膠質瘤分級及分子遺傳學標志物相關磁共振成像研究進展

張姍姍 于林

·綜述·

膠質瘤分級及分子遺傳學標志物相關磁共振成像研究進展

張姍姍 于林

近年來膠質瘤病理學和影像學診斷均有顯著進展。膠質瘤分級和分子遺傳學標志物既是重要的預后預測因素，又可以指導治療策略的制定。本文主要介紹應用擴散加權成像、擴散張量成像、擴散峰度成像、動態對比增強磁共振成像、灌注成像和磁共振波譜等新型MRI技術進行膠質瘤分級和分子遺傳學標志物檢測方面的新進展。分子遺傳學標志物聯合上述新型MRI技術可以更精確地對膠質瘤進行診斷和分級，并無創性檢測膠質瘤分子特征，從而提高對患者預后評價的準確性，更好地指導個體化治療。

神經膠質瘤；生物學標記；磁共振成像；綜述

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China for Young Scientists (No.81202102),the National Natural Science Foundation of China(No.81672592),and Project of Applicative Basic Research and Advanced Technology of Tianjin Municipal Science and Technology Commission(No.13JCQNJC12100,15JCZDJC34600).

膠質瘤是一組具有神經膠質細胞表型特征的神經上皮組織腫瘤的總稱，是臨床最常見的顱內原發性腫瘤。2016年世界衛生組織（WHO）中樞神經系統腫瘤分類根據組織學形態將膠質瘤分為WHOⅠ～Ⅳ級，其中Ⅰ級為良性、Ⅱ級為交界性、Ⅲ級為低度惡性、Ⅳ級為高度惡性，國際上認為Ⅰ和Ⅱ級為低級別膠質瘤（LGGs），Ⅲ和Ⅳ級為高級別膠質瘤（HGGs）。2016年WHO中樞神經系統腫瘤分類明顯改進，首次將分子遺傳學標志物應用于中樞神經系統腫瘤的分類和分型，突出體現膠質瘤分子遺傳學變異的同源性，使臨床診斷更加客觀，對指導個體化治療和提高預后評價精確性具有重要意義。頭部MRI是非侵入性診斷顱內病變（包括不同級別膠質瘤）的重要方法。傳統頭部MRI的診斷精確性不甚理想，擴散加權成像（DWI）、擴散張量成像（DTI）、灌注成像（PWI）和磁共振波譜（MRS）等新型MRI技術已應用于臨床，并能進行多參數MRI的聯合分析，從而對膠質瘤分級和分子遺傳學變異特征進行更為準確的評價。本文擬就近年膠質瘤分級和分子遺傳學標志物相關MRI研究進展進行簡要概述。

一、膠質瘤分級與傳統MRI

膠質瘤分級直接與預后相關，是制定治療方案的重要決定因素。對于高級別膠質瘤，手術切除程度是影響預后的獨立因素，如果可行，強烈推薦手術全切除腫瘤［1］；而低級別膠質瘤的治療相對保守，部分患者早期可能考慮僅通過影像學檢查密切隨訪觀察。盡管組織病理學診斷是膠質瘤診斷和分級的“金標準”，但是對于無癥狀性和腫瘤位于重要腦功能區的患者，MRI作為非侵入性檢查技術對指導膠質瘤診斷、分級和治療具有重要作用。同時，由于同一膠質瘤中可能同時包含高級別和低級別組織學成分，MRI可以提供高級別成分的定位和定量信息，從而有助于引導組織活檢術、手術切除和放射治療等。傳統MRI通過對比增強區域與壞死區域以鑒別診斷高級別和低級別膠質瘤［2］。有研究顯示，近20%的低級膠質瘤存在對比增強區域，而1/ 3未顯示對比增強區域的膠質瘤可能是高級別膠質瘤［3］，因此，傳統MRI鑒別診斷低級別與高級別膠質瘤的準確度僅為55%～83%。為彌補傳統MRI的不足，DWI、DTI、PWI、MRS等多參數新型MRI技術通過分析膠質瘤細胞組成、有絲分裂活性、微血管增殖和壞死等特性，從而更精確地進行腫瘤分級［4］。

