規(guī)MRI平掃、增強(qiáng)及DKI序列掃描。常規(guī)MRI:T1WI、T2WI、T2FLAIR、T1-3D-FSPGR序列和注射對比劑完畢后行軸位T1-3D-FSPGR+C、矢、冠狀位增強(qiáng)檢查。其中增強(qiáng)掃描:高壓注射器經(jīng)肘前正中靜脈注入對比劑釓貝葡胺注射液(劑量:0.1mmol/kg,注射速度:4ml/s,為使對比劑充分進(jìn)入體內(nèi),18～20ml 0.9%氯化鈉溶液于注入對比劑后立即注入)。DKI掃描:采用二維自旋平面回波成像擴(kuò)散加權(quán)序列(spin-echo 2D echo-planar imaging diffusion-weighted imaging, 2D-SE-EPI),于注入對比劑之前行軸位掃描。擴(kuò)散梯度場:選取(不同方向)30個,參數(shù):b值:0、1000、2000s/mm2,TR/TE=6000ms/最小ms,間距=1mm,層厚=5mm,FOV=24cm×24cm,矩陣=128×128,共22層,掃描時間:3min12s。

3.圖像處理及分析:所有MRI圖像上傳至美國GE ADW4.6后處理工作站上分析,DKI圖像后處理:導(dǎo)入DKI原始圖像,選擇Function tool中DKI后處理程序,獲得DKI各參數(shù)圖:平均峰度(mean kurtosis, MK)、軸向峰度(axial kurtosis, Ka)、徑向峰度(radial kurtosis, Kr)、峰度各向異性(kurtosis anisotropy, FAK)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity, MD)、各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy, FA)、軸向擴(kuò)散系數(shù)(axial diffusivity, Da)和徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity, Dr),測量腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)[選取5個大小20.0～220.0mm2的感興趣區(qū)(region of interest, ROI),以5個ROI中測值的中位數(shù)作為各參數(shù)值]、瘤周水腫區(qū)和對側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū)(CNAWM)的各參數(shù)值。不同個體間因性別、體重、年齡等差異和腫瘤生長部位、直徑、形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等情況,以及不同的瘤周毗鄰結(jié)構(gòu)與關(guān)系,為了消除個體差異,所以規(guī)范化(腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)/對側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū))處理腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)各參數(shù)。ROI選擇:①腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū):未強(qiáng)化者,T2WI或T2flair圖像上高信號或稍高信號區(qū)域;強(qiáng)化者,軸位T1-3D-FSPGR+C圖像上最明顯強(qiáng)化的腫瘤實(shí)質(zhì)部分;②瘤周水腫區(qū):水腫不明顯或未強(qiáng)化者,T2WI圖像上高或稍高信號區(qū);強(qiáng)化者,腫瘤強(qiáng)化區(qū)邊緣外<20mm的腦白質(zhì)區(qū);③正常腦白質(zhì)區(qū):(腫瘤對側(cè))半卵圓中心區(qū);④多發(fā)病灶,腫瘤最大徑最大者。盡量避開腫瘤出血、囊變、壞死區(qū)以及腦溝、腦室等信號不均區(qū)域,以減少誤差[7,8]。腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)及病理分級以基因測序及病理結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié) 果

1.病理結(jié)果:71例腦膠質(zhì)瘤均手術(shù)切除(其中全切59例,部分切除12例),通過標(biāo)準(zhǔn)基因組測序方法(Sanger測序法)對IDH1和2催化域的132號密碼子進(jìn)行測序,確定IDH突變狀態(tài),根據(jù)2021版WHO腦腫瘤分類、分級標(biāo)準(zhǔn)分成兩組:IDH突變型(n=41)和IDH野生型(n=30)[1]。

2.IDH突變型與野生型腦膠質(zhì)瘤各DKI參數(shù)比較:在腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū),IDH突變型規(guī)范化FA、MK、Ka和Kr值低于IDH野生型(P<0.05),而規(guī)范化Dr值則高于IDH野生型(P<0.05);IDH突變型和IDH野生型的MD、Da及FAK值比較,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在瘤周水腫區(qū),IDH突變型規(guī)范化MD、Da值低于IDH野生型(P<0.05),而規(guī)范化FAK值則高于IDH野生型(P<0.05)。在對側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū),IDH突變型規(guī)范化MD、Da、Dr值低于IDH野生型(P<0.05),而規(guī)范化MK、Ka值則高于IDH野生型(P<0.05,表1,圖1、圖2)。

圖2 左側(cè)顳葉膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(IDH野生型,CNS WHO 4級)A.T1WI增強(qiáng)掃描腫瘤形態(tài)不規(guī)則,明顯不規(guī)則花環(huán)狀強(qiáng)化,其內(nèi)壞死區(qū)未見明顯強(qiáng)化;B.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)FA值0.412;C.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)MD值1.120;D.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)Da值0.913;E.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)Dr值1.548;F.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)FAK值0.753;G.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)MK值0.860;H.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)Ka值1.585;I.規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)Kr值0.610;異質(zhì)性高的腫瘤,其內(nèi)有較混雜色彩分布;J.組織病理圖(蘇木精-伊紅染色,×100);K.基因檢測圖顯示野生型IDH在第132氨基酸位,野生型序列(綠色背景),突變序列(紅色陰影部分)

表1 IDH突變型與野生型各感興趣區(qū)的各DKI參數(shù)差異

2.DKI參數(shù)與IDH突變狀態(tài)的相關(guān)性:對71例腦膠質(zhì)瘤各DKI參數(shù)運(yùn)用Spearman相關(guān)性分析顯示,規(guī)范化FA、MK、Ka和Kr值與IDH突變狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)(P<0.01),而規(guī)范化Dr值與其呈正相關(guān)(P<0.05,表2)。

