磁共振功能成像預測膠質瘤分子表型的研究進展

柯曉艾，周俊林

膠質瘤是最常見的中樞神經系統原發性腫瘤，起源于神經上皮細胞，多呈侵襲性生長，具有高復發率、高致殘率以及高死亡率的特征，治療效果不佳。研究證明，具有不同分子遺傳學背景的同級別膠質瘤預后有較大的差異。目前已發現一系列分子標志物能夠幫助臨床診斷膠質瘤并預測腫瘤預后，其中包括異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變、染色體1p/19q聯合缺失、O6甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉移酶(O6-methylguanine-DNA methyhransferase，MGMT)啟動子甲基化、表皮生長因子體(epidermal growth factor receptor，EGFR)擴增等[1]，這些分子遺傳學標志物在腫瘤發生發展過程中發揮著重要的作用。用影像學方法預測腦膠質瘤分子表型的研究仍處于起步階段，隨著磁共振新技術的不斷涌現，為探索反映腫瘤微觀生物學改變提供了新方法。本文對磁共振功能成像預測腦膠質瘤分子表型的臨床應用進展進行綜述。

1 擴散磁共振成像在腦膠質瘤分子表型中的研究進展

1.1 擴散張量成像

擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是一種基于擴散加權成像(diffusion weighing imaging，DWI)而發展的高級磁共振成像技術，它能夠利用水分子在組織內不同方向擴散原理對神經纖維細微變化進行定性、定量分析，直觀顯示腦白質纖維走行以及白質纖維束與病灶的相互關系，能夠反映活體組織細胞內、外微環境中水分子的運動等變化[2]。在腦組織中，各向異性分數(fractional anisotropy，FA)反映了髓鞘的完整性及神經纖維束的致密性[3]。平均擴散率(mean diffusivity，MD)用來反映組織內水分子各個方向擴散張量總和的平均值[4]。表觀擴散系數(apparent diffusion coefficients，ADC)值反映了水分子運動的速度和范圍。擴散張量纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)主要顯示病灶與腦白質纖維束的關系，判斷功能區神經纖維束的形態、方向及受累情況，為臨床手術提供指導。

Figini等[5]研究發現，在WHO Ⅱ級和Ⅲ級膠質瘤中最大FA值及最小MD值在IDH野生型及IDH突變型膠質瘤中具有顯著差異。IDH野生型膠質瘤中的最小MD值較突變型減低，其最大FA值較突變型顯著增高。最小MD值與最大FA值的受試者工作特征曲線下面積(area under curve，AUC)值分別為0.73、0.74，并且他們表示這些峰度參數在預測評估WHO Ⅱ和Ⅲ級膠質瘤IDH突變狀態比傳統擴散成像參數更具優勢。然而，在伴和不伴有1p/19q缺失的IDH突變膠質瘤之間DTI各參數沒有顯著差異，這可能表明DTI尚不能夠檢測這些變異。Xiong等[6]研究了84例少突神經膠質瘤患者的DTI圖像及常規MRI圖像后發現，IDH野生型少突膠質細胞瘤的FA值和rmFA值較IDH突變型低，IDH野生型瘤體最小ADC值和rmADC均小于IDH突變患者。然而，IDH野生型患者的瘤周水腫區ADC值和rmADC卻大于IDH突變患者，用DTI和常規MRI圖像聯合診斷IDH突變具有較高的靈敏度與特異度。有學者[7]用DTI圖像評估不同分子表型膠質母細胞瘤對臨近組織的浸潤情況發現，IDH突變型膠質母細胞瘤比IDH野生型對鄰近腦組織的浸潤更輕，由此也反映了IDH突變型膠質母細胞瘤預后更好。以上研究說明DTI圖像作為用于評估腦膠質瘤的IDH狀態的非侵入性方法，具有較大的研究價值和空間。

1.2 擴散峰度成像

擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是基于DTI技術的延伸，主要用于描述組織微觀結構中水分子的非高斯擴散運動。DKI中平均擴散峰度(mean kurtosis，MK)為所有梯度方向擴散峰度的平均值，代表組織內水分子擴散位移分布偏離高斯曲線的平均程度，其優勢在于解決DTI無法解決的纖維交叉問題，腦部灰白質結構都可用MK來描述，MK的大小反映了組織結構的復雜性[8]。軸向峰度(axial kurtosis，AK)是擴散張量平行方向上擴散信息的重要體現，可反映軸突的完整性和纖維束的密度，AK值越大代表組織結構越緊密越規則[9]。徑向峰度(radial kurtosis，Kr)體現了垂直于擴散張量方向上峰度的平均值，可反映髓鞘的完整性。