二、膠質瘤分級與多參數MRI

1.DWI DWI序列用于測量水分子的布朗運動，其中最常測量的表觀擴散系數（ADC）可以反映組織內水分子的流動性。在腫瘤分級方面，最初的研究結果顯示，腫瘤細胞密度與ADC值呈負相關，即ADC值較高區域對應較低的細胞密度和較低的腫瘤級別，故低級別膠質瘤ADC值顯著高于高級別膠質瘤［5］。但此對應關系并非絕對，例如，高級別膠質瘤中與腫瘤相關、并存的其他多種組織學形態特征如水腫、壞死、出血、囊性變或黏液變性等也可影響水分子擴散程度，腫瘤周圍水腫引起的組織受壓也可使腫瘤ADC值降低。近年在測量ADC值的單指數模型基礎上出現雙指數模型和拉伸指數模型，雙指數模型測量ADC值、真ADC值、假ADC值和灌注分數，拉伸指數模型測量水分子擴散異質性指數和擴散分布系數，從而增加ADC值對腫瘤分級的準確性［6］。

2.DTI DTI序列用于測量水分子的擴散速度和方向。DTI圖像參數包括平均擴散率（MD）、純各向同性組分（p）、純各向異性組分（q），其中，膠質瘤細胞密度越高、MD值越低；此外，還包括平面各向異性常數（CP）和球形各向異性常數（CS）。部分各向異性（FA）是評價組織微結構的重要指標，可用于定性診斷不同類型腫瘤。DTI同樣可以用于高級別與低級別膠質瘤的鑒別診斷。Smitha等［6］報告，高級別和低級別膠質瘤的純各向同性組分和MD值存在顯著差異，其在受試者工作特征曲線（ROC曲線）中的靈敏度分別為93.9%和91.8%。

3.擴散峰度成像擴散峰度成像（DKI）作為DTI序列的延伸，可以測量復雜的組織內非高斯分布的水分子擴散運動，包括MD值、擴散異性指數和平均峰度等。同時采用DWI的雙指數和拉伸指數模型以及DKI對膠質瘤進行測量和分析，發現各樣本ADC值、真ADC值、灌注分數、水分子擴散異質性指數、擴散分布系數和MD值與膠質瘤級別呈正相關，而假ADC值和平均峰度與膠質瘤級別呈負相關，其中尤以水分子擴散異質性指數和平均峰度受膠質瘤級別的影響最顯著［7］，提示二者在膠質瘤分級中有良好的應用前景。

4.動態對比增強MRI動態對比增強MRI（DCE-MRI）是靜脈注射對比劑釓-二乙三胺五醋酸（Gd-DTPA）等后獲得的動態高時間分辨力T1WI圖像，其藥代動力學參數包括血管內外容量轉移常數（Ktrans）、血管外細胞外間隙容積比（Ve）、血管內外轉移速度常數（Kep），這些參數可以反映血-腦屏障完整性、腫瘤血管灌注與通透性，故與腫瘤級別相關。研究顯示，高級別膠質瘤由于局部血-腦屏障破壞致血管通透性增強，Ktrans值較低級別膠質瘤高，但對于二者鑒別診斷的Ktrans閾值尚無定論［8］；該項研究還顯示，高級別膠質瘤Ve值亦高于低級別膠質瘤［8］。然而，由于DCE-MRI圖像的獲取受對比劑種類、圖像分析方法等因素的影響，故其對膠質瘤分級的實用性尚有限。

5.PWI PWI序列包括磁敏感加權成像（SWI）與動脈自旋標記（ASL）。動態磁敏感增強灌注成像（DSC-MRI）系快速經靜脈注射對比劑Gd-DTPA后測量一定時間內腫瘤組織內信號衰減程度以評價相對腦血容量（rCBV）。T2WI顯示對比劑首次通過腫瘤組織時信號強度降低，而后恢復。隨時間改變的T2信號強度稱為T2相關度，與對比劑劑量和達到的血藥濃度呈正相關。通過對動態參數T2相關度的測量可以評價興趣區（ROI）相對腦血容量或腫瘤組織相對腫瘤血容量（rTBV），后者可以反映腫瘤血管增殖情況。血管增殖是判斷膠質瘤分級的重要特征，故相對腫瘤血容量與膠質瘤級別呈正相關關系。ASL應用于動脈可以作為內源性示蹤劑測量腦血流量（CBF）。Cebeci等［9］采用DSC-MRI共測量20例高級別膠質瘤和13例低級別膠質瘤患者的相對腦血容量和相對腦血流量（rCBF），并采用ASL測量相對信號強度（rSI）、腦血流量和相對腦血流量，結果顯示，高級別膠質瘤患者上述指標均高于低級別膠質瘤患者，且相對腦血容量與ASL測量的相對腦血流量密切相關。由于該方法可以反映腫瘤血管增殖情況，其在膠質瘤分類和分級診斷中的應用潛力值得關注。

