肺癌中Ki-67的作用機(jī)制及影像組學(xué)的相關(guān)研究進(jìn)展

魏宇澤，盧再鳴，任瑩

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，沈陽 110004）

肺癌是一種患病率及死亡率較高的癌癥，也是全球癌癥相關(guān)死亡的主要原因，每年世界范圍內(nèi)約有2 000萬肺癌新發(fā)病例和7 900萬肺癌死亡病例［1］。Ki-67與細(xì)胞增殖關(guān)系密切，在一定程度上可以反映包括肺癌在內(nèi)的惡性腫瘤細(xì)胞增殖的活躍程度，從而判斷腫瘤的惡性程度及預(yù)后［2-3］。影像組學(xué)是一種新興的科學(xué)，可以從CT、MR以及PET圖像中高通量提取影像組學(xué)特征并篩選出與診療目的密切相關(guān)的特征，對(duì)腫瘤或疾病分型、預(yù)后或者基因組改變進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測［4］。本文就Ki-67在肺癌中的作用機(jī)制及影像組學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Ki-67概述

1.1 Ki-67的起源與結(jié)構(gòu)

Ki-67最早由GERDES等于1983年發(fā)現(xiàn)。Ki-67是一種細(xì)胞核蛋白，只存在于增殖分裂中的細(xì)胞核，而在靜止期的細(xì)胞核中不表達(dá)［5］。在人體中，Ki-67由位于染色體10q26.2上的MKI-67基因編碼，其總外顯子數(shù)為16。該基因由2種分子量不同（分別為320×103和359×103）的蛋白異構(gòu)體組成，由帶有或不帶有第7外顯子的mRNA前體選擇性剪接產(chǎn)生［6］。Ki-67的主要結(jié)構(gòu)包括N-末端的叉頭相關(guān)（forkhead-associated，F(xiàn)HA）結(jié)構(gòu)域、蛋白磷酸酶1（protein phosphatase 1，PP1）結(jié)合結(jié)構(gòu)域、功能未知的保守結(jié)合域、包含串聯(lián)重復(fù)序列的大中心區(qū)以及C-末端的染色質(zhì)（leucine/arginine-rich，LR）結(jié)合結(jié)構(gòu)域［7］。

1.2 Ki-67與染色體的關(guān)聯(lián)及在有絲分裂中的功能

Ki-67是一種染色質(zhì)相關(guān)蛋白，其與細(xì)胞周期各階段的染色質(zhì)生物學(xué)有關(guān)聯(lián)，可以在細(xì)胞周期各個(gè)階段發(fā)揮作用。有絲分裂染色體由5個(gè)主要區(qū)域構(gòu)成，即核小體/染色質(zhì)、染色體支架、著絲粒、端粒以及染色體外圍。其中染色體外圍有4個(gè)重要功能：（1）形成物理屏障，保護(hù)有絲分裂染色質(zhì)在核膜破裂后不受細(xì)胞質(zhì)蛋白的影響；（2）直接參與有絲分裂染色體結(jié)構(gòu)；（3）防止有絲分裂染色體相互粘連；（4）作為著陸墊，集中核仁蛋白，幫助有絲分裂退出時(shí)核仁重新激活［8-9］。而Ki-67是參與染色體外圍構(gòu)成的必要條件，缺乏Ki-67的細(xì)胞在有絲分裂期間染色體結(jié)構(gòu)異常，腫脹、扭曲［10］。在有絲分裂的早期階段，Ki-67可以形成排斥性分子刷，但是在有絲分裂結(jié)束時(shí)，這些分子刷解離，同時(shí)促進(jìn)染色體聚集，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)從重新組合的細(xì)胞核中排出［11］。近期的一項(xiàng)研究［12］表明Ki-67可以在有絲分裂間期控制間期異染色質(zhì)的核仁平衡，Ki-67的存在是及時(shí)復(fù)制著絲粒所需的必要條件。在人類細(xì)胞中，Ki-67的急性耗竭會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞在有絲分裂中出現(xiàn)DNA損傷，而位于Ki-67末端的LR結(jié)構(gòu)域可以有效抵抗該損傷，保證有絲分裂的正常進(jìn)行［13］。

1.3 Ki-67的表達(dá)調(diào)控

Ki-67存在于除靜息期和G0期之外細(xì)胞周期的所有階段，表達(dá)水平從G1到M期不等，在M期達(dá)到峰值之后緩慢下降至低水平。Ki-67mRNA表達(dá)受細(xì)胞周期轉(zhuǎn)錄因子的控制，與細(xì)胞周期基因的表達(dá)高度相關(guān)，E2F1和E2F2在G1期和S期可以促進(jìn)Ki-67轉(zhuǎn)錄，B-Myb促使S期和G2期Ki-67水平增加，而上述蛋白轉(zhuǎn)錄均需要細(xì)胞周期依賴性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）調(diào)節(jié)［14-15］。有研究［6，16］表明Ki-67包含約 80個(gè)已確認(rèn)和推定的CDK磷酸化位點(diǎn)，因此Ki-67的表達(dá)水平很大程度上受磷酸化調(diào)節(jié)，其磷酸化由多種激酶介導(dǎo)，如CDK1激酶、CDK1磷酸酶以及wee1激酶。此外，特異性蛋白1（specificity protein 1，Sp1）和腫瘤抑制因子p53在調(diào)節(jié)Ki-67啟動(dòng)子活性中可起到關(guān)鍵作用，p53可以通過與Ki-67啟動(dòng)子中的Sp1結(jié)合位點(diǎn)以及p53結(jié)合域相互作用，從而抑制Ki-67的轉(zhuǎn)錄［17］。

