功能磁共振成像定量評(píng)估腫瘤微環(huán)境乏氧的研究

劉宗霖, 孫軼群, 童彤

腫瘤微環(huán)境乏氧被認(rèn)為是對(duì)細(xì)胞毒性治療(新輔助放化療)反應(yīng)不佳和腫瘤復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移進(jìn)展的重要標(biāo)志[1-5]。目前已有多種技術(shù)被用于評(píng)估乏氧如氧電極法、活檢技術(shù)等[6-9]。哌莫硝唑(Pimonidazole)作為一種成熟的乏氧顯像劑可直接顯示細(xì)胞低氧區(qū)域,已被廣泛應(yīng)用于腫瘤乏氧成像研究[10]。另外,腫瘤在乏氧微環(huán)境中還會(huì)表達(dá)諸多的細(xì)胞因子,乏氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)作為一種核心轉(zhuǎn)錄因子,通過(guò)調(diào)節(jié)多種下游基因的表達(dá)如葡萄糖載體-1(glucose transporter-1,GLUT-1)、碳酸酐酶Ⅸ(carbonic anhydrase IX,CA IX)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)等,在介導(dǎo)腫瘤的乏氧適應(yīng)性、血管生成、細(xì)胞代謝和基因組突變等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[11]。研究[12-25]證明這些細(xì)胞因子的表達(dá)與實(shí)體腫瘤的預(yù)后相關(guān)如腦膠質(zhì)瘤、頭頸部惡性腫瘤、肝癌、直腸癌、宮頸癌和前列腺癌并可作為一個(gè)預(yù)測(cè)信號(hào),協(xié)助早期調(diào)整治療方案。雖然這些技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值,但其需要通過(guò)手術(shù)切除或其他侵入性方式獲得病變標(biāo)本,并進(jìn)行組織學(xué)染色才能評(píng)估,過(guò)程繁瑣,成本較高,因此不能作為常規(guī)臨床檢查手段。鑒于這一局限,越來(lái)越多的學(xué)者開始探索評(píng)估腫瘤乏氧特性的非侵入性方法。

磁共振成像(MRI)是一種廣泛用于腫瘤診斷和分級(jí)的無(wú)創(chuàng)性檢查技術(shù),能有效地反映腫瘤的形態(tài)學(xué)特征。MRI具有多參數(shù)、多序列、多方向的特點(diǎn),與傳統(tǒng)CT相比,具有更高的軟組織對(duì)比度和較高的空間分辨率[26]。同時(shí),隨著越來(lái)越多功能磁共振 (fMRI)新技術(shù)的進(jìn)步和各種量化參數(shù)的引入,使定量評(píng)估腫瘤的功能特征成為可能。利用fMRI方法定量評(píng)估腫瘤微環(huán)境的乏氧狀態(tài),已在多種實(shí)體腫瘤中得到應(yīng)用,并取得了一些進(jìn)展。

