DCE-MRI在診斷腫瘤乏氧中的應用

梁璟慧綜述 李金高審校

腫瘤組織中普遍存在著乏氧現象，它將影響腫瘤治療的敏感性，并促進腫瘤生長、侵襲及轉移。若能準確診斷乏氧，即能提供預后信息，從而指導個性化的治療。

1 關于腫瘤內乏氧及其診斷現狀

乏氧現象的出現是因為其中微血管結構的異常和微環境的嚴重破壞。在腫瘤的血管網絡中存在著諸如動靜脈分流此類混亂的微循環構成，甚至其中的微動脈與正常組織中的相比也更加乏氧，其運送的血液中僅含血漿而無紅細胞。在腫瘤的血管床中，流經動靜脈分流的血液占腫瘤總血流量的30%，從而產生血液流經腫瘤組織但不輸送氧氣這一現象。

乏氧通過凋亡潛能細胞選擇作用使腫瘤生長、侵襲及轉移能力增加，并因為其調控血管生成和細胞糖代謝、誘導多藥耐藥基因(MDR)和其編碼的P糖蛋白的高表達，使逃脫電離輻射物理殺傷的腫瘤細胞獲得必要的生存條件而致放療敏感性降低[1～3]，引起腫瘤產生對放化療的抵抗性[4]，這是導致治療失敗的最主要因素之一。治療方案中我們需要及時發現并糾正乏氧，目前檢測乏氧的主要方法：①氧敏感電極法：氧敏感電極法是目前唯一能直接測定腫瘤組織乏氧的方法，曾被認為是探測腫瘤氧分壓的“金標準”，但僅限于較淺表的腫瘤，而腫瘤內部氧分壓的異質性也限制了其應用。②DNA 彗星分析法(cometassay)：這種方法的理論基礎是電離輻射導致的DNA損傷在有氧細胞中為無氧細胞的3～4倍。其優勢在于可提供放療當時的乏氧狀況，但只適用于單次大劑量(>4 Gy)的電離輻射，從而限制了其在臨床上的應用。③核磁共振光譜法：包括血氧水平依賴性(blood oxygen level-dependent，BOLD)MRI、overhauser MRI(OMRI)、電子順磁共振成像(electron paramagnetic resonance imaging，EPRI)等特定的磁共振技術。這些方法雖有所研究，尚無基于大量的基礎及臨床研究而生的定論。④核醫學技術：運用不同標記乏氧組織的顯影劑行SPECT或PET而對乏氧進行定性及定量的檢測。乏氧顯像法作為1種無創、全面且可重復性的方法成為近年來研究最熱門的技術，其檢測的可靠性和準確性也不斷得到驗證，但它與乏氧組織結合的機制有待于進一步的研究。各種檢測方法除自身局限性外尚存在著對人體損傷及難以重復操作等缺點，無1種可作為常規檢查應用于臨床。分子功能影像的出現使我們對腫瘤乏氧的探測又有了新的手段，我們需要探測出1種適于常規運用的更新、更理想的乏氧組織顯像技術。

2 用動態增強磁共振(DCE-MRI)技術診斷乏氧的理論基礎

以MRI為基礎的影像學方法是目前描繪腫瘤大小、體積較為準確、直觀且為大部分患者能耐受的非侵襲性的方法，而DCE-MRI因其在評估腫瘤微循環中的作用被人們日益重視。這種技術基于快速注射對比造影劑后引起信號強度發生短暫的變化。目前應用于臨床的造影劑為相對分子質量小于1000的小分子(ECF)對比造影劑(Gd-DTPA)，其通過快速注射后可迅速滲透到除腦、睪丸外人體大部分組織的血管外-細胞外間隙(EES)中。在T1WI中，滲透到血管內和EES的順磁性對比造影劑因質子自旋與自由電子自旋的偶極——偶極作用增強了鄰近質子的弛豫，引起T1時間縮短，從而導致周圍組織的信號強度發生變化。因強化程度受到諸如血液灌注、微血管密度、血管床滲透性和細胞外滲空間等微環境參數的影響，強度變化反映了組織的滲透性和血管生成等情況。而組織的氧合依賴于其中的微循環及組織的滲透性，血流灌注缺乏通常為腫瘤細胞乏氧的首要原因，因此DCE-MRI對診斷腫瘤乏氧甚至預后的判斷具有重要作用。DCE-MRI通過對比造影劑強度變化的定量描述或更復雜的方法，即通過建立在對比劑藥物動力學行為基礎上的生理參數，來描述腫瘤組織內的乏氧現象。因其無電離輻射，故對于要求重復成像的灌注研究而言，是1種理想的方法。

3 DCE-MRI診斷乏氧的方法

現階段，被研究用于探測乏氧的主要DCE-MRI指標包括半定量及定量參數。

3.1 半定量參數

半定量參數包括對比劑到達腫瘤組織時間(time at arrival of contrast inflow，T1 on set)，到達強化高峰時間(time to peak，TTP)、強化曲線平均斜率最大斜率(slope and maximum slope)、對比增強率(contrast enhancement ratio，CER)。