最近Zhao等[10]對52例膠質瘤患者進行了前瞻性研究發現DKI和DTI均可指導判斷IDH突變狀態，其中AK顯示出較高的診斷價值，其評估IDH突變的敏感性、特異性分別為74%、75%，特征曲線下面積為0.72，并且與DTI相比，DKI對膠質瘤的綜合評估更具有優勢。Figini等[5]研究發現，相比IDH突變型低級別膠質瘤，IDH野生型膠質瘤中的峰度各向異性(kurtosis anisotropy，KA)值和FA值顯著增高，這表明腦內纖維的完整性得以保留，并且在IDH突變型膠質瘤中，較高的細胞外水含量可能是FA和KA降低的原因。武文杰等[11]通過研究發現在WHO Ⅱ級腦膠質瘤中，IDH野生型腫瘤實質區rFA值、rMK值較高，而rMD值低于IDH突變型，兩者之間差異有統計學意義；兩組腫瘤的瘤周水腫各參數值差異無統計學意義。他們推測由于IDH突變型腦膠質瘤微觀結構相對復雜而導致水分子運動偏移高斯分布，這可能與細胞核異型性、細胞密度、腫瘤新生血管改變有關。有研究發現MK值不能作為預測染色體1p/19q缺失的獨立生物學標志物，且在MGMT啟動子未甲基化和甲基化的腫瘤之間MK值沒有顯著差異[12-13]。目前膠質瘤其他分子類型與DKI成像之間的相關性研究較少，有待進一步研究。

2 磁共振波譜在腦膠質瘤分子表型中的研究進展

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一種用于檢測腦內病變微代謝變化的非侵入性技術。它通過磁共振現象和化學位移來定量分析細胞核及其化合物，從而反映大腦代謝物的變化[14]。在腦膠質瘤中IDH基因突變后獲得一種新的酶活性，NADPH依賴性還原反應被催化，其可以促進α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)還原為2-羥基戊二酸(2-bydroxyglutarate，2-HG)，而惡性腦腫瘤的發生率與2-HG積累過多有關[15]。Choi等[16]應用1H-MRS技術在人體內檢測到2-HG，發現其特征峰位于約4.02 ppm、2.25 ppm和1.9 ppm位置，但均與來自其他相關代謝物的特征峰重疊，在優化常規MRS序列后，2-HG特征峰主要聚焦于2.25 ppm。Branzoli等[17]通過使用Mescher-Garwood點分辨光譜(MEGA-PRESS)序列編輯MRS的方法和優化PRESS序列發現，與IDH野生型患者相比，IDH突變患者的2-HG水平更高，他們將這兩種方法與GC-MS所測組織內2-HG含量進行比較，通過MEGA-PRESS編輯的MRS在檢測2-HG時具有100%的特異性和100%的靈敏度，該技術所評估的2-HG水平與來自組織樣品的2-HG水平具有良好的一致性。Bisdas等[18]發現IDH突變除了引起體內2-HG增多，還伴有谷氨酸、谷氨酰胺以及谷胱甘肽含量減低。雖然以上研究表明MRS對IDH突變診斷具有很高的準確性，然而用MRS技術檢測2-HG水平，由于缺乏商業化序列或后處理軟件，其后處理十分具有挑戰性，且目前缺乏大規模隊列研究，2HG-MRS尚未被廣泛使用。

3 灌注加權成像在腦膠質瘤分子表型中的研究進展

3.1 動態磁敏感對比增強磁共振成像

動態磁敏感對比增強磁共振成像(d y n a m i c susceptibility contrast MRI，DSC-MRI)灌注成像中靜脈團注順磁性對比劑后，對比劑首次通過腦組織毛細血管床時，在血管內外形成多個局部小磁場，引起氫質子共振頻率發生改變，進而導致T2或T2*信號強度的改變[19]。其中反映血管床容積的腦血容量(cerebral blood volume，CBV)是最常用參數。Tan等[20]對91例星形細胞瘤患者的研究顯示，在受試者工作特征曲線分析中，當rCVB閾值為2.20時，能夠較準確地區別Ⅱ級腫瘤中是否存在IDH-1突變，靈敏度和特異度分別為85.7%和82.4%；當rCVB閾值為3.14時，區別Ⅲ級腫瘤IDH-1突變狀態的靈敏度和特異度分別為86.7%和88.9%；當rCVB閾值為5.63時，區別Ⅳ級腫瘤IDH-1突變狀態的靈敏度和特異度分別為83.3%和100%；在不同WHO分級的腫瘤中，IDH-1野生型腫瘤均顯示出更高的rCVB。目前IDH1突變體和野生型星形細胞瘤在rCBV比率方面不同的機制尚不清楚，需要進一步探索IDH1突變型和野生型星形細胞瘤在微血管增殖和微血管密度方面的差異。Kickingereder等[21]也報道了類似的研究結果，發現rCBV在預測WHO Ⅱ級和Ⅲ級膠質瘤中IDH突變狀態具有潛力，與野生型膠質瘤相比，IDH突變型表現出更低的rCBV。Xing等[22]研究表明rCBVmax值與IDH突變狀態顯著相關，在43例WHO Ⅱ級和Ⅲ級腦膠質瘤中IDH突變型腫瘤的rCBVmax顯著低于野生型腫瘤，當rCBVmax閾值為2.35時，診斷IDH突變的敏感度、特異度、AUC分別為100%、60.87%、0.82。當聯合常規MRI、DWI及DSC-MRI后，其敏感度、特異度、AUC增加至92.31%、91.3%、0.92，說明多模態組合能進一步提高診斷的準確性。Kapoor等[23]等研究認為低級別少突膠質細胞瘤1p19q缺失型較1p19q完整型顯示出顯著的高灌注特性，在高級別腫瘤中也顯示了這種趨勢。