研究現(xiàn)狀

1.MR擴(kuò)散成像

擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighed imaging,DWI):是最常用的磁共振技術(shù)之一,它基于水分子的自由擴(kuò)散原理,可通過(guò)表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)來(lái)定量反映水分子擴(kuò)散受限程度。目前,已有部分研究將常規(guī)DWI應(yīng)用于腫瘤的乏氧成像中。在一項(xiàng)腦星形細(xì)胞瘤的研究中發(fā)現(xiàn)[27]DWI的多個(gè)定量參數(shù)與星形細(xì)胞瘤的惡性程度均具有相關(guān)性。其中,細(xì)胞密度(cell density,CD)與ADC值可較好地反映HIF-1α的水平。Huang等[28]在肝細(xì)胞癌的研究中指出ADC值與HIF-1α水平呈顯著正相關(guān)(r=0.389,P=0.007)。在前列腺癌的研究中[29]ADC值與HIF-1α和VEGF的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。Yamada等[30]進(jìn)一步將患者的預(yù)后情況納入研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ADC值較低的腫塊型肝內(nèi)膽管癌中基質(zhì)更多、HIF-1α表達(dá)更高,并且患者的5年生存率也明顯低于高ADC組。這一結(jié)果再一次證明腫瘤乏氧狀態(tài)對(duì)患者預(yù)后的重要影響,也展現(xiàn)出fMRI在預(yù)測(cè)患者預(yù)后中的潛力和可行性。但是,也有另外一些研究得出了相悖的結(jié)論。早期研究表明[31,32]ADC值僅與細(xì)胞密度相關(guān),而不能反映腫瘤區(qū)域內(nèi)的氧合狀態(tài)。Meyer等[33]在宮頸癌的研究中發(fā)現(xiàn)ADC值與VEGF、HIF-1α表達(dá)均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Swartz等[34]在口咽癌的研究中也發(fā)現(xiàn)ADC值可反應(yīng)腫瘤分化水平,但與HIF-1α水平并不存在相關(guān)性。一項(xiàng)關(guān)于直腸癌的研究[35]研究者發(fā)現(xiàn)ADC值與VEGF呈負(fù)相關(guān),但在pT4期直腸癌中并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性,而ADC值與HIF-1α水平僅存在較弱的相關(guān)性。有Meta分析[36]也得出了相似的結(jié)論,認(rèn)為ADC值不可用于直腸癌HIF-1α水平的預(yù)測(cè)。造成這種矛盾結(jié)論的原因可能在于傳統(tǒng)DWI的成像原理。雖然傳統(tǒng)DWI可提供一定的彌散受限信息,但在真實(shí)的細(xì)胞微環(huán)境中,DWI信號(hào)強(qiáng)度受水分子擴(kuò)散和微血管灌注的共同影響[37,38]。并且,傳統(tǒng)DWI僅是基于水分子呈高斯運(yùn)動(dòng)的理想狀態(tài)的理論進(jìn)行成像,實(shí)際上水分子的擴(kuò)散受多種細(xì)胞結(jié)構(gòu)限制,因此在各個(gè)擴(kuò)散方位上的分布各不相同,呈非高斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著b值的升高非高斯運(yùn)動(dòng)越明顯[39],這導(dǎo)致僅使用單b值模型的傳統(tǒng)DWI不能準(zhǔn)確地反映分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[40],從而不能反映細(xì)胞真實(shí)的乏氧微環(huán)境。因此,常規(guī)DWI用于乏氧成像的可行性仍有待進(jìn)一步的研究,目前尚且存在諸多問(wèn)題有待解決。

體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)MRI(intro-voxel incoherent movement MRI,IVIM-MRI):是一種基于多b值的雙指數(shù)模型,可將血管內(nèi)水分子產(chǎn)生的信號(hào)和血管外擴(kuò)散水分子產(chǎn)生的信號(hào)分離[38],從而同時(shí)反映水分子彌散和微循環(huán)灌注狀態(tài)[37]。相較于采用單b值模型的傳統(tǒng)DWI,IVIM-MRI通過(guò)計(jì)算得到f(體內(nèi)毛細(xì)血管容積占整個(gè)容積的比值)、Dslow(D反映真實(shí)組織中水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng))、Dfast(D*反映毛細(xì)血管網(wǎng)的微循環(huán)灌注信息)等定量參數(shù),可更準(zhǔn)確地反映腫瘤細(xì)胞的真實(shí)微環(huán)境狀態(tài)。目前已有部分研究探究其應(yīng)用于乏氧成像的可能性。Homplan等[41]在一項(xiàng)前列腺癌的研究中提出了一種能同時(shí)反映氧氣消耗和供應(yīng)的新型乏氧可視化算法,他們發(fā)現(xiàn)由IVIM-MRI擬合的ADC值與CD相關(guān),血容量分?jǐn)?shù)(fractional blood volume,fBV)與血管密度(blood vessel density,BVD)相關(guān),從而將ADC值與氧氣消耗、BV與氧氣供應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。并且經(jīng)哌莫硝唑染色證實(shí),利用這種算法得出的低氧分?jǐn)?shù)與乏氧情況有很強(qiáng)的相關(guān)性。Li等[42]在軟組織肉瘤的研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1α的表達(dá)與傳統(tǒng)DWI的ADC值無(wú)相關(guān)性,但與D值呈負(fù)相關(guān)(r=-0.469),與f值呈正相關(guān)(r=0.572)。肝細(xì)胞癌研究中[43]HIF-1α的表達(dá)與D值、f值均呈負(fù)相關(guān)(r=-0.673;-0.737)。早期宮頸癌中HIF-1α高表達(dá)組較低表達(dá)組有更高的f值和D值(P=0.02;0.02)[44]。并且,f值也與VEGF表達(dá)存在強(qiáng)相關(guān)(P=0.001)[45]。另外,在一項(xiàng)食管癌的研究中發(fā)現(xiàn)[46]D*值與VEGF表達(dá)也存在正相關(guān)(r=0.335,P<0.05)。上述研究表明雖然在不同腫瘤中IVIM參數(shù)指標(biāo)與乏氧相關(guān)因子表達(dá)水平的相關(guān)性強(qiáng)弱及方向有所差異,這可能由病理類型、組織學(xué)分級(jí)或檢查設(shè)備參數(shù)差異等多種因素造成。但較常規(guī)DWI而言,由于其成像原理更加符合真實(shí)細(xì)胞情況,所以IVIM-MRI在乏氧成像方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的可行性,在未來(lái)腫瘤乏氧成像中具有廣闊的應(yīng)用前景。

擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI):是另一種基于非高斯分布的MRI技術(shù),通常需要使用多個(gè)較高的b值和梯度擴(kuò)散方向才可采集出較為完整的DKI圖像[47]。它通過(guò)峰度(kurtosis,K)、平均峰度系數(shù)(mean kurtosis,MK)、軸向峰度系數(shù)(axial kurtosis,AK)、徑向峰度系數(shù)(radial kurtosis,RK)、平均擴(kuò)散率(mean diffusivity,MD)等參數(shù)來(lái)定量描述擴(kuò)散偏離高斯分布的程度,并可衡量組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[48]。房亞軍等[49]在兔惡性骨腫瘤模型中發(fā)現(xiàn)VEGF在腫瘤實(shí)性區(qū)與微觀浸潤(rùn)區(qū)中的表達(dá)存在顯著差異(P<0.001),并且MD值與兩個(gè)區(qū)域中的VEGF表達(dá)均呈負(fù)相關(guān)(r=-0.726/-0.697,P<0.05)。Li等[42]將其用于軟組織肉瘤的乏氧研究,發(fā)現(xiàn)HIF-1α表達(dá)水平與MK值呈正相關(guān)(r=0.779),與MD值也呈負(fù)相關(guān)(r=-0.588),并且通過(guò)分別繪制IVIM和DKI各參數(shù)的ROC曲線,發(fā)現(xiàn)MK值的預(yù)測(cè)性能最好。上述研究均顯示出DKI對(duì)腫瘤乏氧相關(guān)因子良好的敏感性。腫瘤在低氧條件下HIF-1α表達(dá)增強(qiáng),并誘導(dǎo)下游的VEGF表達(dá)是血管生成活動(dòng)增強(qiáng)。這種乏氧所誘導(dǎo)的新生血管通常形態(tài)不規(guī)則并伴有血管壁完整性受損,從而造成局部組織壞死,加劇局部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,導(dǎo)致細(xì)胞運(yùn)動(dòng)更加偏離高斯分布。這一現(xiàn)象可直接體現(xiàn)在MK值的變化上。另外,結(jié)果也表明與傳統(tǒng)DWI生成的ADC值相比,MD值可更準(zhǔn)確地反映組織中復(fù)雜成分引起的水分子的彌散受限情況。但由于目前DKI用于腫瘤乏氧成像的研究極少,僅有上述兩文涉及此類問(wèn)題。因此,DKI用于乏氧成像的研究潛力巨大,結(jié)論還需經(jīng)過(guò)未來(lái)更多的研究所論證。

