QSM三維直方圖分析評估成人型彌漫性膠質(zhì)瘤IDH基因型及腫瘤增殖活性

孫祎繁,楊哲婷,鄧凱吉,耿瑩茜,胡曉梅,蔣日烽

磁共振成像是一種廣泛用于膠質(zhì)瘤評估的非侵入性成像技術(shù)[7-8]。作為一種較先進的MRI技術(shù),磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging,SWI)可檢出膠質(zhì)瘤病灶內(nèi)的瘤內(nèi)出血、新生血管和鈣化等[9]。然而,SWI在準(zhǔn)確量化這些特征方面還存在一定的局限性。作為SWI技術(shù)的進一步發(fā)展,定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping,QSM)能更精確地定量評估組織內(nèi)磁化率的變化,具有較高的組織對比度及空間分辨率。QSM可用來估計大腦中各種物質(zhì)的含量,如鐵、血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和鈣化[10,11]。因此,QSM可能有助于膠質(zhì)瘤的診斷和分類,但目前QSM應(yīng)用于膠質(zhì)瘤的相關(guān)研究尚較少。另外三維直方圖分析能更好、更客觀地反映全瘤區(qū)的特征,因此,本研究旨在評價 QSM三維直方圖分析對成人型彌漫性膠質(zhì)瘤IDH基因型的診斷效能及QSM三維直方圖特征與腫瘤細(xì)胞增殖活性的相關(guān)性。

材料與方法

1.臨床資料

回顧性分析2019年1月-2022年1月在本院經(jīng)手術(shù)病理證實的彌漫性膠質(zhì)瘤患者的臨床資料及磁共振QSM掃描數(shù)據(jù)。納入標(biāo)準(zhǔn):①經(jīng)組織病理學(xué)證實為膠質(zhì)瘤;②在手術(shù)或活檢之前的 4 周內(nèi)進行了QSM 序列和結(jié)構(gòu)像 MRI掃描;③對術(shù)后切除的腫瘤組織進行了IDH基因型的檢測。排除標(biāo)準(zhǔn):①在MRI采集和/或手術(shù)前接受了放療和/或化療的患者;②患者MRI有明顯運動偽影。

本研究最終納入47例膠質(zhì)瘤患者,男27例,女20例,年齡32～62歲,平均48歲;27例IDH野生型和20例IDH突變型;37例為原發(fā)膠質(zhì)瘤,10例為復(fù)發(fā)膠質(zhì)瘤。根據(jù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)WHO分類2021標(biāo)準(zhǔn),星形細(xì)胞瘤IDH突變型14例(2級9例,3級1例,4級4例),少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤IDH突變伴1p/19q共缺失型6例(2級5例,3級1例),膠質(zhì)母細(xì)胞瘤IDH野生型23例,另外4例因分子診斷信息不足而被歸類為未分類型(not elsewhere classified,NEC)。

本回顧性研究已獲得本院倫理委員會的批準(zhǔn)。

2.MRI數(shù)據(jù)采集

在該切換過程中，在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)由2臺增加至4臺，推進電機M1-M4輸出功率由額定功率占比2%提高至20%，設(shè)日常負(fù)荷保持不變?yōu)? 096 kW。設(shè)工況1時在網(wǎng)運行發(fā)電機為G1和G5，第130 s發(fā)電機G3和G7并網(wǎng)，第145 s時4臺推進電機M1～M4功率由100 kW升至880 kW。

使用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR掃描儀和64通道頭線圈。MR結(jié)構(gòu)像掃描序列包括矢狀面磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo sequence,MPRAGE)T1WI、橫軸面FSE-T2WI、橫軸面T2-FLAIR和對比增強橫軸面、矢狀面、冠狀面T1WI。

QSM成像是基于橫軸面三維流動補償多回波梯度回波序列,掃描參數(shù):TR 35 ms;first TE 6.67 ms,平均回波間隔6.24 ms,last TE 25.39 ms;回波數(shù)4,翻轉(zhuǎn)角15°;視野280 mm×320 mm;體素大小0.72 mm×0.72 mm×2.00 mm。

3.數(shù)據(jù)處理和分析

基于Matlab軟件運行STISuite程序來處理原始的相位圖和幅度圖得到QSM圖,運行SPM12軟件將重建后的QSM圖以QSM掃描時GRE序列第一個(TE最短)幅度圖作為媒介配準(zhǔn)至FSE-T2WI圖像上,此外,將MPRAGE-T1WI、T2-FLAIR及增強圖像均配準(zhǔn)至FSE-T2WI圖像上。

