基于MRI及CT的細胞外體積在惡性腫瘤中的應(yīng)用與研究進展

王藝潔，楊亞英，魏博，陳海靜，曹朝陽

0 前言

細胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）為身體所有組織和器官中普遍存在的非細胞成分，由多種蛋白、蛋白多糖、透明質(zhì)酸及其細胞受體等組成[1]。在實體瘤中，活化的成纖維細胞及免疫細胞等協(xié)同作用，構(gòu)成了ECM 的主要來源[2]。ECM 除了為細胞和組織提供機械結(jié)構(gòu)[3]來維持正常的生理功能外，還參與細胞增殖分化、組織學形態(tài)發(fā)生、遷移和侵襲等[4-5]。

細胞外體積（extracellular volume, ECV）也稱為細胞外容積或細胞外容積分數(shù)，是血管外-細胞外間隙和血管內(nèi)空間分數(shù)的總和，可以反映微血管密度及基質(zhì)纖維化程度[6]，可作為ECM 的量化因子[7]。活檢是評估ECM 的金標準，但是活檢有創(chuàng)、主觀性強且可重復(fù)性低，目前應(yīng)用較少，而基于MRI 和CT 得到的ECV 無創(chuàng)便捷且可重復(fù)性高[8]，目前臨床應(yīng)用較為廣泛，且被證實與活檢具有相似的診斷價值[9]。隨著腫瘤微環(huán)境的深入研究，ECV 可以量化部分惡性腫瘤的決定性因素。因此，本文就目前基于MRI 及CT 的ECV 在惡性腫瘤中的應(yīng)用展開綜述，旨在推動ECV 在惡性腫瘤方面的臨床應(yīng)用與發(fā)展。

1 應(yīng)用原理

ECV可以量化ECM，腫瘤ECM表現(xiàn)為不同程度的纖維化、細胞外基質(zhì)沉積及炎性細胞浸潤等而導致ECV不盡相同。ECV 包括細胞外-血管外體積分數(shù)和血管內(nèi)體積分數(shù)，平衡期時對比劑相對均勻的分布于血管內(nèi)和血管外-細胞外間隙而幾乎不進入細胞內(nèi)，此時，根據(jù)經(jīng)紅細胞壓積值校正后的對比劑量可以得到相應(yīng)的ECV值?；贛RI的ECV值計算見公式（1），基于CT的ECV 值計算見公式（2）或（3）。其中，T1blood.post及T1blood.pre 分別為增強后及增強前同層面腹主動脈或髂外動脈的T1 值；ΔHU 腫瘤及ΔHU 血池分別為腫瘤實性部分及病灶所在層面主動脈平衡期CT值與其平掃期CT 值的差值；ID 為碘濃度，由能譜CT獲取。

2 ECV在惡性腫瘤中的應(yīng)用

2.1 ECV在惡性腫瘤診斷及鑒別診斷中的應(yīng)用

胰腺纖維化是胰腺癌發(fā)生的獨立危險因素，ECV可用于定量評估胰腺纖維化程度，F(xiàn)UKUI 等[10]應(yīng)用增強CT將ECV應(yīng)用到胰腺癌中，結(jié)果表明ECV可作為胰腺癌的成像標志物，高ECV 與胰腺癌的發(fā)生相關(guān)，當ECV 臨界值為32.8%時，診斷胰腺癌發(fā)生的敏感度為61.0%，特異度為85.1%，但是需要進一步后續(xù)研究確定高ECV值的患者是否可能發(fā)展為胰腺癌。其次，這是一項單中心、回顧性、觀察性研究，需要多中心的前瞻性研究來確定ECV在胰腺癌早期檢測中的有用性。鄭文霞等[7]研究發(fā)現(xiàn)，基于光譜CT 的ECV 可用于鑒別結(jié)腸癌組織和正常腸壁，結(jié)直腸癌組織的ECV高于正常腸壁組織（P＜0.05），其中靜脈期、延遲期ECV 診斷結(jié)直腸癌的ROC 曲線下面積（area under the curve,AUC）分別為0.962、0.975，但該研究僅納入結(jié)直腸癌患者，使結(jié)果有一定局限性，后續(xù)可通過增加腺瘤等良性腫瘤樣本量來進行相關(guān)研究?？v向弛豫時間定量技術(shù)T1 mapping得到的ECV值[11]可用于鑒別胸腺癌與胸腺瘤，胸腺癌的ECV值高于高級別和低級別胸腺瘤[48.6 （38.4，57.8） vs.27.6 （24.5， 33.0） vs.31.1 （26.0, 36.4），P=0.002]。除了區(qū)分腫瘤良惡性[12]，CHANG等[11]的研究還可以用來鑒別胸腺上皮腫瘤中淋巴細胞豐富和稀疏程度，臨界值為36.0%時，診斷的AUC為0.97，敏感度為92.3%，特異度為94.4%。