6.MRS氫質子磁共振波譜（1H-MRS）檢測的代謝產物包括N-乙酰天冬氨酸（NAA）、膽堿（Cho）、肌酸（Cr）、乳酸（Lac）和脂質（Lip）等。N-乙酰天冬氨酸主要由神經元內線粒體產生，其波峰下降提示神經元功能障礙、數目減少或能量代謝障礙。膽堿主要反映神經元胞膜磷脂代謝水平。肌酸反映神經元和神經膠質細胞的能量利用和儲存。乳酸僅出現于組織無氧酵解時。脂質提示組織凝固性壞死。N-乙酰天冬氨酸峰降低和膽堿峰升高的特征性表現以及乳酸峰和脂質峰的存在，與膠質瘤級別和侵襲性呈正相關，但MRS單獨用于膠質瘤診斷的精確性有限。MRS、DWI和PWI聯合應用可以將WHOⅡ和Ⅲ級少突膠質細胞瘤的診斷靈敏度提高至82%，精確度提高至84%［2］。

三、膠質瘤的分子遺傳學標志物與MRI

2016年WHO中樞神經系統腫瘤分類的更新使膠質瘤的診斷進入分子診斷時代，其特征性分子遺傳學標志物包括1p/19q-共缺失、異檸檬酸脫氫酶1/ 2（IDH1/2）基因突變等，目前MRI研究主要集中于影像學指標與分子遺傳學標志物的關聯性。

1.1p/19q-共缺失與MRI準確識別膠質瘤的1p/19q-共缺失對治療有指導意義，1p/19q-共缺失患者放射治療和藥物化療后無進展生存期（PFS）和總生存期更長。研究顯示，存在1p/19q-共缺失的低級別少突膠質細胞瘤患者存在較高的最大相對腦血容量（rCBVmax），提示1p/19q-共缺失與少突膠質細胞瘤血管生成增多有關［2，10］。Kapoor等［11］的研究顯示，1p/19q-共缺失的低級別膠質瘤患者相對腫瘤血容量增加；與1p/19q未缺失或僅19q缺失的膠質瘤相比，1p/19q-共缺失或僅1p缺失的膠質瘤相對腫瘤血容量更高，血管內皮生長因子（VEGF）mRNA、CD31 mRNA和CD105 mRNA表達水平更高。采用DCE-MRI分析1p/19q-共缺失的間變性少突膠質細胞瘤（WHOⅢ級）的研究顯示，腫瘤體積越大、對比增強效應越明顯，染色體9p和細胞周期蛋白依賴性激酶抑制基因2A（CDKN2A）缺失，血管生成相關基因表達水平升高［12］。Jenkinson等［13］采用1H-MRS檢測1p/19q-共缺失的少突膠質細胞瘤患者，結果顯示，其Cho/Cr比值高于1p/19q未缺失患者，但差異未達到統計學意義。研究顯示，相對腦血容量聯合1H-MRS［包括NAA/Cr、Cho/Cr、肌醇（mI）/Cr、Lac/Cr］診斷少突膠質細胞瘤有無1p/19q-共缺失的靈敏度為82.6%、特異度為64.7%、準確度達72%［10］。亦有研究顯示，有或無1p/19q-共缺失的腫瘤在DWI、PWI或MRS中并未顯示出明顯差異，而且影像學對1p/19q-共缺失的誤診率高達40%［7］。上述研究結論差異較大，可能是由于不同研究者采用不同MRI序列和圖像分析方法，特定的腫瘤級別和類型如是否為純少突膠質細胞瘤或混合性腫瘤，以及不同表皮生長因子受體（EGFR）基因突變等。因此，膠質瘤1p/19q-共缺失與MRI之間的關系尚待進一步深入研究。