表2 規(guī)范化腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)各DKI參數(shù)與膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)的相關(guān)性

3.腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)與DKI參數(shù)ROC曲線分析:通過ROC曲線分析,確定腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)各規(guī)范化DKI參數(shù)區(qū)分IDH突變狀態(tài)(表3)的閾值、AUC、敏感度和特異性。腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)各規(guī)范化DKI參數(shù)中以MK值(其診斷閾值、AUC、敏感度和特異性分別為0.518、0.794、81.1%和75.8%)對評估腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)效能最好,其次是Kr、Ka、FA、Dr、MD、Da、FAK值(圖3)。結(jié)合多個DKI參數(shù),DKI預(yù)測IDH突變狀態(tài)的準(zhǔn)確性為77.1%。

圖3 腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)各DKI參數(shù)的ROC曲線

表3 腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)的ROC曲線分析

結(jié) 果

腦膠質(zhì)瘤準(zhǔn)確診斷及治療方案的選擇一直是臨床最關(guān)注的問題[9,10]。腫瘤是否有IDH等基因的突變,其治療方案及預(yù)后不同[11,12]。IDH基因突變能反映腫瘤血管生成、細(xì)胞和代謝等改變,也可在MRI上表現(xiàn)特征性[13,14]。MRI在腦膠質(zhì)瘤診治中發(fā)揮著極其重要的作用。常規(guī)MRI不能顯示腦膠質(zhì)瘤微觀病理結(jié)構(gòu)變化和功能狀態(tài),并對其分類、分級存在不足和缺陷,然而結(jié)合高級功能MRI技術(shù)可提供腫瘤組織的額外功能、分子等信息,為其臨床精準(zhǔn)診治提供更多依據(jù)[15～17]。目前很少有研究探討結(jié)合DKI成像對腦膠質(zhì)瘤術(shù)前非侵襲性評估IDH突變狀態(tài)。

DKI的概念由Jenson教授于2005年最早提出,它反映組織內(nèi)非高斯分布的水分子擴(kuò)散情況,擴(kuò)散峰度對水分子擴(kuò)散的限制過程,能同時得到彌散參數(shù)(FA、MD、Dr和Da值)和峰度參數(shù)(MK、Kr、Ka和FAK值),能顯著提高對腦灰質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的量化表征和觀察腦白質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)變化,更全面、準(zhǔn)確地顯示水分子的擴(kuò)散運(yùn)動,為探測某些疾病早期的細(xì)微損傷和微觀結(jié)構(gòu)變化提供更為準(zhǔn)確、先進(jìn)的評價[18～20]。既往研究中,只有一種或幾種DKI參數(shù)用于評估IDH基因突變。Zhao等[14]研究發(fā)現(xiàn),DKI的峰度參數(shù)MK、Ka和Kr可能是預(yù)測腦膠質(zhì)瘤中IDH1基因突變狀態(tài)有效的指標(biāo)。本研究不同于以往的工作,因?yàn)楸狙芯刻骄苛怂?個DKI參數(shù)的預(yù)測值,也比較了峰度參數(shù)與常規(guī)擴(kuò)散參數(shù)的差異。結(jié)果顯示,在8個參數(shù)中,規(guī)范化FA、MK、Ka和Kr值與IDH突變狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)(P<0.01),而規(guī)范化Dr值與其呈正相關(guān)(P<0.05),同時ROC曲線分析結(jié)果顯示,峰度參數(shù)的AUC值高于常規(guī)擴(kuò)散參數(shù),其中又以MK值對IDH突變狀態(tài)的診斷效能最高(閾值為0.518,AUC為0.794,敏感度為81.1%,特異性為75.8%)。說明對評估腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài),峰度參數(shù)更為有效,具有更大的成像潛力,能更準(zhǔn)確、全面地顯示細(xì)胞增殖和IDH突變所引起的細(xì)微結(jié)構(gòu)改變,為患者提供更準(zhǔn)確的亞型診斷及精準(zhǔn)治療。本研究還發(fā)現(xiàn)DKI預(yù)測腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)的準(zhǔn)確性為77.1%,高于常規(guī)MRI。

此外,值得注意的是,IDH突變型和IDH野生型之間的對側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū)(包括Da、Dr、MK和Ka)和瘤周水腫區(qū)(包括Da、MD和FAK)在眾多DKI參數(shù)中存在顯著差異。這一發(fā)現(xiàn)與其他研究不同,可能是由于腫瘤侵入和破壞了腦局部區(qū)域的神經(jīng)纖維,影響了全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接,或引起腦組織的微觀結(jié)構(gòu)和微環(huán)境的改變[20]。因此,將對側(cè)正常腦白質(zhì)區(qū)和瘤周水腫區(qū)參數(shù)值相結(jié)合,可以為準(zhǔn)確評估IDH突變狀態(tài)提供更有效的影像學(xué)指標(biāo)。

本研究還存在一定的局限性:①由于樣本量小,沒有研究腦膠質(zhì)瘤亞型之間的差異;②手動選擇腫瘤體積內(nèi)最異常區(qū)域作為ROI,而不是整個腫瘤體積,這可能造成了部分病例相關(guān)參數(shù)被低估。筆者團(tuán)隊(duì)將考慮這些限制并在今后的研究工作中加以改進(jìn)。

綜上所述,在DKI各參數(shù)中,峰度參數(shù)對術(shù)前評估腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)診斷更有效,其中又以MK值的診斷效能最好。DKI對術(shù)前評估腦膠質(zhì)瘤IDH突變狀態(tài)有較高的準(zhǔn)確性,能夠更好地為臨床正確的治療決策提供依據(jù)。