分析以上結(jié)果，腫瘤相關(guān)的癌細胞刺激腫瘤血管生成擴張導致微血管密度的增加及血管通透性增加，可引起惡性腫瘤的ECV 值相對增加；其次細胞成分的類型、密度、排列方式及細胞外基質(zhì)沉積等均會引起ECM 的結(jié)構(gòu)改變，從而導致ECV 之間的差異。因此根據(jù)以上研究，我們也可以將基于ECV的研究應(yīng)用在更多不同類型腫瘤的良惡性診斷與鑒別診斷中，且可以進行多中心、多種成像方式的驗證研究。

2.2 ECV在惡性腫瘤分化程度及分型中的應(yīng)用

術(shù)前準確評估腫瘤的病理類型及分化程度，對臨床治療方式的選擇及預(yù)后評估具有重要意義。高分化（高級別）肝癌細胞與肝細胞之間的異質(zhì)性小，間質(zhì)的變化也小，在崔鳳嬌等[13]的研究中，基于CT 的ECV 值可用于評估肝細胞癌的分化程度，高分化組的ECV 較低分化組高，當診斷閾值為28.56%時，敏感度和特異度分別為71%、90%。纖維化增加與腎透明細胞癌（clear cell renal cell carcinoma, CRCC）的生長和侵襲相關(guān)[14]，理論上分化良好（低分級）CRCC腫瘤細胞較大，細胞外間隙狹窄，細胞外基質(zhì)無沉積，表現(xiàn)為低ECV。有研究[6]表明CRCC 高分級組增強CT 的ECV 值高于低分級組，預(yù)后差。在ADAMS 等[15]研究中，基于MRI 的T1 mapping 技術(shù)探討了MRI 源性ECV 與CRCC 病理分級的相關(guān)性，結(jié)果表明低分級組CRCC 患者的ECV 明顯較低，但樣本量較小，仍需擴大樣本量進一步驗證。

與非小細胞肺癌相比，小細胞肺癌細胞密集，纖維成分少，導致細胞外空間較小[16]。鱗癌細胞體積大，易中央壞死引起細胞外間隙擴大，鱗癌和腺癌不同生長方式及壞死程度、血管密度也可導致ECV存在差異。楊詠青[16]通過MRI 和CT 獲取肺癌的ECV，并與其病理類型進行對照分析，發(fā)現(xiàn)鱗癌及腺癌的MRI源性及CT 源性ECV 均大于小細胞肺癌（均P＜0.01），并且MRI 較CT 具有較高的敏感度、特異度及準確率（89.8%、92.3%、90.3% vs.73.5%、84.6%、75.8%）；而鱗癌的MRI源性及CT源性ECV雖然大于腺癌，但CT源性ECV差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。同樣在WANG等[17]的研究中發(fā)現(xiàn)，宮頸腺癌患者的MRI 源性ECV 分數(shù)也略高于宮頸鱗狀細胞癌者（43.81% vs.43.33%），但差異仍然無統(tǒng)計學意義。二者均表明鱗癌與腺癌的細胞成分不同，可導致細胞外間質(zhì)的ECV值存在一定差異，但需要更多的樣本量及進一步深入分析不同類型細胞成分之間差異是否具有統(tǒng)計學意義。