由兩位神經(jīng)影像方向的主治醫(yī)師在不知道腫瘤病理分級及免疫組化結(jié)果的情況下進行ROI的勾畫。使用ImageJ軟件中的wand 1.49工具,利用基于閾值的半自動方法逐層勾畫ROI,ROI需包含整個腫瘤的實體區(qū)域。強化明顯的腫瘤在對比增強 T1WI 上進行ROI的勾畫(圖1),無明顯強化的腫瘤則在T2-FLAIR圖像上進行ROI的勾畫(圖2),并注意避開囊變、壞死、出血區(qū)域和鈣化[12]。最后將各層ROI融合生成三維容積感興趣區(qū)(volume of ROIs,VOI)。

圖1 女,40歲,左側(cè)額葉膠質(zhì)母細(xì)胞瘤,IDH野生型;a)T1WI增強掃描示病灶呈明顯不均勻強化,黃線為沿腫瘤邊緣勾畫的ROI;b) T2-FLAIR圖像示病灶呈不均勻高信號,周圍水腫呈明顯高信號;c)QSM圖示病灶內(nèi)高信號(出血)和低信號(鈣化)混雜分布;d)QSM直方圖。

隨后,將VOI轉(zhuǎn)移至QSM圖上,使用pyradiomics 3.0.1軟件獲得其直方圖(圖1d、2d)并提取了12個直方圖參數(shù):第10百分位數(shù)(10th percentile,P10)、P90、四分位數(shù)范圍(interquartile range,IQR)、峰度(kurtosis)、最大值(maximum)、平均絕對偏差(mean absolute deviation,MAD)、平均值(mean)、中位數(shù)(median)、最小值(minimum)、均方根(root mean square,RMS)、偏度(skewness)和方差(variance)。

4.病理分級及免疫組化

根據(jù)2021 WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)確定腫瘤的組織學(xué)分類及病理級別。IDH基因型由下一代測序法或針對IDH1 R132H和IDH2 R172H位點的免疫組化染色方法來確定,只要其中一個位點存在突變,則診斷為IDH突變型。采用Ki-67標(biāo)記指數(shù)(labeling index,LI)來評估腫瘤細(xì)胞的增殖活性,該指標(biāo)的分析方法為通過Ki-67免疫組化染色,在400倍的高倍鏡下觀察,視野內(nèi)染色陽性細(xì)胞數(shù)與總細(xì)胞數(shù)的百分比即為Ki-67 LI。

5.統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 26.0.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。采用Kruskal-Wallis檢驗來比較年齡和Ki-67 LI的組間差異,采用Fisher′s精確檢驗法比較性別和復(fù)發(fā)率的組間差異。采用Mann-WhitneyU檢驗比較不同IDH基因型之間直方圖參數(shù)的差異。采用ROC曲線和AUC評估每個直方圖參數(shù)的診斷效能和預(yù)測概率。采用Spearman相關(guān)分析評估Ki-67 LI與每個直方圖參數(shù)之間的相關(guān)性。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.臨床資料的分析

本研究中共納入47例成人型彌漫性膠質(zhì)瘤患者。

其中,27例為IDH野生型(A組),包括23例膠質(zhì)母細(xì)胞瘤,4例為NEC型;20例為IDH突變型,包括14例星形細(xì)胞瘤(非1p/19q共缺失,B組)和6例少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤(1p/19q共缺失,C組)。三組膠質(zhì)瘤臨床資料的比較結(jié)果見表1。三組之間性別構(gòu)成和復(fù)發(fā)占比的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),年齡和Ki-67 LI值的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),IDH野生型組的患者年齡和Ki-67 LI值均較高。

表1 三組膠質(zhì)瘤臨床資料的比較

2.不同IDH基因型膠質(zhì)瘤QSM直方圖參數(shù)的比較

不同IDH基因型之間QSM三維直方圖參數(shù)值的比較結(jié)果見表2。IDH突變型組的P10值顯著高于IDH 野生型組(P=0.016),而IDH突變型組的P90、IQR、Maximum、MAD、RMS和Variance的測量值均顯著低于IDH 野生型組(P<0.05),其它QSM三維直方圖參數(shù)值在兩組之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表2 不同IDH基因型膠質(zhì)瘤三維直方圖參數(shù)值的比較

