多模態(tài)功能MRI評估腦膠質瘤IDH1突變狀態(tài)的研究

朱 巍 高 燕 王培軍

腦膠質瘤是最常見的顱內原發(fā)性惡性腫瘤，約占中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的80%［1］，具有高死亡率、高致殘率及低治愈率的特征。隨著腫瘤分子生物學的不斷發(fā)展，有研究［2］發(fā)現(xiàn)，在WHOⅡ-Ⅳ級膠質瘤患者中均可發(fā)生異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase-1，IDH1）突變，且Ⅱ級或Ⅲ級膠質瘤IDH1突變型較野生型的侵襲性減低。有研究［3-4］顯示，IDH1基因在腫瘤細胞和血管生成與代謝中所發(fā)揮的作用顯著，與IDH1野生型膠質瘤相比，IDH1突變型膠質瘤對化療敏感性和生存預后有積極作用。常規(guī)MRI是膠質瘤術前診斷的主要影像學方法，但目前功能MRI影像學特征與IDH1表型間的關系尚不明確。本研究通過分析功能MRI包括彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）、動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）、彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、彌散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）和磁敏感加權成像（susceptibility weighted imaging，SWI）的影像學特征與IDH1突變情況的關系，旨在尋找可反映膠質瘤IDH1表達特征的功能MRI影像學標志，從而為膠質瘤的臨床診斷、治療及預后評估提供重要參考。

方 法

1.臨床資料

收集2018年11月—2020年8月在同濟大學附屬同濟醫(yī)院就診的腦膠質瘤患者。納入標準：①所有患者術前除行常規(guī)MRI掃描（平掃+增強）檢查外，還進行功能MRI檢查，包括DWI、ASL、DTI、DTT、SWI序列掃描；②術后病理診斷為膠質瘤；③術后均通過基因檢測獲得IDH1突變狀態(tài)。排除標準：①圖像偽影重，以致無法分析；②病變內部壞死或出血范圍大；③MRI檢查前接受過其他治療，如放化療、手術等。最終納入46例患者，其中WHOⅡ級14例，Ⅲ級11例，Ⅳ級21例；男性17例，女性29例；年齡18～74歲，中位年齡47.0歲。所有患者均于檢查前簽署知情同意書。

2.MRI檢查方法

采用SIEMENSVerio 3.0T超導型磁共振掃描儀，標準16通道頭部相控陣線圈。囑患者仰臥，行常規(guī)平掃+增強掃描。序列及參數(shù)：T1加權（T1W）序列，重復時間（TR）=1 530 ms，回波時間（TE）=9 ms；T2加權（T2W）序列，TR=4 210 ms，TE=96 ms；T2加權液體抑制反轉恢復（T2-FLAIR）序列，TR=5 000 ms，TE=94 ms，矩 陣256×256， 視野23 cm×23 cm，平均激發(fā)次數(shù)=1，層厚5 mm，層間隔1 mm。采用專用高壓注射器，經(jīng)肘靜脈血管團注造影劑釓噴酸葡胺（Gd-DTPA），劑量3 ml/s。分別行軸位、冠狀位和矢狀位T1W增強掃描，掃描參數(shù)同前。功能MRI序列及相應的掃描參數(shù)：DWI序列，TR=5 400 ms，TE=94 ms，彌散敏感系數(shù)（b）值取0和1 000 s/mm2；3D-ASL序列，TR=3 500 ms，TE=15 ms；DTI序列，TR=13 100 ms，TE=92 ms，在30個不同方向施加彌散梯度場；SWI序列，TR=27 ms，TE=20 ms。