彌散頻譜成像(diffusion spectrum imaging,DSI):除上述擴(kuò)散成像技術(shù)外,DSI技術(shù)也在近年來(lái)逐漸進(jìn)入研究者的視線。它也是一種基于多b值多方向的成像技術(shù),通過(guò)計(jì)算q空間衰減回波信號(hào)與水分子擴(kuò)散概率密度函數(shù)的傅立葉關(guān)系,在多個(gè)方向上獲得一系列的擴(kuò)散加權(quán)圖像[50]。廣義分?jǐn)?shù)各項(xiàng)異性(generalized fractional anisotropy,GFA)為其主要定量指標(biāo),可有效反應(yīng)水分子在組織內(nèi)各個(gè)方向上的擴(kuò)散差異性。目前DSI用于腫瘤微環(huán)境乏氧成像的研究鮮有報(bào)道。Dovlo等[51]基于傳統(tǒng)的DSI模型開發(fā)了一種新型的相位過(guò)濾差分光聲技術(shù),即波長(zhǎng)調(diào)制差分光聲雷達(dá)(wavelength-modulated differential photoacoustic radar,WM-DPAR)成像可顯著抑制背景吸收并放大兩個(gè)光聲信號(hào)的差異。基于這一特點(diǎn),WM-DPAR成像可檢測(cè)到總血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧合度的微小變化,從而有利于腫瘤的早期識(shí)別和乏氧微環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過(guò)免疫組化染色的方法,這一結(jié)論在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證,WM-DPAR成像可較為準(zhǔn)確的顯示組織氧飽和度。雖然該研究展示了DSI在腫瘤微環(huán)境乏氧評(píng)估中的應(yīng)用潛力,但其掃描時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采樣要求高等特點(diǎn)仍是制約其進(jìn)一步研究與應(yīng)用的主要障礙。隨著各種新型后處理技術(shù)的引入,未來(lái)DSI在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景有望進(jìn)一步拓寬。

2.動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI(dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI)

DCE-MRI通過(guò)靜脈注射順磁性低分子量對(duì)比劑,并在短時(shí)間內(nèi)記錄多個(gè)圖像來(lái)研究對(duì)比劑在器官或腫瘤中的攝取情況,不僅可計(jì)算出相對(duì)強(qiáng)度(relative enhancement,RE)、最大相對(duì)強(qiáng)度(maximum relative enhancement,MRE)、最大強(qiáng)度(maximum relative enhancement,ME)、流入速率(wash-in rate,WIR)、流出速率(wash-out rate,WOR)、達(dá)峰時(shí)間(time to peak,TTP)等半定量參數(shù),還可獲得內(nèi)皮轉(zhuǎn)移常數(shù)(endothelial transfer constant,Ktrans)、血管外細(xì)胞外腔容積分?jǐn)?shù)(fractional extravascular extracellular space volume,Ve)、速率常數(shù)(rate constant,Kep)等定量參數(shù)[52],提供腫瘤組織的生理和代謝信息[53]。腫瘤細(xì)胞乏氧主要由低血流灌注和高細(xì)胞密度造成,DCE-MRI可以潛在地用于識(shí)別這些區(qū)域[54]。已有研究表明[55,56]DCE-MRI定量圖像參數(shù)與腫瘤乏氧有顯著相關(guān)性,認(rèn)為該技術(shù)可用于評(píng)估腫瘤乏氧。在宮頸癌[57]和胰腺癌[58]的體外異體移植模型研究中均發(fā)現(xiàn)Ktrans與哌莫硝唑染色結(jié)果呈顯著的負(fù)相關(guān)。并且,這一結(jié)果在患者模型中也得到證實(shí)[59]。在腦膠質(zhì)瘤的小鼠模型[60]和臨床模型[61]研究中也均發(fā)現(xiàn)Ktrans值和Ve值與HIF-1α的表達(dá)存在明顯的相關(guān)性(P<0.001),并且HIF-1α水平與膠質(zhì)瘤惡性程度的分級(jí)也有明顯關(guān)聯(lián)(P<0.001)。鼻咽癌的研究中RE值、ME值、MRE值與HIF-1α表達(dá)呈正相關(guān)[62], Ktrans值和Kep值與HIF-1α表達(dá)呈顯著負(fù)相關(guān)[44]。另外,潘江洋等[63]在兔 VX2肝種植瘤模型中也發(fā)現(xiàn)Ktrans值與VEGF表達(dá)呈正相關(guān)(r=0.651)。然而,前列腺癌的研究中[64]并未發(fā)現(xiàn)DCE-MRI參數(shù)與HIF-1α存在相關(guān)性。目前,相對(duì)的非特異性和不同成像設(shè)備之間缺乏方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化仍是DCE-MRI需要克服改進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題,這會(huì)使得結(jié)果的重復(fù)性存在困難。鑒于其對(duì)腫瘤血流和灌注信息的動(dòng)態(tài)定量反映的優(yōu)勢(shì),其在腫瘤乏氧成像中的應(yīng)用依然存在潛力。