2 Ki-67在肺癌中的作用

Ki-67作為各種類型肺癌的重要預(yù)后標(biāo)志物，其高表達(dá)水平與腫瘤大小、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移以及腫瘤分期顯著相關(guān)［18-19］。在肺腺癌中，Ki-67的表達(dá)在不同肺腺癌組織學(xué)亞型中有顯著差異，在微乳頭狀和以實(shí)性成分為主型的腺癌中表達(dá)水平最高，同時(shí)，Ki-67可作為獨(dú)立的預(yù)后因素，高Ki-67表達(dá)的肺腺癌患者總生存期及無病生存期較短［20］。Ki-67指數(shù)在肺神經(jīng)內(nèi)分泌相關(guān)腫瘤亞型之間存在顯著差異，Ki-67指數(shù)在小細(xì)胞肺癌和大細(xì)胞肺癌中顯著高于類癌，同時(shí)Ki-67 指數(shù)水平較高是肺神經(jīng)內(nèi)分泌相關(guān)腫瘤患的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，總生存期較短［21-22］。在小細(xì)胞肺癌中，當(dāng)Ki-67指數(shù)≥60%時(shí)疾病進(jìn)展快，惡性程度高，預(yù)后不佳［23］。近期的一項(xiàng)研究［24］將Ki-67指數(shù)與第8版TNM分期整合，提出了一種肺類癌特有的綜合分期系統(tǒng)，該分期系統(tǒng)展示出了比僅基于TNM的亞組更好的增量分層。

另外，肺癌患者體內(nèi)Ki-67的表達(dá)水平可作為培溴利珠單抗、納武麗珠單抗等免疫治療和酪氨酸激酶抑制劑靶向治療以及化學(xué)藥物治療的預(yù)測性生物標(biāo)志物，用于觀察治療效果以及預(yù)測腫瘤復(fù)發(fā)情況［25-27］。

3 肺癌Ki-67的影像組學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展

3.1 影像組學(xué)在肺癌中的研究進(jìn)展

影像組學(xué)可以在常規(guī)醫(yī)學(xué)影像圖像中使用數(shù)字和機(jī)器學(xué)習(xí)方法提取并定量分析圖像特征，從而進(jìn)一步探索圖像特征與生物學(xué)和臨床結(jié)果的相關(guān)性。在一些特殊圖像中提取的影像組學(xué)特征可以分別反映病變的解剖學(xué)及功能學(xué)信息，而這些特征大多數(shù)肉眼不可見［4，28］。影像組學(xué)的最終目標(biāo)是建立更快、更可靠的臨床決策支持系統(tǒng)，減少臨床醫(yī)生的工作量并提高診斷、治療和預(yù)后的質(zhì)量，從而達(dá)到協(xié)助臨床醫(yī)生的目的［29-30］。經(jīng)典的影像組學(xué)工作流程包括圖像采集及預(yù)處理、病灶分割、特征提取、特征選擇、預(yù)測模型構(gòu)建、模型驗(yàn)證/評(píng)估，如果最后一步證明成功，則有機(jī)會(huì)進(jìn)入臨床實(shí)踐［31］。圖像采集及預(yù)處理是影像組學(xué)研究的第一步，也是最重要的一步，因?yàn)椴煌脑O(shè)備及采集技術(shù)會(huì)導(dǎo)致同一患者或病灶出現(xiàn)不同的圖像，所以需要進(jìn)行圖像預(yù)處理來盡量保證一致性［32］。病灶的分割可以采用人工、自動(dòng)或半自動(dòng)的方法，其中人工分割容易受到操作者主觀性的影響且較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)或半自動(dòng)的分割方法可以極大提升效率，但是這種分割方法可能達(dá)不到人工分割的準(zhǔn)確度，容易出現(xiàn)誤差。影像組學(xué)特征的提取可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取，常見的特征包括kurtosis、skewness以及體現(xiàn)圖像體素之間關(guān)系的參數(shù)，如灰度共現(xiàn)矩陣（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）、游程長度矩陣（run length matrix，RLM）、大小區(qū)域矩陣（size zone matrix，SZM）和鄰域灰度色調(diào)差異矩陣（neighboring graytone difference matrix，NGTDM）等［33］。模型構(gòu)建常常使用隨機(jī)森林、邏輯回歸或者支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其診斷效能可通過靈敏度、特異度、準(zhǔn)確度或受試者操作特征曲線的曲線下面積評(píng)估［34］。在肺癌領(lǐng)域中，影像組學(xué)已經(jīng)開展了眾多研究［35］，包括組織學(xué)亞型分類、治療效果的預(yù)測等。一項(xiàng)納入270例樣本的研究［36］表明，聯(lián)合臨床特征和基于CT的影像組學(xué)模型能夠有效預(yù)測非小細(xì)胞肺癌（nonsmall cell lung cancer，NSCLC）患者淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況、評(píng)估總生存期（overall survival，OS），其曲線下面積訓(xùn)練集為0.840，驗(yàn)證集為0.890。在鑒別病理類型方面，HAN等［37］使用PET/CT圖像區(qū)分NSCLC組織學(xué)亞型，并從基于影像組學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)算法中確立了最佳模型。應(yīng)用VGG16 深度學(xué)習(xí)算法的預(yù)測效能要優(yōu)于其他所有傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其準(zhǔn)確率高達(dá)0.841，曲線下面積為0.903。表皮生長因子受體（epithelial growth factor receptor，EGFR）突變或程序性細(xì)胞死亡蛋白1配體（programmed death-1，PD-L1）表達(dá)的NSCLC患者對(duì)免疫、靶向治療敏感，因此，評(píng)估EGFR突變或PD-L1表達(dá)對(duì)于NSCLC治療具有重要意義。ZHANG等［38］評(píng)估了治療前基于18F-FDG PET/CT的影像組學(xué)特征對(duì)肺癌患者EGFR突變狀態(tài)的預(yù)測能力，其訓(xùn)練集、驗(yàn)證集曲線下面積分別為0.960、0.870；MONACO等［39］調(diào)查了18F-FDG PET/CT影像組學(xué)在預(yù)測NSCLC患者 PD-L1 表達(dá)狀態(tài)中的作用，靈敏度可達(dá)到0.810，特異度可達(dá)到0.820，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的預(yù)測能力。除此之外，一些近期的研究［40-42］表明基于CT、MRI或者PET/CT的影像組學(xué)模型同樣對(duì)肺癌放化療和外科治療后的療效評(píng)估有重要作用。