3.圖像分析

由1名從事神經(jīng)影像診斷工作超過15年的診斷醫(yī)師采用盲法獨立進行圖像分析和處理，常規(guī)MRI平掃+增強用來判斷病灶有無強化、壞死、囊變及出血等。DWI的表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）圖、ASL的腦血流量（cerebral blood flow，CBF）圖、DTI的各向異性分數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）圖和DTT圖在掃描完成后在Siemens Syngo.via工作站（Siemens公司，德國）上通過標準軟件包進行圖像后處理獲得。診斷醫(yī)師結合各個序列進行綜合分析后盡可能避開囊變、出血、壞死、腦溝等區(qū)域，在腫瘤實性成分（由FLAIR和T1W增強界定）和對側相應正常腦白質中分別選取相同大小的感興趣區(qū)（region of interest，ROI），分別測量出ADC值，并計算兩者之間的比值得到相對ADC（relative ADC，rADC）值，以減少誤差。另外獲得腫瘤實性成分中ROI的ADC最小值，記為ADCmin值，并獲得其與對側相應正常腦白質中ROI的比值，記為標準化ADC（normalized ADC，nADC）值。rADC值及nADC值不受ROI大小影響，但ADCmin值可能受ROI大小影響，因此在分析所有圖像后，將ROI大小均設定為25 mm2。在FA圖和CBF圖中用獲取rADC值同樣的方法計算得到相對FA（relative FA，rFA） 值和相對CBF（relative CBF，rCBF）值，ROI大小同樣均設定為25 mm2。另外，在CBF圖上測量腫瘤實性成分中ROI的CBF最大值記為CBFmax值，并獲得其與對側相應正常腦白質中ROI的比值，記為標準化CBF（normalized CBF，nCBF）值。以上所有序列中每個ROI的數(shù)值均為測量3次后的平均值。DTT采用連續(xù)示蹤法，由同一位影像診斷醫(yī)師選擇腫瘤最大層面和對側相應層面腦白質纖維束為ROI。采用國內通用標準［5］對纖維束狀態(tài)進行判斷：推移、浸潤和破壞中斷。與對側正常纖維束相比，推移表現(xiàn)為腫瘤一側纖維束僅有位置改變，纖維束外部形態(tài)未見明顯改變；浸潤表現(xiàn)為腫瘤一側纖維束形態(tài)紊亂，部分被破壞甚至中斷；中斷為腫瘤一側纖維束完全被破壞因而發(fā)生斷裂。SWI序列掃描完成后，后處理工作站根據(jù)強度數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)，由計算機自動重建獲得相位圖及最終的SWI圖像，同時生成最小信號投影圖，層厚為2 mm。以SWI最小信號投影圖顯示的膠質瘤內磁敏感效應為基準來進行SWI序列的半定量分析，同時與相位圖結合進行分析判斷。腫瘤內磁敏感信號（intratumoral susceptibility signal，ITSS）定義為在SWI最小信號投影圖像上，膠質瘤內不聚集或聚集的細線狀或點狀低信號。在進行ITSS半定量評分前，需結合CT圖像或相位圖來排除膠質瘤內的鈣化成分。根據(jù)膠質瘤內ITSS的不同表現(xiàn)分為4個等級［6］：①0級，無ITSS；②1級，1～5個細線狀或點狀ITSS；③2級，6～10個細線狀或點狀ITSS；④3級，11個或11個以上細線狀或點狀ITSS。

4.基因檢測

所有手術切除病灶的術后病理檢查標本均采用基因測序法檢測IDH1突變狀態(tài)，將IDH1表達陽性定為IDH1突變型組，IDH1表達陰性定為IDH1野生型組。

5.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計學分析。呈偏態(tài)分布的計量資料以M（P25，P75）表示，2組間比較采用Mann-WhitneyU秩和檢驗。計數(shù)資料以例數(shù)（百分數(shù)）表示，2組間比較采用卡方檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.膠質瘤患者流行病學特征和功能MRI表現(xiàn)特征