3.血氧水平依賴MRI(blood oxygen level dependent MRI,BOLD-MRI)

血液中脫氧血紅蛋白為順磁性物質(zhì)。當(dāng)血液中的脫氧血紅蛋白的濃度增加時(shí),血管周圍的微觀磁場(chǎng)將發(fā)生變化,造成質(zhì)子的T2弛豫時(shí)間減少,局部信號(hào)降低[65]。BOLD-MRI利用這一原理,通過(guò)自旋去相位的速率(R2*)參數(shù)估量脫氧血紅蛋白含量,從而反映腫瘤氧分壓變化及乏氧狀態(tài)[66]。多項(xiàng)研究表明R2*值與氧分壓有顯著聯(lián)系[67,68]。腫瘤R2*和氧誘導(dǎo)ΔR2*與腫瘤乏氧和氧合改善的關(guān)系,也已經(jīng)在一系列臨床前腫瘤模型中得到證實(shí)[69-72],R2*值的降低可有效反映體內(nèi)腫瘤氧合程度的增加[73]。研究表明[74]R2*值與哌莫硝唑染色結(jié)果之間存在顯著聯(lián)系。他們發(fā)現(xiàn)R2*對(duì)腫瘤乏氧的敏感度較高(88%),但特異度較低(36%)。Panek等[75]將BOLD應(yīng)用于頭頸部惡性腫瘤的研究中,檢測(cè)到腫瘤自發(fā)的R2*值波動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)這種波動(dòng)僅與灌注受損區(qū)域相關(guān),而與慢性乏氧區(qū)域相關(guān)性不佳,進(jìn)而判斷出腫瘤微環(huán)境中還存在循環(huán)乏氧。另外,McPhail和Robinson[72]在大鼠乳腺腫瘤模型中也發(fā)現(xiàn)了哌莫硝唑加合物與R2*值具有良好的相關(guān)性。矛盾的是處于低氧狀態(tài)的腫瘤數(shù)量越少,R2*值反而更高。這表明R2*值與腫瘤乏氧的關(guān)系還需要在一系列不同類型的腫瘤中得到進(jìn)一步證實(shí)。上述一系列研究表明BOLD-MRI參數(shù)對(duì)腫瘤微環(huán)境的乏氧狀態(tài)有良好的檢測(cè)能力,為其進(jìn)一步應(yīng)用于腫瘤乏氧相關(guān)細(xì)胞因子水平的評(píng)估提供了可能性。一項(xiàng)乳腺癌的研究中[76]研究者發(fā)現(xiàn)R2*與CA IX水平呈正相關(guān),但與VEGF水平無(wú)顯著相關(guān)性。這表明BOLD - MRI可以評(píng)估腫瘤的慢性乏氧。然而在探究R2*與腫瘤HIF-1α表達(dá)水平的少量研究中結(jié)果卻并不理想。Li等[77]在腎癌的動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1α水平與腫瘤R2*值不存在相關(guān)性。早期宮頸癌中[45]HIF-1α水平與R2*值存在中度相關(guān)(r=0.491,P<0.001)。乳腺浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌中[78]腫瘤的平均R2*值也僅與HIF-1α水平存在中度相關(guān)(r=0.516,P<0.001)。因此,BOLD-MRI用于腫瘤乏氧相關(guān)因子評(píng)估的研究還相對(duì)匱乏,還需要大量實(shí)驗(yàn)佐證其應(yīng)用價(jià)值。

