基于MRI-病理對照的動態(tài)增強磁共振成像定量參數評估骨肉瘤新輔助化療腫瘤壞死率的價值*

王瑤 李佳璐 馬煥 李鹍 王洪波 丁瑩瑩 陶海波 李梅

骨肉瘤是最常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤，是導致青少年因癌癥死亡的第二大因素[1-2]。骨肉瘤好發(fā)于股骨遠端及脛骨近端，惡性程度高，轉移率達20%[3]。自新輔助化療（neoadjuvant chemotherapy，NAC）+廣泛切除+術后化療三階段結合的綜合治療方法廣泛應用以來，患者保肢率和5 年生存率均有較大提高，但仍有20%～30%的患者因對一線化療方案不敏感而預后不佳，因此NAC 療效已成為影響骨肉瘤患者手術方式選擇和預后的重要因素[1-4]。腫瘤壞死率（tumor necrosis rate，TNR）是目前評價骨肉瘤NAC 療效的病理學金標準，但因取材要求嚴格、操作繁瑣且僅適用于行根治性手術的腫瘤，致使評估具有一定的滯后性[2,4-5]。動態(tài)增強磁共振成像(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI) 是一項腫瘤灌注成像技術，可有效評估腫瘤微血管生成情況，為腫瘤療效評估和轉歸預測提供有效信息。目前該技術已在腦膠質瘤[6]、乳腺癌[7-9]、結直腸癌[10]、下咽癌[11]、宮頸癌[12]、前列腺癌[13-14]、軟組織肉瘤[15]等諸多惡性腫瘤的療效評價研究中得到驗證，但應用在骨肉瘤NAC 腫瘤壞死率評估中的報道極少。本研究旨在探討DCE-MRI 評估骨肉瘤NAC 腫瘤壞死率的價值，以期盡早發(fā)現對治療無反應或反應差的骨肉瘤病例，為臨床治療方案制定及調整提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集2019 年1 月至2020 年6 月于昆明醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院行手術病理證實的原發(fā)性骨肉瘤患者11 例，其中男性9 例，女性2 例，中位年齡17（11～32）歲；發(fā)生在股骨遠端5 例，脛骨近端6 例。納入標準：首次MRI 檢查前均未行病理活檢及相關治療；無MRI 檢查禁忌證，無化療及手術禁忌證；按期完成NAC 并行第2 次MRI 檢查，后行擴大根治術。化療方案為AP、MTX+VCR、IFO 序貫化療（AP=阿霉素（ADM）+順鉑（DDP）；MTX+VCR=甲氨蝶呤+長春新堿；IFO=異環(huán)磷酰胺）。MRI 影像資料均滿足數據測量要求。本研究經昆明醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院倫理委員會批準，入選患者均簽署知情同意書。

1.2 影像學檢查方法

所有患者在NAC 前及術前行2 次MRI 檢查，采用Philips Ingenia 3.0T 磁共振儀（購自荷蘭飛利浦公司）掃描，包括常規(guī)平掃及增強、DCE-MRI。DCEMRI 先采用擾相梯度回波序列（GRE）矢狀位T1WI行兩期反轉角掃描，再使用擾相GRE 序列快速3D DYNAMIC 行矢狀位T1WI 動態(tài)增強掃描。掃描參數：反轉角度分別為5°、15°，TE 2.0 ms、TR 4.0 ms、層厚3.5 mm、間距0、FOV 250 mm×250 mm。對比劑注入前先掃描5 期，第5 期結束后團注對比劑（Gd-DTPA 0.1 mmol/kg，2.5 mL/s），共掃描80 期，采集1920 幅圖像，總時間為6 m23 s。

1.3 病理組織定位取材及TNR 評估

患者完成NAC 并行第2 次MRI 檢查后2 周內經手術取得完整瘤段，分別以髁間窩和髁間嵴中心為界，將瘤段沿正中矢狀面剖開，選擇一側剖面切厚度為5 mm 的組織，將其分割為大小為1 cm×1 cm 若干組織塊，組織塊即為病理樣本個體，依次進行編號、制備蠟塊、HE 染色（圖1A，圖1B，圖2A）。由1 名具有10 年以上工作經驗的骨腫瘤病理醫(yī)師獨立判讀HE 染色切片（圖2C）。在100 倍鏡下選取“熱點”區(qū)域，400 倍鏡下計數視野內TNR，選取5 個視野計數，最終結果取平均值。根據Huvos 分級標準分級所得樣本TNR[5]。