根據(jù)2007年WHO中樞神經(jīng)系統(tǒng)膠質瘤分級標準，術后病理分為WHOⅡ級14例，Ⅲ級11例，Ⅳ級21例。基因分型中IDH1野生型26例，突變型20例。功能MRI中，DWI的rADC、ADCmin、nADC值分別為1.59（1.32，1.86）、901.00（777，1 200） ×10-6mm2/s、1.33（1.08，1.65）。ASL的rCBF值、nCBF值分別為1.57（1.26，1.79）、2.65（2.21，3.35）。DTI的rFA值為0.44（0.37，0.54）。DTT圖顯示纖維束改變情況：推移7例；浸潤12例；中斷27例。SWI序列的ITSS等級顯示：0級10例，1級12例，2級11例，3級13例。IDH1突變型和野生型膠質瘤患者MRI平掃、增強及功能成像的影像特征比較見圖1、2。

圖1 IDH1突變型病例（45歲女性，右側額葉星形細胞瘤，WHOⅡ級）

2.IDH1突變狀態(tài)與多模態(tài)功能MRI序列參數(shù)的相關性

在膠質瘤的DWI序列中，膠質瘤實質部分nADC值在IDH1野生型和突變型之間的差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），IDH1突變型膠質瘤具有更高的nADC值（P=0.012），而膠質瘤實質部分rADC值、ADCmin值在IDH1野生型和突變型之間的差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在ASL序列中，膠質瘤實質部分nCBF值在IDH1突變型和野生型之間差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），IDH1野生型膠質瘤具有更高的nCBF值（P=0.032），而膠質瘤實質部分rCBF值在IDH1突變型和野生型之間的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在DTI序列中，膠質瘤實質部分rFA值在IDH1突變型和野生型之間的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。詳見表1。

表1 IDH1野生型組和突變型組膠質瘤患者功能MRI定量參數(shù)的比較M（P25，P75）

在膠質瘤的DTT圖中，瘤周纖維束狀態(tài)在IDH1突變型和野生型之間的差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。在SWI序列中，膠質瘤ITSS等級在IDH1基因野生型和突變型之間的差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），IDH1野生型膠質瘤出現(xiàn)3級ITSS的比例明顯高于IDH1突變型膠質瘤（P=0.023）。詳見表2。

表2 IDH1野生型組和突變型組膠質瘤患者功能MRI半定量參數(shù)及定性特征的比較例（%）

圖2 IDH1野生型病例（56歲女性，左側額葉膠質母細胞瘤，WHOⅣ級）

討 論

腫瘤血管增殖是惡性腦膠質瘤的重要組織學特性［7］。研究［8］顯示，膠質瘤IDH1發(fā)生突變時可以更好地抑制腫瘤的血管生成。功能MRI不僅能反映膠質瘤的形態(tài)學特征，還可以體現(xiàn)腫瘤組織的功能、血流動力學及代謝等變化，不同IDH1突變狀態(tài)的腦膠質瘤功能MRI表現(xiàn)也各有特征。

本研究結果顯示，DWI的rADC值和ADCmin值在IDH1有無突變者之間均無統(tǒng)計學差異，但nADC值在IDH1有無突變者之間有統(tǒng)計學差異，IDH1突變型膠質瘤具有更高的nADC值（P=0.012）。腫瘤細胞增殖越活躍，細胞密度越高，自由水的彌散受限就越明顯，DWI序列的ADC值越低。有研究［9］顯示，膠質瘤IDH1發(fā)生突變時能進一步抑制腫瘤的增殖活性，并最終導致ADC值增高。本研究為減少誤差，在ADC值的基礎上使用rADC值，但并未能區(qū)分IDH1突變情況，考慮這可能是因為膠質瘤具有高度的異質性，腫瘤常伴有壞死、出血等改變，因此平均ADC值常不能夠準確反映腫瘤細胞的密度和增殖情況。ADCmin值一定程度上反映了膠質瘤瘤體內增殖活性最高的區(qū)域，因此反映了膠質瘤的異質性。Xiong等［10］研究發(fā)現(xiàn)不同IDH1基因型少突膠質細胞瘤的ADCmin值之間存在統(tǒng)計學差異，本研究未能觀察到這一差異，考慮這可能與本研究針對的對象是WHOⅡ-Ⅳ級膠質瘤有關。但本研究發(fā)現(xiàn)nADC值能區(qū)分IDH1突變情況，而nADC值是在ADCmin值的基礎上進一步獲得的，反映了腫瘤的異質性，因而該結果具有一定的可信度。