總體來說，MRI 及CT 源性ECV 已較多應(yīng)用在惡性腫瘤分化程度及分型中，但是研究相對少且局限。隨著MRI性能提高和各種成像序列的快速發(fā)展，可以在減輕運動偽影的同時縮短檢查時間；掃描前進行B1 磁場校正可以提高組織T1 值的精確性，基于T1 mapping 的ECV 可以獲得更加穩(wěn)定的定量指標；故而基于MRI 的ECV 將有更加廣泛的應(yīng)用，可供臨床醫(yī)生及患者選擇最優(yōu)成像方式。今后還可以通過擴大樣本量及開展多種類型腫瘤的不同影像檢查方法對比研究來證實MRI 源性ECV 是否較CT 源性ECV 具有更高的診斷價值。

2.3 ECV在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移及神經(jīng)脈管侵犯中的應(yīng)用

癌癥相關(guān)成纖維細胞（cancer-associated fibroblasts, CAFs）對ECM 重塑起著重要作用，基質(zhì)變硬則腫瘤更容易侵襲周圍組織或發(fā)生轉(zhuǎn)移[18]，預(yù)后不佳[3]，早期準確預(yù)測腫瘤的轉(zhuǎn)移或周圍浸潤可以優(yōu)化治療方案，改善預(yù)后，ECV 發(fā)揮著重要價值。結(jié)直腸癌中微血管密度增加、粘連增生是預(yù)后不良的獨立危險因素[19]。邵瑞麗[20]研究表明，結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移組CT 源性的ECV 明顯高于無肝轉(zhuǎn)移組，診斷的AUC 為0.807（95%CI：0.715～0.898）；同時當腫瘤組織ECV臨界值為27.5%時，診斷淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組患者的敏感度為92.0%，但該研究卻未納入對血管、淋巴管、神經(jīng)侵犯的研究。正常淋巴結(jié)的淋巴細胞密集分布[21]導致相對較小的血管外-細胞外間隙，甲狀腺乳頭狀癌的轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)將導致血管成分增加，同時，彌散的腫瘤細胞可能會破壞淋巴結(jié)的正常結(jié)構(gòu)，從而導致血管內(nèi)和血管外-細胞外間隙擴大，ECV 值增加[22]。ZHOU等[23]同時納入光譜CT 和傳統(tǒng)CT 進行了對比研究，結(jié)果證明轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的光譜CT及傳統(tǒng)CT的ECV值均顯著高于非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)（P＜0.01），光譜CT 的ECV較傳統(tǒng)CT 而言不僅可獲得最佳診斷效果（AUC：0.813 vs.0.793），且對于受頸根偽影影響的淋巴結(jié)也顯示出良好的診斷效能（AUC=0.756）。

惡性腫瘤新生血管豐富且不成熟，血管脆性大易破損，因此血流量、血容量及血管通透性明顯增加，導致對比劑進入組織間隙增多引起ECV變化。鄭文霞等[7]研究發(fā)現(xiàn)基于雙層探測器光譜CT 延遲期碘密度量化的ECV可以反映結(jié)直腸癌患者的神經(jīng)、血管及淋巴管浸潤情況，診斷的AUC分別為0.759、0.798、0.838。出現(xiàn)淋巴血管間隙侵犯（lymphovascular space invasion, LVSI）的宮頸癌患者易發(fā)生遠處轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)，WANG 等[17]在79 例宮頸癌術(shù)后患者的研究中，將基于T1 mapping 的ECV 與動態(tài)對比增強MRI（dynamic contrast-enhanced MRI, DCE-MRI）相比，發(fā)現(xiàn)LVSI 組的ECV 分數(shù)明顯高于無LVSI 組（52.86%vs.36.77%），差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），且基于T1 mapping 的ECV 鑒別LVSI 能力優(yōu)于DCE-MRI 的容量轉(zhuǎn)運常數(shù)（volume transfer constant, Ktrans）。