由于BOLD圖像采集過(guò)程中需要通過(guò)引入麻醉劑、胰島素誘導(dǎo)低血糖和吸入氣體混合物等方式(改變代謝需求和血流)引起血液氧合狀態(tài)發(fā)生變化,方法較為繁瑣,不適合用于臨床常規(guī)檢查[79]。并且,R2*值與氧分壓并非呈線性關(guān)系[80],R2*值也僅反映血管內(nèi)脫氧血紅蛋白含量,而并不能直接反映腫瘤乏氧狀況。鑒于這一系列的局限性,研究者們開發(fā)出定量BOLD(quantitative BOLD, qBOLD)模型。它在大幅縮短掃描時(shí)間的同時(shí)保持了較高的信噪比,并可直接測(cè)量局部或總體血氧飽和度水平[81-83]。但是,目前只有極少數(shù)的研究將qBOLD應(yīng)用于腫瘤乏氧成像。Bennani-Baiti等[84]在侵襲性乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)氧萃取率(OEF)、氧代謝率(MRO2)、線粒體氧張力(MitoPO2)均可較好反應(yīng)腫瘤的乏氧狀態(tài)和腫瘤的侵襲性。Maralani等[85]在研究侵襲性星形細(xì)胞瘤的乏氧情況時(shí)應(yīng)用qBOLD生成組織氧飽和度(StO2)圖,發(fā)現(xiàn)CA IX在高StO2位置與低StO2位置之間存在差異。

4.磁共振波譜(magnetic resonance spectrum,MRS)

質(zhì)子的共振頻率與質(zhì)子周圍電子云產(chǎn)生的磁屏蔽作用密切相關(guān)。由于人體內(nèi)各種代謝物中的質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境各不相同,導(dǎo)致這些代謝物的共振頻率出現(xiàn)差異,在MRS上表現(xiàn)為不同的吸收峰位置,吸收峰高度即可反映對(duì)應(yīng)代謝物的濃度。正常人體中各種代謝物的濃度總是相對(duì)穩(wěn)定的,因此當(dāng)代謝物濃度發(fā)生變化時(shí)即可提示人體內(nèi)存在病理生理變化,這一變化可被MRS敏感識(shí)別。目前,這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于腫瘤的乏氧評(píng)估,如利用19F-MRS可檢測(cè)腫瘤內(nèi)乏氧相關(guān)代謝物2-硝基咪唑的儲(chǔ)留量,以及利用全氟化碳(perfluorocarbon,PFCs)19F-MRS可檢測(cè)腫瘤的氧張力變化。近期,O'Neill等[86]通過(guò)將鈷(Co)復(fù)合物作為磁共振成像對(duì)比劑,利用質(zhì)子磁共振波譜成像(1H-MRS)監(jiān)測(cè)從雙磁性Co(III)還原到順磁性Co(II)所引起的水信號(hào)變化來(lái)監(jiān)測(cè)生物還原。腫瘤微環(huán)境乏氧的狀態(tài)下這種Co源生物還原性藥物可被激活,而在常氧健康條件下毒副作用較低。這種方法間接評(píng)估了腫瘤微環(huán)境的乏氧狀態(tài)并為Co源生物還原性藥物用于腫瘤的治療提供了指導(dǎo)。過(guò)去的一項(xiàng)研究利用18F-氟米尼達(dá)唑(18F-FMISO)PET量化了腦膠質(zhì)瘤的乏氧情況。Ratai等[87]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究1H-MRS作為腦膠質(zhì)瘤患者預(yù)后標(biāo)志物的潛力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)MRS標(biāo)記物N-乙酰天門冬氨酸(NAA)/膽堿(Cho)在腫瘤中(AUC=0.83)和腫瘤周圍區(qū)域(AUC=0.95)均對(duì)患者的1年生存有預(yù)測(cè)作用,腫瘤中較高的乳酸(Lac)/肌酸水平與較差的預(yù)后密切相關(guān) (AUC=0.79)。雖然上述研究結(jié)果均表現(xiàn)了MRS在腫瘤乏氧檢測(cè)中的可行性,但利用該技術(shù)直接對(duì)乏氧水平進(jìn)行評(píng)估的研究尚未報(bào)道。MRS檢測(cè)的物質(zhì)大多不具有特異性,這可能是阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的重要原因。但是,隨著各種新技術(shù)的引入,MRS對(duì)物質(zhì)的特異性識(shí)別的能力將得到進(jìn)一步增強(qiáng)。因此未來(lái)有望在腫瘤乏氧定量評(píng)估領(lǐng)域得到更深入的應(yīng)用。