ASL序列的參數(shù)CBF可量化評估腫瘤內血流灌注情況。針對IDH1突變可抑制膠質瘤血管生成這一特點，本研究采用CBF值來分析膠質瘤IDH1突變情況，結果顯示rCBF值無法區(qū)分IDH1突變情況，而nCBF值可以區(qū)分IDH1突變情況，IDH1野生型膠質瘤具有更高的nCBF值 （P=0.032）。Brendle等［11］的研究顯示，相對于IDH1野生型星形細胞瘤，突變型星形細胞瘤CBF值更低，提示這類腫瘤可能具有較低的灌注。本研究為減小誤差使用rCBF值，但沒有得到類似的結果，這可能是由于ASL序列圖像分辨率相對較低，因而導致ROI的選取和測量時產(chǎn)生一定的誤差；但基于CBFmax值的nCBF值可以區(qū)分IDH1突變情況，這可能是因為CBFmax值反映的是腫瘤內血流量最為豐富的區(qū)域，因而凸顯了IDH1突變型膠質瘤和IDH1野生型膠質瘤的血流差異。

DTI序列的FA值能定量反映水分子的彌散各向異性。對于腦腫瘤組織，當神經(jīng)元軸突排列失去正常的完整性和方向性時，病灶區(qū)域的FA值會降低［12］。Figini等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，在Ⅱ、Ⅲ級膠質瘤中，F(xiàn)A值在IDH1突變型和野生型膠質瘤間存在統(tǒng)計學差異。本研究使用基于FA值的rFA值得出的結果差異無統(tǒng)計學意義，考慮這可能是因為研究樣本量不足，下一步需要加大樣本量進一步研究。DTT圖是利用DTI的FA圖進行后處理得到腦白質纖維束傳導圖。本研究結果顯示，IDH1突變情況在膠質瘤瘤周纖維束狀態(tài)中無明顯差異，這可能是因為膠質瘤的生長方式本身就是以浸潤性生長為主，因此瘤周纖維束狀態(tài)難以反映出IDH1突變情況。

SWI主要是利用不同組織的磁敏感差異產(chǎn)生圖像對比。腫瘤內的微出血灶和小血管表現(xiàn)為點狀和線狀低信號。鈣化在SWI上也是低信號，鈣化是少突膠質細胞瘤較為典型的特征，通常在CT上表現(xiàn)為高密度，當缺少CT檢查時，結合SWI的相位圖可以鑒別。本研究發(fā)現(xiàn)IDH1突變情況在ITSS等級中有統(tǒng)計學差異（P=0.023），IDH1野生型膠質瘤出現(xiàn)3級ITSS比例明顯高于突變型膠質瘤，這說明可能是膠質瘤IDH1發(fā)生突變時產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對低氧誘導因子和新生血管的生成具有抑制作用，降低了腫瘤的增殖能力和新生血管生成，從而使IDH1突變型膠質瘤的侵襲性低于同級別IDH1野生型膠質瘤。

綜上所述，膠質瘤多模態(tài)功能MRI中DWI的nADC值、ASL的nCBF值以及SWI的ITSS等級均可評估膠質瘤IDH1突變狀態(tài)，為術前評估腦膠質瘤IDH1基因型提供了無創(chuàng)的影像學手段。在以后的研究中還需擴大樣本量以增加本研究結論的可靠性。未來聯(lián)合多種功能MRI序列有望進一步提高膠質瘤IDH1基因型的診斷效能，為腦膠質瘤的診斷、療效檢測和預后評估提供更多有價值的信息。