1.4 DCE-MRI 影像處理分析

DCE-MRI 數據使用GE Healthcare 血流動力學Omni Kinetics（O.K.）軟件進行測量及圖像后處理。影像處理步驟：1）AIF 勾畫：O.K.軟件中手動勾畫動脈輸入函數（arterial input function，AIF），以掃描范圍內股動脈為參考血管，勾畫與血管截面大小相近的圓形ROI，勾畫3～5 個ROI，獲得多個AIF 并融合為最終AIF，保存該結果。2）ROI 勾畫：選擇瘤段切片對應的矢狀位影像層面（圖1C，圖1D，圖2B），計算定量DCE-MRI 結果，依次保存容量轉移常數（volume transfer constant，Ktrans）、速率常數（rate constant，Kep）、血管外細胞外間隙容積分數（volume fraction，Ve）、血漿容積分數（plasma volume fraction，Vp）并生成參數偽彩圖（圖2D），按照瘤段分割出的組織塊樣本定位并等比例勾畫大小為1 cm×1 cm 的ROI，測量各ROI內NAC 前、后2 次Ktrans、Kep、Ve、Vp值，同一個AIF 重復測量3 次后取平均值。

圖1 病理取材及DCE-MRI 影像-病理匹配過程

圖2 組織樣本影像及病理表現

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 25.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。計量資料采用Shapiro-Wilk 和Levene 檢驗樣本的正態(tài)性及方差齊性。不滿足正態(tài)分布的參數采用Mann-WhitneyU檢驗，用中位數及四分位數間距表示。以TNR 評估腫瘤樣本緩解視為陽性，繪制受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic,ROC），評估不同參數的診斷效能，尋找最佳臨界值，并計算其診斷敏感度和特異度。以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 腫瘤病理樣本TNR 評估

11 例瘤段共取得病理樣本357 個，排除H&E 染色證實非腫瘤及完全壞死樣本53 個，共304 個病理樣本納入分析。根據Huvos 分級標準[5]，TNR Ⅰ級212 個（68.9%）；Ⅱ級37 個（12%），Ⅲ級31 個（10%），Ⅳ級28 個（9.1%）。緩解組TNR≥90%（Ⅲ級+Ⅳ級）共59 個，占總樣本量19.4%；未緩解組TNR＜90%者（Ⅰ級+Ⅱ級）共245 個，占總樣本量80.6%。

2.2 腫瘤病理樣本NAC 前后，緩解組及未緩解組Ktrans、Kep、Ve、Vp 比較

NAC 前參數以pre-Ktrans、pre-Kep、pre-Ve、pre-Vp表示，化療后以post-Ktrans、post-Kep、post-Ve、post-Vp表示，化療前后參數差值以ΔKtrans、ΔKep、ΔVe、ΔVp表示。NAC 后，兩組Ktrans、Ve、Vp均明顯降低，且差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；緩解組Kep化療后明顯降低（P＜0.05），但未緩解組Kep較化療前略有升高（P＞0.05），見表1。

表1 腫瘤病理樣本緩解組及未緩解組NAC 前后參數比較

2.3 腫瘤病理樣本NAC 后，緩解組與未緩解組Ktrans、Kep、Ve、Vp 比較

NAC 后，緩解組post-Ktrans、post-Kep、post-Ve、post-Vp 均明顯低于未緩解組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。兩組間化療前后參數差值ΔKtrans、ΔVe、ΔVp差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），但緩解組ΔKep明顯低于未緩解組（P＜0.05）（表2）。

表2 腫瘤病理樣本NAC 后，緩解組與未緩解組參數比較

2.4 DCE-MRI 定量參數診斷腫瘤壞死率的效能比較

分別以NAC 后定量參數和化療前-后參數差值繪制ROC 曲線（圖3）。結果表明，化療后參數評估效能優(yōu)于化療前-后參數差值，post-Ktrans、post-Kep、post-Ve、post-Vp以及ΔKep可以有效區(qū)分腫瘤病理樣本緩解和未緩解，其中post-Ktrans具有最高的診斷效能，最佳臨界值為0.663/min，AUC 為0.745，其靈敏度為89.83%，特異性為52.24%。以上結果說明，反映即時骨肉瘤TNR 情況，同一時間點DCE-MRI 參數比化療間期參數變化量更有參考價值。