他們由組織的增強-時間曲線直接獲得，具有在治療前預測腫瘤消退和局部控制情況的潛能。Zahra等通過臨床實驗證明在治療前行DCE-MRI，獲得的增強-時間曲線中到達強化高峰時間越短，曲線斜率越大，CER越高，腫瘤消退程度將越明顯[5]。

但由于不同的系統之間基礎信號存在差異致半定量參數數據在不同的MR掃描或脈沖序列中不易比較，且參數反映感興趣區域(ROI)的對比劑濃集不準確，美國國家癌癥研究院(NCI，USA)推薦將定量測量值，如Ktrans、IAUGC，作為DCE-MRI研究的首要點[6]。

3.2 定量參數

人們研究出了許多藥代動力學模型用于導出能描述影響DCE-MRI對比強化那些變量的定量參數。在那些能模擬出血漿內對比劑濃集的模型中，我們可以通過直接測量或通過模型中某一功能評估來獲得參數。二分隔Tofts模型最為廣泛使用。它假設細胞外血管外間隙(EES)和血漿為2個獨立的空間，小分子對比劑注入后可迅速到達兩者內且兩者間通透性不會隨著時間而改變。針對這一模型，Tofts等[7]研究出1套標準化的動態測量方法，其參數包括：血漿與EES間的容積轉移常量(Ktrans)、血漿與EES間的速率常數(kep)、EES容積(滲漏空間、ve)、最初對比劑浸出分數和血液灌注分數量(E、F)。此外，ROI血漿容積分數(fPV)、Gd-DTPA滲透-時間曲線下的初始區域(IAUGC)與強化速度和范圍密切相關，故也被NCI定為用于DCE-MRI研究的1個重點。

Ktrans最早由Patlak等提出，繼而被不同的研究組用于其他成像模態中。在早前的MRI工作中，有學者把他指作κ和κPSp。單向的血液注入常量有Ki、Gd-DTPA體積分系數λ和參數κ2，其中Kiρ(1-Hct)= Ktrans，λ=νe/ρ，κ2= kep。Ktrans也曾被稱作“E·F”(以下研究中有用到)，但因其易與心臟射血分數(cardiac ejection fraction)或MRI增強因子(MRI enhancement factor)縮寫混淆而不被使用。根據組織內毛細血管滲透性和血流之間的平衡不同，Ktrans的生理學表示方式也不一樣。在高度滲透的環境里(Kety模型)，流經內皮的血流量有限，對比劑量受到血流灌注的制約，Ktrans近似于每單位體積的血漿流量；而當組織血管滲透性差，對比劑向血管外的轉運受限時，Ktrans等于每單位體積中血漿與EES間滲透性區域表面的物質量。因為腫瘤中微血管對小分子對比劑具有高滲透性，因此在研究腫瘤乏氧中我們通常使用Kety模型計算各定量參數。

EES即對比劑漏出毛細血管后到達的細胞外的區域，ve曾被Patlak和其他學者用以表示這個區域的體積。但在EES中仍有些區域(除纖維組織)是對比劑無法進入的，變量應是漏出的區域(即分布區域)而非EES，因此我們退而用ve代表組織每單位體積的EES體積分數，此為一百分比。

kep為以上兩個生理學基本參數Ktrans和ve的比值：kep=Ktrans/ ve。

4 DCE-MRI診斷乏氧的相關研究

以上參數廣泛使用于探測腫瘤乏氧的DCE-MRI實驗中。

Ceelen等[8]將CC531腸癌細胞嫁接入小鼠中，研究以P792為對比劑的DCE-MRI如何顯影腸癌中放療對微血管滲出的作用。他們在小鼠放療前和放療后5天(每天照射劑量5 Gy)分別予以DCE-MRI，并描繪由Ktrans和ve產生的參數曲線。同時放療前后腫瘤中心及邊緣的氧分壓圖也分別完成。測得Ktrans和ve的平均值在放療后所有的腫瘤區域中均明顯下降。腫瘤中心的氧分壓平均值放療前為6.8 mm Hg，放療后升至7.7 mm Hg (P<0.001)；腫瘤邊緣的氧分壓放療前為3.5 mm Hg，放療后升至4.4 mm Hg (P<0.001)。腫瘤中心的平均微血管密度(MVD)放療前10.4，放療后升至16.9 (P<0.001)。VEGF在RT后的小鼠中明顯更高。他們通過以P792作為對比造影劑的DCE-MRI顯示出了在這個直腸癌模型中的微血管中的定量變化，證實放療明顯降低了新生血管的漏出，提高了組織氧合作用和VEGF的表達。放療后的DCE-MRI參數Ktrans、ve與腫瘤氧分壓均分別存在著相關性(γ=-0.57，P=0.08；γ=-0.65，P=0.04)，但參數與MVD和VEGF表達無關。