以上研究均表明ECV 可以用于預(yù)測腫瘤遠處轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移或周圍組織侵犯，但大多為單中心的回顧性初步研究，納入的病例數(shù)相對較小，未來研究中將進一步擴大樣本量完善研究，進而得出具有說服力的結(jié)果。我們也可以創(chuàng)新地將ECV 應(yīng)用在乳腺癌及胰腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)方面的應(yīng)用，因為除外微血管密度，CAFs 在外泌體中分泌因子也可促進乳腺癌細胞轉(zhuǎn)移[24]，胰腺纖維化和癌癥相關(guān)的粘連形成影響胰腺實體瘤的形成與轉(zhuǎn)移[25]等均可導致ECV 不同。與單純評估T1 mapping相比，ECV的優(yōu)勢在于它不依賴于場強、成像參數(shù)和對比劑劑量，而且是生理上直觀的測量單位，有較高的應(yīng)用價值。而在CT中，研究創(chuàng)新性使用碘濃度來定量反映病灶灌注，同時計算標準化碘濃度排除患者個體差異、血管因素及對比劑總量等的影響，為雙層探測器光譜CT 多參數(shù)及ECV更好地應(yīng)用于腫瘤研究提供了新思路，未來也可以將更多影像檢查的ECV應(yīng)用于腫瘤方面的研究。

2.4 ECV在惡性腫瘤預(yù)后及療效評估中的應(yīng)用

胰腺纖維化和細胞外基質(zhì)沉積，是胰腺導管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）的重要病理生理特征之一，影響著腫瘤進展、治療耐藥性和新血管的形成[26]。CAFs 在胰腺癌的纖維化中起著關(guān)鍵作用[27]，浸潤增加是胰腺癌的不良預(yù)后指標[28]。PDAC 預(yù)后不佳，療效不一，因此，迫切需要可靠的生物預(yù)測標志物[29]。FUKUKURA 等[30]利用多期增強CT 研究PDAC 的療效，發(fā)現(xiàn)較低的腫瘤ECV 值是患者無進展生存期（progression-free survival, PFS）和總生存期（overall survival, OS）降低的獨立預(yù)測因子，ECV在預(yù)測接受化療的Ⅳ期PDAC患者的生存率中也有較高的診斷價值[31]。IWAYA等[32]研究雖表明CT 源性的ECV 分數(shù)是胰腺癌OS 的獨立預(yù)測因子（P=0.012），ECV 較低的胰腺腺癌與化療后患者生存率降低相關(guān)，但該研究未專門評估腫瘤ECV與治療反應(yīng)之間的關(guān)系，后續(xù)需進行相關(guān)方面的研究。WANG 等[17]的研究同樣使用了增強CT 掃描，最終結(jié)果雖表明原發(fā)PDAC的ECV是PFS的獨立預(yù)測因子（P=0.003），但未發(fā)現(xiàn)原發(fā)性PDAC的ECV是OS的預(yù)測因子。上述研究結(jié)果表明，ECV可作為PDAC患者預(yù)后評價的無創(chuàng)成像指標，高ECV值與局部晚期或轉(zhuǎn)移性PDAC患者的化療反應(yīng)、疾病控制和改善PFS相關(guān)。除了PDAC，多期增強CT的ECV不僅是胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤中PFS及OS的獨立預(yù)測因子[32]，還可以用于預(yù)測局部晚期直腸癌新輔助放化療后的病理完全反應(yīng)[33]?；赥1 Mapping 的ECV測量也為不良預(yù)后因素和對宮頸鱗狀細胞癌患者進行術(shù)前風險評估提供更多無創(chuàng)定量指標[12]。

灌注CT 或DCE-MRI 與藥代動力學建模，可以反映靶組織內(nèi)的微循環(huán)特征，已被用作多種癌癥預(yù)后的生物標志物[34-35]。與DCE-MRI 相比，平衡增強MRI測定的ECV值可以替代DCE-MRI藥代動力學參數(shù)Ktrans和Ve 來預(yù)測PDAC 患者對化療的治療反應(yīng)，且腫瘤ECV 值與Ktrans及血管外細胞外間隙容積分數(shù)（distribute volume perunit tissue volume, Ve）呈顯著正相關(guān)[29]。據(jù)報道，Ktrans與Ve 可以預(yù)測胃癌[36]、卵巢癌和骨肉瘤[37]等各種癌癥患者的化療反應(yīng)或預(yù)后，Ktrans在預(yù)測下咽癌[38]輔助化療的治療反應(yīng)方面可能具有潛在價值?；谄胶鈱Ρ仍鰪奀T測定的ECV 也可用于預(yù)測局部晚期直腸癌新輔助放化療的病理完全反應(yīng)[31]，我們大膽猜測，ECV 的平衡增強MRI或CT 在鼻咽癌、胃癌、食管癌[39]等化療中是否具有類似潛在價值，能否作為化療后的預(yù)測因素。這需要今后的研究重點關(guān)注腫瘤微觀結(jié)構(gòu)變化的非侵入性方法與早期治療反應(yīng)評估之間的聯(lián)系[40]。