5.電子順磁共振成像(electron paramagnetic resonance imaging,EPRI)

人體內(nèi)包括乏氧在內(nèi)的各種病理因素會(huì)導(dǎo)致大量的自由基生成,這些自由基均含有至少一個(gè)的未成對(duì)電子。EPR利用這一原理,通過(guò)引入不同的可與自由基結(jié)合的順磁性對(duì)比劑,從而檢測(cè)自由基在人體內(nèi)的空間分布。目前EPR在腫瘤乏氧微環(huán)境的檢測(cè)中已取得了一些進(jìn)展如通過(guò)氧化亞氮、印度墨汁(india ink)、活性炭 (charcoal)和鋰酞菁(lithium phthalocyanine,LiPc)等順磁性對(duì)比劑可檢測(cè)組織乏氧水平[88]。近期,Swartz等[89]開展了一項(xiàng)關(guān)于EPR血氧計(jì)臨床應(yīng)用的系統(tǒng)性多中心研究,通過(guò)3種互補(bǔ)形式的材料(印度墨水、OxyChips和可植入諧振器)評(píng)估微粒氧敏感EPR的臨床價(jià)值,結(jié)果表明OxyChips可使傳感器與對(duì)比劑的最大距離擴(kuò)大至20 mm,這將極大地增強(qiáng)表面諧振器的應(yīng)用,從而對(duì)更深層次的腫瘤進(jìn)行評(píng)估。Krzykawska-Serda等[90]在小鼠立體定向MCa4腫瘤組織中,利用三苯甲基自旋探針作為EPR對(duì)比劑對(duì)乏氧區(qū)域進(jìn)行評(píng)估,并使用ELISA檢測(cè)3種乏氧標(biāo)志物(HIF-1α、VEGF、CA IX),結(jié)果表明EPR識(shí)別的低氧部分與HIF-1α、VEGF和CA IX之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。這再一次證實(shí)了EPR對(duì)腫瘤乏氧區(qū)域的識(shí)別能力。另外,鑒于目前大多數(shù)確定可用于氧氣水平測(cè)量的EPR材料大多不能應(yīng)用于醫(yī)療,Desmet等[91]探究了Carbo-Rep?(一種用作術(shù)前腫瘤定位的液體標(biāo)記的木炭懸浮液)的磁性特征是否可用于EPR乏氧成像,結(jié)果在Carbo-Rep?中發(fā)現(xiàn)了呈現(xiàn)出高氧敏感性的順磁中心。當(dāng)切換呼吸源時(shí)大鼠的腫瘤中可監(jiān)測(cè)到氧合的細(xì)微變化。這表明Carbo-Rep?的磁性特征未來(lái)有望在臨床EPR血氧儀中進(jìn)行應(yīng)用。盡管如此,EPR顯像劑大多為非醫(yī)療材料的這一特點(diǎn)依然限制了其在臨床中的廣泛應(yīng)用,故未來(lái)還需進(jìn)一步探索醫(yī)用材料用于EPR現(xiàn)象的可能性。

6.全氟化碳MRI(perfluorocarbon MRI,PFC-MRI)