2.IDH1/2基因突變與MRI在相同組織學類型的膠質瘤中，IDH1/2突變型預后明顯優于野生型。IDH基因突變改變生物酶功能，消耗α-酮戊二酸和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）而產生致癌代謝物2-羥基戊二酸（2-HG）。采用質譜分析法檢測手術切除的膠質瘤標本，可以檢出較高水平的2-羥基戊二酸。目前通過MRS使無創性原位檢測2-羥基戊二酸成為可能［14］。術前采用1H-MRS可以在IDH1基因突變的腫瘤組織中檢出2-羥基戊二酸，且該原位測值與體外質譜分析法測值呈正相關［15］。IDH基因突變還參與膠質瘤的發生、發展和新生血管形成過程。Kickingereder等［16］采用MRI測量初始治療的73例低級別膠質瘤患者和WHOⅢ級間變性膠質瘤患者相對腦血容量，結果顯示，與野生型患者相比，IDH1/2突變型患者相對腦血容量下降，提示IDH1/2基因突變使膠質瘤血管生成減少，符合其對預后較好的提示作用；同時，相對腦血容量的測量準確預測87.67%患者（64/73）的IDH1/2基因突變。有研究進一步證實，IDH1突變型與野生型膠質瘤的標準化腦血容量（n CBV）不同，且前者ADC值更高［17］。

3.其他分子遺傳學標志物與MRI膠質瘤其他分子遺傳學標志物包括EGFR、同源性磷酸酶-張力蛋白（PTEN）、Ki-67抗原、O6-甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉移酶（MGMT）甲基化等。采用DSC-MRI測量膠質母細胞瘤患者標準化相對腫瘤血容量（n TBV），可以在一定程度上預測上述標志物在膠質瘤中的表達水平：（1）MGMT甲基化陰性的膠質母細胞瘤患者標準化相對腫瘤血容量高于MGMT甲基化陽性患者。（2）EGFR陽性的膠質母細胞瘤患者中PTEN基因缺失亞組標準化相對腫瘤血容量高于PTEN基因正常亞組。（3）Ki-67抗原標記指數與膠質瘤標準化相對腫瘤血容量呈正相關［18］。EGFRⅧ是膠質母細胞瘤最常見的EGFR基因突變類型，占膠質母細胞瘤的25%～35%，并可加速膠質瘤的新生血管形成。DCE-MRI顯示，與EGFRⅧ陰性的膠質母細胞瘤相比，EGFRⅧ陽性的膠質母細胞瘤呈現出更明顯的強化和衰減，對評價EGFRⅧ分子靶向藥物治療效果具有潛在的應用價值［19］。

綜上所述，隨著近年新型MRI技術的發展和多種技術聯合應用方法的建立，可以無創性對膠質瘤分級進行更準確地評價，并可對其特異性分子遺傳學變異特征進行更深入地分析，從而有助于膠質瘤的診斷、分級和鑒別診斷及分子靶向藥物治療前療效評價。目前該領域大量工作尚待開展，將膠質瘤分子遺傳學變異特性與多種影像學新技術緊密結合，是未來膠質瘤分子診斷與治療時代影像學發展的必然趨勢。

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Research progress of MRI in glioma grading and molecular genetic biomarkers

ZHANG Shan-shan1,YU Lin2

1Department of Medical Image,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China
2Department of Biochemistry and Molecular Biology,School of Basic Medical Science,Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China
Corresponding author:YU Lin(Email:onoblivion@tijmu.edu.cn)

The pathological and imaging diagnosis of glioma has significantly evolved in recent years.Glioma grading,together with a number of molecular genetic biomarkers,has been recognized as an important prognostic and predictive factor,which can also guide the treatment strategy of glioma.This article highlights the research progress of MRI for noninvasively grading and molecular characterization of gliomas,including diffusion-weighted imaging(DWI),diffusion tensor imaging(DTI),diffusion kurtosis imaging(DKI),dynamic contrast-enhanced MRI(DCE-MRI),perfusion-weighted imaging(PWI)and magnetic resonance spectroscopy(MRS).The multiparametric imaging data analysis could improve imaging diagnosis,introduce the potential to noninvasively detect underlying molecular features of glioma,finally improve the accuracy of prognosis prediction and guide the individual-based treatment for glioma patients.

Glioma;Biological markers;Magnetic resonance imaging;Review

2016-12-20）

10.3969/j.issn.1672-6731.2017.01.013

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（項目編號：81202102）；國家自然科學基金資助項目（項目編號：81672592）；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目（項目編號：13JCQNJC12100）；天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目（項目編號：15JCZDJC34600）

300052天津醫科大學總醫院醫學影像科（張姍姍）；300070天津醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系（于林）

于林（Email：onoblivion@tijmu.edu.cn）