圖3 ROC 曲線

3 討論

骨肉瘤化療一線藥物多為細胞毒性藥物，NAC 后骨肉瘤細胞壞死增多，并新生大量骨化成分，腫瘤組織內微血管減少，細胞外間隙增大，微循環(huán)速度減慢，因此DCE-MRI 對比劑藥代動力學情況隨之改變[16-19]。DCE-MRI 具有實時、無創(chuàng)、可重復的優(yōu)點，能夠有效反映腫瘤血管的通透性和腫瘤組織的血液灌注并進行定量評估，在腫瘤療效評價方面已有諸多報道[6-15]。當化療有效時，腫瘤組織內微血管生成減少，成熟度增加，瘤細胞壞死增多，細胞外間隙增大，故Ktrans、Ve、Vp值降低，Kep值相應升高，本研究結果與既往研究一致[16-18]。

本課題組前期研究結果也顯示，DCE-MRI 可以較好預測骨肉瘤NAC 的療效，化療后Ktrans值對化療反應的預測能力最高，AUC 為0.943，敏感性、特異度分別達到了80.0% 和100%，證明DCE-MRI 對預測骨肉瘤NAC 療效有一定價值[20]。Guo 等[21]針對69例接受NAC 的骨肉瘤患者的研究表明，Ktrans、Vp、kep值在有反應組和無反應組中差異具有統(tǒng)計學意義，化療后有反應組Ktrans、Kep、Ve、Vp值均明顯降低（TNR≥90%），說明DCE-MRI 參數可以反映病灶組織學改變。同時采用Kaplan-Meier 模型預測患者無事件生存期，發(fā)現化療前低Ktrans和低Ve值患者的無事件生存期更長，其中Ve值具有統(tǒng)計學意義（P=0.02），此外化療前Ve值與總生存天數也有明顯相關性（P=0.03），為預測NAC 反應良好組無事件生存期和總生存天數提供依據。該團隊曾報道采用DCE-MRI 評估貝伐單抗治療骨肉瘤療效的研究，發(fā)現用藥后Ktrans及Vp隨時間延長動態(tài)下降，低Ktrans和Vp值與更長的無事件生存期具有相關性（P=0.034）[22]。

雖然DCE-MRI 評估腫瘤療效及判斷預后效能較高，但DCE-MRI 大量的數據測量涉及ROI 的選取，上述大部分研究采用在腫瘤最大層面選取整個病灶作為感興趣區(qū)，而骨肉瘤異質性明顯，難以將壞死、囊變、鈣化、出血及肉眼可見瘤血管等區(qū)域剔除，大范圍ROI 所得到參數為平均值，并不能真實反映各區(qū)域腫瘤組織信息，均會影響測量結果的準確性[16-18，20-22]。因此，本研究依據骨肉瘤TNR 評估標準和方法，采用影像-病理位置匹配的方法，確定與瘤段切片最為接近的DCE-MRI 矢狀位影像層面，將病灶劃分成大小為1 cm×1 cm 的ROI，嚴格進行化療前、化療后影像ROI 與病理樣本匹配，能夠更細致反映每個組織塊的壞死率與定量參數之間的關系[5]。結合ROC 曲線效能評價，發(fā)現與手術切除的腫瘤TNR 結果對照，NAC后DCE-MRI 參數較NAC 前后參數差值評價TNR效果更佳，其中化療后Ktrans的評價效能最高。故應用DCE-MRI 評價即時腫瘤壞死情況有一定臨床價值。

本研究結果表明，與獲取腫瘤病理檢測結果時間點最相近的全程NAC 后術前定量DCE-MRI 參數能夠更準確地評估療效。說明近乎同一時間點的影像—病理對照具有更好的可比性。有研究表明腫瘤NAC療程間期DCE-MRI 參數改變與療效評估和生存期預測具有相關性，但是NAC 間期無法通過有創(chuàng)手術取材檢測TNR[20-22]。本研究結果或可打破這一局限，DCE-MRI 具有即時無創(chuàng)評估骨肉瘤腫瘤壞死情況的應用潛力，有助于及時調整化療方案，制定個體化治療決策。

本研究的局限性：1）納入分析的病例數相對較少，病理組織樣本分布不均，可能會對分析結果有一定程度的影響，因此還需要擴大病例數及病理組織樣本量進行進一步研究；2）骨肉瘤異質性明顯，NAC 后病理改變更復雜，骨肉瘤新輔助化療后定量DCE-MRI 參數與腫瘤亞型、化療方案、治療時間等的關系有待更深入的研究。

綜上所述，DCE-MRI 通過對Ktrans、Kep、Ve、Vp值的測量來監(jiān)測骨肉瘤對NAC 的療效，提供常規(guī)MRI 不能提供的信息，毋庸置疑是骨肉瘤非常有潛力的療效監(jiān)測手段，但是其實施、參數設置及數據分析尚未得到統(tǒng)一，需進一步研究。