3.2 動態對比增強磁共振成像

動態對比增強磁共振成像(dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)是通過靜脈注入對比劑后用T1WI梯度回波序列反復進行動態掃描，由于腦膠質瘤中血腦屏障破壞和血管通透性增高，靜脈注射的對比劑容易從血管內區域滲漏到血管外細胞外空間(extravascular extracellular space，EES)，導致順磁效應引起的T1信號強度增加[24]。常用的定量參數有轉運常數(volume transfer constant，Ktrans)，即對比劑從血管內到血管外的轉運速率；血液回流常數(reflux constant，Kep)，即滲透到EES的對比劑重新流回血管內的速率常數；血漿容積(blood plasma fraction，Vp)，即血漿內對比劑的容積分數；部分細胞外血管外間隙容量(extracellular extravascular volume fraction，Ve)，即血管外細胞外間隙內對比劑的容積分數。以前的研究表明，在常規MRI更高強化程度和增強/壞死比與EGFR過度表達相關[25]，近期研究表明灌注異常和滲透性異常的腫瘤血管生成可能反映EGFR狀態。Tykocinski等[26]研究發現rCVB是EGFRvⅢ表達獨立的預測因子，并且EGFRvⅢ陽性的GBM中rCBV明顯高于陰性，當閾值為4.34時，診斷EGFRvⅢ表達的特異性及敏感度均可達100%。也有學者[27]評估了DCE-MRI在GBM患者中反映EGFRvⅢ表達的能力，在EGFRvⅢ陽性GBM中觀察到顯著增加的Ktrans和Vp平均值/直方圖值，并且Vp的預測能力優于Ktrans的預測能力。Ivanidze等[28]通過DCE-MRI分析評估了29例IDH1/2野生型膠質母細胞瘤的TERT狀態發現，TERT突變的腫瘤與TERT野生型相比顯示較低的速率常數Kep和較低的轉運常數Ktrans，在TERT突變的患者中，隨著平均Kep增加、平均Ktrans增加，死亡風險顯著增加。一些研究已經證明灌注參數是用于預測GBM中MGMT甲基化的非侵入性放射性表型替代物。Sung等[29]將擴散張量成像(ADC、FA)和DCE-MRI (Ktrans、Kep和Ve)的定量參數用于預測GBM中的MGMT甲基化狀態。他們發現只有Ktrans與這種遺傳改變有關。有趣的是，具有MGMT甲基化的GBM顯示出顯著更高的Ktrans，表明MGMT甲基化可能參與以內皮細胞通透性增高的脈管系統為特征的神經膠質瘤相關血管生成。由此可見，相關研究需要擴展到大樣本試驗，并且必須付出巨大努力才能更深入地了解成像特征與MGMT狀態之間相關性的潛在機制。

3.3 動脈自旋標記技術

動脈自旋標記(arterial spine labeling，ASL)技術是一種利用動脈血中的水質子作為內源性示蹤劑的磁共振灌注成像方法，目前其只可反映CBF的變化，但較低的信噪比和分辨率仍無法滿足常規應用及普及，用于膠質瘤分子表型的研究較少。也有研究通過ASL灌注的CBF回顧性評估了40例膠質瘤患者膠質瘤分級、IDH突變狀態和ATRX表達，他們發現CBF能夠區分IDH突變與野生型的星形細胞瘤(敏感性=0.75，特異性=0.88)[30]。隨著 MR技術的發展，通過結合其他成像技術來發揮ASL優勢的方法在臨床上仍具有廣闊的應用前景。

4 小結

膠質瘤分子遺傳學特性與多種影像技術的結合將是未來膠質瘤分子診斷與治療的必然趨勢。磁共振功能成像不僅能非侵入性地反映顱內病變解剖學改變，還能初步在細胞水平、分子水平及基因突變狀態反映腫瘤微觀生物學改變，有助于在術前無創性精準評估膠質瘤，有助于個性化治療方案的制訂并預測療效，有助于術后隨訪及預測患者的生存期。磁共振功能成像對膠質瘤分子診斷目前尚存在一些局限性，如多為單一模態研究為主，病例數少，多為回顧性研究，基因樣本與影像指標并不對應，無規范化掃描協議等，因此，未來聯合運用各種功能成像新技術進行更加廣泛及深入的研究仍是一項巨大挑戰。

利益沖突：無。