采用ROC曲線分析評估各項QSM三維直方圖參數(shù)對不同IDH基因型成人型彌漫性膠質(zhì)瘤的鑒別診斷效能,結(jié)果詳見表3。各參數(shù)鑒別診斷的AUC范圍為0.526～0.774,其中IQR的診斷效能最高,其AUC為0.774,敏感度為70.0%,特異度為81.5%,其次是MAD和RMS,AUC分別為0.756和0.744(圖3)。

表3 QSM三維直方圖參數(shù)對不同IDH基因型膠質(zhì)瘤的鑒別診斷效能

圖3 QSM三維直方圖參數(shù)鑒別膠質(zhì)瘤IDH突變型與野生型的ROC曲線。四分位范圍表現(xiàn)出最高的診斷效能,其AUC為0.774,其次是平均絕對偏差和均方根,其AUC分別為0.756和0.744。

3.QSM三維直方圖參數(shù)與Ki-67 LI的相關(guān)性

各項QSM三維直方圖參數(shù)與Ki-67 LI之間的相關(guān)性見表4。分析結(jié)果顯示P90、IQR、Maximum、MAD、RMS、Skewness和Variance與Ki-67 LI之間均呈顯著正相關(guān)(P<0.01),其中IQR的相關(guān)系數(shù)值(0.531)最大,而P10與Ki-67 LI之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P=0.001)。

表4 QSM三維直方圖參數(shù)與Ki-67 LI之間的相關(guān)性

討 論

IDH基因型的精準(zhǔn)分型對于膠質(zhì)瘤術(shù)前診斷、個體化治療方案的選擇及預(yù)后的判斷十分重要。但目前明確膠質(zhì)瘤IDH基因型的常用方法是活檢術(shù)或手術(shù)切除后的分子檢測,但這些方法存在有創(chuàng)、診斷滯后、步驟繁瑣和可重復(fù)性差等問題。因此在治療前無創(chuàng)、準(zhǔn)確及動態(tài)地評估膠質(zhì)瘤IDH基因型具有重要的臨床意義。本研究探討了QSM三維直方圖分析在鑒別IDH基因型中的效能,發(fā)現(xiàn)提取的12個QSM直方圖參數(shù)中有7個參數(shù)在不同IDH基因型之間存在統(tǒng)計學(xué)差異,其中IQR表現(xiàn)出最高的診斷效能。此外,QSM的三維直方圖參數(shù)與反映細(xì)胞增殖活性的Ki-67 LI具有顯著相關(guān)性,其中以IQR與Ki-67 LI的相關(guān)系數(shù)最大。

本研究發(fā)現(xiàn)相比于IDH野生型膠質(zhì)瘤患者,IDH突變型膠質(zhì)瘤患者年齡更輕。在常規(guī)結(jié)構(gòu)像上IDH野生型與突變型膠質(zhì)瘤的影像表現(xiàn)亦存在差異,IDH突變型常表現(xiàn)為單發(fā),病灶內(nèi)壞死、出血少見,增強掃描無強化或輕度強化,這表明IDH突變型膠質(zhì)瘤的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低,微血管相對不豐富;而IDH野生型膠質(zhì)瘤的組織結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性更高,且由于腫瘤生長速度快而更易出現(xiàn)壞死,更豐富的微血管及血腦屏障破壞使得病灶常表現(xiàn)為明顯不均勻強化。上述表現(xiàn)與既往的研究結(jié)果基本一致[13]。