臨床應(yīng)用MRI大多是基于氫原子核(1H)進(jìn)行成像。除此之外,基于19F的MRI技術(shù)也已被廣泛報(bào)道。由于人體軟組織中不存在19F,故其產(chǎn)生的MR信號(hào)完全來(lái)自外源性引入的19F對(duì)比劑,這造就了其高信噪比及定量成像的特性[92]。目前,PFC納米粒子被認(rèn)為是19F-MR一種良好的定量對(duì)比劑,其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),可與脂質(zhì)載體進(jìn)入血液循環(huán),最終經(jīng)肺排出體外[93]。同時(shí),PFC具備較強(qiáng)的攜氧能力,當(dāng)PFC經(jīng)過(guò)乏氧組織時(shí),溶解在其中的氧可較容易的被提取,這為其用于腫瘤乏氧成像提供了可能性。目前已有多項(xiàng)研究表明其對(duì)組織氧分壓評(píng)估的可行性[94-96]。近期,Zhou等開發(fā)了一種搭載PFC和依托泊苷(EP)的Fe3O4中空多孔治療納米平臺(tái)(PHMNPs)。結(jié)果表明PHMNPs能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)向?qū)嶓w腫瘤輸送氧氣,從而有效地降低腫瘤細(xì)胞對(duì)低氧誘導(dǎo)的EP抵抗,并同時(shí)對(duì)氧氣遞送過(guò)程進(jìn)行MR成像。盡管PFC-MRI在乏氧成像中表現(xiàn)出巨大的潛力,但其依然存在一些缺陷有待解決。例如,雖然由于人體內(nèi)缺少19F成就了其高特異性的優(yōu)點(diǎn),但背景信號(hào)的缺失使采樣參數(shù)優(yōu)化及運(yùn)動(dòng)偽影的評(píng)估變得更加困難。因此,將應(yīng)用于腫瘤乏氧的定量評(píng)估還需進(jìn)一步探索與優(yōu)化。

目前,應(yīng)用fMRI方法評(píng)估腫瘤微環(huán)境乏氧水平已取得一定的進(jìn)展,各種fMRI具有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn),但是在應(yīng)用過(guò)程中仍存在諸多問(wèn)題有待解決。①圖像分割問(wèn)題:目前大多采用手動(dòng)分割方式選取ROI,由于各操作者水平不一,加之缺乏統(tǒng)一的分割標(biāo)準(zhǔn),不同研究者所獲得的分割區(qū)域特征有一定差異。由于腫瘤壞死區(qū)域總是乏氧的,分割時(shí)誤將壞死區(qū)域納入將影響最終的結(jié)果。雖然已出現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)分割方法,但仍不能應(yīng)用于所有圖像。②影像參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題:臨床應(yīng)用中由于各中心、各機(jī)器參數(shù)設(shè)置缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因此難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和比較不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果及成像參數(shù)[97]。③影像-病理匹配性問(wèn)題:目前大多數(shù)研究?jī)H是采用取平均值的方法,在ROI和病理切片中獲得研究參數(shù),并未對(duì)圖像與病理標(biāo)本進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配,這會(huì)對(duì)結(jié)論可靠性產(chǎn)生影響。雖然已有少量研究應(yīng)用特殊方式提高影像-病理匹配性,如MRI-神經(jīng)導(dǎo)航立體定向活檢技術(shù)(MRI-neuronavigation stereotactic biopsies)[61]與體表標(biāo)記定位[42]等技術(shù),但仍未開發(fā)出適用于所有腫瘤或區(qū)域的匹配方法。上述問(wèn)題均會(huì)對(duì)方法的可行性及結(jié)果的可靠性產(chǎn)生一定的影響?？傊?fMRI乏氧成像擁有廣闊的發(fā)展空間,需要更多的研究證實(shí)及確定最佳預(yù)測(cè)參數(shù)。并且,隨著影像組學(xué)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展,研究者可進(jìn)一步挖掘經(jīng)肉眼無(wú)法辨別的高維度特征,從而更深層次的探究細(xì)胞微環(huán)境信息,為乏氧的精準(zhǔn)識(shí)別和可視化提供更多可能性。因此,fMRI日后必將成為探索腫瘤微環(huán)境和腫瘤精準(zhǔn)個(gè)體化醫(yī)療的重要工具,為腫瘤診療方案的選擇與制訂提供重要的參考與指導(dǎo)。