3.2 影像組學(xué)預(yù)測肺癌Ki-67表達(dá)水平

近年來，肺癌Ki-67的影像組學(xué)相關(guān)研究得到了廣泛開展，一項(xiàng)納入282例樣本的回顧性研究［43］建立了包含基于增強(qiáng)CT影像組學(xué)特征與臨床危險(xiǎn)因素如吸煙史和神經(jīng)元特異性烯醇化酶（neuron-specific enolase，NSE）的列線圖模型，同時(shí)驗(yàn)證了其對(duì)于Ki-67指數(shù)的預(yù)測能力，驗(yàn)證集曲線下面積、靈敏度、特異度和準(zhǔn)確度可分別達(dá)到0.870、0.750、0.902和0.835。HUANG等［44］提出，基于CT影像組學(xué)特征可有效預(yù)測術(shù)前肺腺癌Ki-67的表達(dá)水平，以5%表達(dá)水平為標(biāo)準(zhǔn)可用于區(qū)分浸潤性肺腺癌和非浸潤性肺腺癌，起到對(duì)肺腺癌患者預(yù)后的評(píng)估作用。多項(xiàng)研究［45-47］表明，基于CT的影像組學(xué)模型同樣對(duì)早期肺腺癌（T1a～b期）和表現(xiàn)為亞實(shí)性或磨玻璃密度結(jié)節(jié)肺腺癌的Ki-67表達(dá)水平有較好的預(yù)測能力。對(duì)于罕見的肺部惡性腫瘤，影像組學(xué)同樣可以起到相同作用。近期的一項(xiàng)研究［48］表明，基于CT的若干影像組學(xué)特征與肺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤（pulmonary neuroendocrine tumors，pNET）中Ki-67的表達(dá)水平相關(guān)，有希望成為pNET 中具有潛在價(jià)值和新穎的生物標(biāo)志物。如“Kurtosis”可以非侵入性地高精度預(yù)測2%的Ki-67水平。

4 總結(jié)與展望

影像組學(xué)作為醫(yī)學(xué)中一項(xiàng)新興診療技術(shù)，其開發(fā)及應(yīng)用逐步趨于成熟，但用于臨床仍有巨大挑戰(zhàn)，需要多中心、大樣本、前瞻性的研究重復(fù)驗(yàn)證。Ki-67作為細(xì)胞增殖能力的預(yù)測指標(biāo)，已被證實(shí)與肺癌預(yù)后密切相關(guān)，但做到應(yīng)用影像組學(xué)無創(chuàng)、準(zhǔn)確預(yù)測Ki-67表達(dá)水平仍存在難度。在未來，針對(duì)肺癌Ki-67影像組學(xué)的研究將會(huì)更加深入，為肺癌的診斷以及治療提供新思路。