Cho等[9]使用未治療R3327-AT前列腺腫瘤模型以研究DCE-MRI在診斷腫瘤乏氧中的作用。研究獲得分別來源于灌注的，乏氧的和壞死的區域DCE-MRI時間-信號曲線和用乏氧探針測得高度染色的乏氧區域的kep圖。圖像表明：正常區域Gd-DTPA呈現出“快進快出”圖像；而乏氧區域因為血管化作用的降低，Gd-DTPA攝取、浸出均延遲，出現“慢進慢出”現象；壞死區域的MR信號強化最慢，并且無對比劑浸出。同時，他們也探討了在不同大小的腫瘤中，kep和腫瘤乏氧的相關性，結論是在中等大小的腫瘤中(500～1200 mm3)kep與腫瘤乏氧最為相關。

Egeland等[10]認為乏氧組織因氧供缺乏、氧耗高(細胞密度大)將引起DCE-MRI參數中低E·F，低λ，因此2006年使用A-07人黑色素瘤異種移植物作為人腫瘤臨床前模型以證實其對E·F及λ與腫瘤組織中乏氧細胞分數關系的猜想。實驗證實了E·F與乏氧細胞分數存在著明顯統計學差異，但λ與分數之間的差異卻不明顯。繼而推測A-07腫瘤內細胞乏氧存在著差異性主要因其中氧供缺乏有差別所致。但研究者補充此結果并不適用于那些與A-07黑色素瘤生物、生理特性均不同的腫瘤。也許一些腫瘤瘤內細胞外體積分數較血流灌注差異更大，我們并不能排除λ與腫瘤組織中乏氧細胞分數存在明顯統計學差異的可能性。因而需要對與A-07腫瘤特性相同者進行更深入的研究，對不同者則更有待探索。

基于上述不確定性，Egeland等[11]再次用A-07和R-18人黑色素瘤異種移植物作為人腫瘤臨床前模型深入研究E·F及λ與腫瘤組織中微血管密度(MVD)、細胞外體積分數(ECVF)及乏氧細胞分數間的關系。實驗得出結論：E·F與MVD相關，與乏氧分數存在負相關性，而λ也與ECVF相關。同時，R-18腫瘤乏氧分數要比A-07者高出6.5個單位，這與A-07腫瘤中E·F和微血管密度值比R-18高，組織密度比R-18低(λ與ECVF低)這一發現一致。

英國皇家馬斯登醫院與英國腫瘤研究所對DCE-MRI各項參數與腫瘤內乏氧的探測做了較為全面的臨床實驗。Newbold等[12]選取7例頭頸部腫瘤患者，23個感興趣區域(即每個患者至少標記3個感興趣區域，其中包括肉眼可見的與正常組織不同區域和大片壞死區域)，以研究能否將DCE-MRI的某些參數作為腫瘤內乏氧的新標志。乏氧通過乏氧探針和CA9定義。乏氧探針為乏氧外源性標志物，當乏氧程度達氧分壓小于10 mmHg時探針染色，它反映無論急性或慢性的乏氧情況[13]。CA9的表達因反映了腫瘤內微環境的酸堿平衡而被作為乏氧的內源性標志。當氧分壓小于20 mmHg時其表達反映了中、高等級的乏氧程度。Vordemark 等[14]有過報道，CA9在乏氧后6 h表達，再氧合的至少96 h內處于穩定。因而把CA9在腫瘤中表達視為即時或之前出現長期乏氧的標志[15，16]。研究中涉及的DCE-MRI半定量及定量參數分別包括T1 on set、TTP、平均坡度及Ktrans、ve、kep。實驗證明：定量、半定量參數均與乏氧探針探測得分為4的區域有著相關性，其中與其關系有顯著統計學意義的參數包括Ktrans，kep，T1 on set和TTP。而在得分為1～4的區域中，參數與乏氧間也存在相關性，但未達到統計學意義。

結合以上實驗室研究結果，我們可以意識到DCE-MRI為腫瘤乏氧的診斷開辟了1條新的道路。局部進展的腫瘤中，乏氧的分布存在著明顯的不同，這將影響放療的敏感性和遠處轉移的發生[17～20]。而腫瘤細胞之所以出現乏氧是因為其組織中的氧供需不平衡，因此乏氧最主要的決定因素是腫瘤中血管的構成、功能以及血管生成的程度[21]。目前對乏氧的直接測量方法通常需要進行一些對人體有侵入性的步驟，如極譜描記電極的插入。這些帶有侵入性的方法也易受到空間和時間的制約，僅限于相對少量的測量物在某一特定時間到達易進入的腫瘤。因此，人們將診斷乏氧的目光投向了分子功能影像手段。MRI能在高分辨率的基礎上對腫瘤脈管系統及其生理形態提供獨特的結構、功能信息，DCE-MRI則更加能提供腫瘤內微環境的血流灌注信息。這不僅能為其他影像手段提供補充，而且測量的參數也能表明腫瘤乏氧和脈管系統之間的關系。若能有效判斷腫瘤內乏氧區域的空間分布，就能獲得一系列關于預后的信息，進而指導放療中局部劑量的分布。目前對于DCE-MRI診斷乏氧的能力已得到普遍認可，但具體參數的應用尚需更多的基礎研究及進一步大量的臨床證實。

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