本研究結(jié)果顯示,IDH野生型組的QSM平均值高于IDH突變型組,這與Zeng等[14]的研究結(jié)果相似,他們還發(fā)現(xiàn)在IDH突變的膠質(zhì)瘤中,少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤的相對低磁化率顯著低于星形細(xì)胞瘤,這有助于識別IDH突變膠質(zhì)瘤中的少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤(AUC=0.78),且特異度高(100%)。Kong等[15]發(fā)現(xiàn)IDH1野生型和無O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(O6-methylguanine-DNA-methyltransferase,MGMT)啟動子甲基化的膠質(zhì)瘤腫瘤內(nèi)磁敏感信號(intratumoural susceptibility signal,ITSS)分級明顯高于IDH1突變型和有MGMT啟動子甲基化的膠質(zhì)瘤。由于IDH野生型膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤更具侵襲性,腫瘤內(nèi)新生的不成熟的微血管更容易破裂和出血,而QSM可定量分析顱內(nèi)鈣化、出血和鐵沉積,從這個意義上說,本研究中IDH野生型組與IDH突變型組之間QSM直方圖參數(shù)值的差異是合理的,似乎有一種明顯的趨勢,即膠質(zhì)瘤結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性越高,相應(yīng)的QSM直方圖參數(shù)值越高,這表明QSM直方圖參數(shù)可以作為對腦腫瘤侵襲性和異質(zhì)性的獨立衡量指標(biāo)。本研究中組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義的直方圖參數(shù)都是描述離散程度的指標(biāo)(IQR、MAD、RMS、Variance),這也符合QSM在評估腫瘤異質(zhì)性方面的優(yōu)勢,其中表現(xiàn)最佳的IQR常用于箱圖的繪制,是一種常用的統(tǒng)計學(xué)指標(biāo),反映了中間50%數(shù)據(jù)的離散程度,IDH野生型膠質(zhì)瘤的IQR明顯高于突變型,提示此型腫瘤內(nèi)磁化率分布更為離散,筆者認(rèn)為IQR是評估腫瘤異質(zhì)性的良好指標(biāo)。

傳統(tǒng)ROI測量方法,得到的是ROI內(nèi)信號強度的平均值,無法反映病灶的異質(zhì)性,而直方圖分析提供了更豐富的腫瘤特征信息,腫瘤全域直方圖分析減少了觀察者間和觀察者內(nèi)的變異[16]。直方圖的形狀、不對稱性可以更好地反映腫瘤結(jié)構(gòu)、生理學(xué)、分子和代謝的變化[17]。因而能更好、更客觀地反映全瘤灶的特征,這種分析方法在預(yù)測腫瘤病理分級和鑒別診斷方面顯示出潛力[18,19]。陳鑫等[20]研究發(fā)現(xiàn)基于對比增強T1WI的直方圖分析可用于預(yù)測多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的IDH1突變狀態(tài),其中以均數(shù)和中位數(shù)的診斷效能較好。而本研究結(jié)果顯示QSM直方圖參數(shù)中,尤其是描述數(shù)據(jù)離散程度的參數(shù),其對IDH基因型鑒別診斷效能的AUC更高,表明QSM直方圖參數(shù)能更好地捕捉腫瘤的異質(zhì)性,從而能更好地鑒別IDH基因型。

此外,本研究結(jié)果顯示Ki-67 LI在IDH野生型膠質(zhì)瘤,尤其是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中明顯增加,本研究還探討了QSM各直方圖參數(shù)與Ki-67 LI之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)8個QSM直方圖特征與Ki-67 LI具有顯著相關(guān)性。既往研究結(jié)果顯示,核蛋白Ki-67的表達與細(xì)胞增殖密切相關(guān),隨著膠質(zhì)瘤級別的升高,腫瘤惡性程度增加,腫瘤細(xì)胞增殖活躍,腫瘤組織內(nèi)Ki-67 LI值也隨之升高[21,22],這與本研究的結(jié)果一致。Ki-67 LI值越高,表明腫瘤細(xì)胞增殖越活躍,異質(zhì)性越高,而伴有出血、壞死等所造成的腫瘤結(jié)構(gòu)和微環(huán)境的復(fù)雜性,都可導(dǎo)致QSM直方圖參數(shù)中的相關(guān)參數(shù)值升高,即表現(xiàn)為正相關(guān)。其中以IQR的相關(guān)系數(shù)最高,提示該指標(biāo)能較好地在術(shù)前無創(chuàng)性預(yù)測膠質(zhì)瘤的細(xì)胞增殖活性。

本研究存在一定的局限性。首先,這是一項單中心研究,樣本量相對較小,尤其是少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤患者的例數(shù)很少,因此,QSM直方圖參數(shù)在鑒別IDH基因型方面的價值應(yīng)該在更大樣本量的人群中得到進一步驗證;其次,基于人工勾畫ROI的測量方法可能會造成一定的偏差,尤其是在邊界不清楚的膠質(zhì)瘤中。

總之,QSM直方圖參數(shù)可能有助于非侵入性地識別成人型彌漫性膠質(zhì)瘤的IDH基因型,因為它揭示了更多的腫瘤固有的微觀結(jié)構(gòu)和生理信息。對患者術(shù)前治療方案的個體化制訂具有重要的價值和意義。