上述研究均表明基于MRI 及CT 的ECV 可作為惡性腫瘤預(yù)后及療效評估的成像標記物，在惡性腫瘤相關(guān)研究中具有重要意義。CT 掃描時間快，方便快捷，雙層探測器光譜CT 可以提供多參數(shù)并提高數(shù)據(jù)匹配和測量的準確度；MRI 無輻射且軟組織分辨率較高，定量成像技術(shù)多樣，同時引入ECV 可以避免磁場強度、序列選擇等技術(shù)參數(shù)的影響，獲得更加穩(wěn)定、準確的結(jié)果，均在腫瘤成像中有著其重要價值。DCE-MRI 圖像的獲取和分析主要集中在對比劑流入和流出的初始階段，在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，難以實現(xiàn)常規(guī)臨床應(yīng)用，今后的重點可以研究ECV是否可以取代灌注CT或DCE-MRI。

3 ECV在惡性腫瘤中研究現(xiàn)狀與展望

基于ECV 在心肌及肝臟纖維化的研究中已廣泛應(yīng)用[41-43]，纖維化相關(guān)疾病如慢性胰腺炎、心肌炎、系統(tǒng)性硬化及外周血管、甲狀腺眼病中也得到進一步推廣[44-46]。除了纖維化，ECV 也可以作為淀粉樣沉積[47-48]的無創(chuàng)定量因子。

ECV 的廣泛應(yīng)用給學者提供了更多方向，隨著對微環(huán)境的深入了解，更多的目光聚焦在惡性腫瘤中，故本文分析了ECV在惡性腫瘤的診斷、分型、預(yù)后、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等中的應(yīng)用，但目前存在一定問題：ECV 在惡性腫瘤方面的應(yīng)用尚處于一個萌芽狀態(tài)、納入研究數(shù)量較少、平衡時間尚未統(tǒng)一、平衡期影響因素、對比劑注射方案等尚不一致。后續(xù)可通過加大樣本量、多中心對比研究、研究不同臟器延遲期掃描最優(yōu)時間、標準對比劑注射方案等進行優(yōu)化，還可進一步探索更長延遲時間存在的意義。除了微血管密度，血管內(nèi)間隙增加[49]、間質(zhì)的非纖維化擴張（水腫、急性壞死）、鐵沉積、血容量等引起細胞外基質(zhì)改變的因素均可納入研究；不同成像方式的引入及對比也將成為今后研究的重點，從常規(guī)MRI 到動態(tài)增強MRI、T1 mapping、磁共振指紋技術(shù)[50]、傳統(tǒng)CT 到光譜CT、基于列線圖的CT[51]等。

綜上所述，MRI 源性及CT 源性ECV 可以為臨床決策提供更多指導性無創(chuàng)成像標記物，但MRI 及ECV 有各自的優(yōu)點與不足。隨著MRI 及CT 新技術(shù)不斷改進和完善、更多惡性腫瘤微環(huán)境的深入研究，必將極大促進ECV在不同惡性腫瘤中的應(yīng)用，基于MRI及CT的ECV將有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：楊亞英設(shè)計本研究的方案，對稿件的重要內(nèi)容進行了修改；王藝潔起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)/文獻；魏博、陳海靜、曹朝陽獲取、分析本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要內(nèi)容進行了修改；楊亞英獲得了云南省放射與治療臨床研究中心專項基金的資助。全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。