氨基質子轉移MRI對腦膠質瘤分級及預測腫瘤細胞增殖的診斷價值

李欣蓓， 宋玉坤， 朱筱磊， 王玉亮， 趙靜， 嚴序， 王婧妍， 初建平

·中樞神經影像學·

氨基質子轉移MRI對腦膠質瘤分級及預測腫瘤細胞增殖的診斷價值

李欣蓓， 宋玉坤， 朱筱磊， 王玉亮， 趙靜， 嚴序， 王婧妍， 初建平

目的：探討氨基質子轉移(APT)MRI對腦膠質瘤分級的診斷價值及其與腫瘤細胞增殖標記物Ki-67表達水平的相關性。方法：經病理證實的21例腦膠質瘤患者術前行常規MR平掃、增強及APT掃描，其中低級別膠質瘤8例(WHO Ⅰ～Ⅱ級)，高級別膠質瘤13例(WHO Ⅲ～Ⅳ級)。在腫瘤實質區選取5～10個ROI，測量并計算MTRasym值。采用Mann-Whitney-Wilcoxon 檢驗比較高低級別膠質瘤間MTRasym值的差異，采用Spearman相關分析來分析MTRasym值與腫瘤Ki-67表達水平的相關性。結果：高級別膠質瘤的MTRasym值(4.41%±2.23%)明顯高于低級別膠質瘤(3.83%±2.02%)，差異有統計學意義(W=5816，Z=-3.01，P<0.05)。高級別膠質瘤的Ki-67的表達水平(38.85%±21.03%)明顯高于低級別膠質瘤(4.13%±2.64%)，差異有統計學意義(W=2606，Z=-11.54，P<0.05)。膠質瘤的MTRasym值與Ki-67表達水平呈正相關(r=0.25，P<0.001)。結論：MR氨基質子轉移成像可用于鑒別高低級別膠質瘤，對預測腫瘤細胞增殖有潛在價值。

腦腫瘤； 膠質瘤； 氨基質子轉移成像； 磁共振成像； Ki-67

膠質瘤占顱內腫瘤40%以上[1]。隨著精準醫療概念的提出，越來越多的研究發現，相同病理類型及WHO分級的膠質瘤，采用相同的治療手段，但其疾病的轉歸及預后相差甚大[2-3]。2016年新的腦腫瘤WHO分型已引入分子病理的相關信息[4]，而其中一個重要的病理標志物就是Ki-67抗原的表達。Ki-67抗原是存在于增殖細胞核中的一種非組蛋白性核內蛋白，能反映腫瘤細胞的增殖速度及侵襲能力[1]，對膠質瘤的預后有重要的提示意義。

氨基質子轉移(amide proton transfer,APT)成像是一種新的磁共振分子成像技術，可以無創性地探測組織內源性游離蛋白質及多肽，從而反映細胞內的代謝變化及病理生理信息[5-8]。APT技術應用至今，在神經系統方面除了在腦卒中和帕金森病方面的研究外，大部分研究集中在對腦內腫瘤的鑒別診斷、膠質瘤放療療效及腫瘤的復發評估等方面[7-9]。有研究顯示隨著腫瘤級別的增高，瘤組中內游離蛋白質及多肽會相應增加[10]，而Ki-67又與腫瘤細胞增殖有關，因此本研究基于APT成像能預測膠質瘤分級并與Ki-67有一定相關性，通過分析21例不同級別腦膠質瘤的不對稱磁化轉移率(asymmetric magnetization transfer ratio，MTRasym)，探討其對膠質瘤分級和預測腫瘤細胞增殖的診斷價值。

材料與方法

1.一般資料

將2014年3月-2015年12月在本院行MR檢查的21例膠質瘤患者納入研究，其中男12例、女9例，年齡26～76歲，中位年齡50歲。所有患者在MRI檢查前未接受任何治療或干預，最終診斷均經手術或穿刺病理證實，其中低級別膠質瘤(WHO Ⅰ～Ⅱ級)8例，包括少突膠質細胞瘤、星形細胞瘤及肥胖型星形細胞瘤；高級別膠質瘤(WHO Ⅲ～Ⅳ級)13例，包括間變性星形細胞瘤、膠質母細胞瘤、小細胞膠質母細胞瘤、橫紋肌樣膠質母細胞瘤及多形性膠質母細胞瘤。

2.檢查方法

使用Siemens Magnetom Trio 3.0T MR掃描儀和16通道頭線圈。常規掃描包括橫軸面T1WI、T2WI和冠狀面FLAIR序列。對比劑為Gd-DTPA(拜耳公司)，劑量0.1 mmol/kg，對比劑注射后行橫軸面T1WI掃描。T1WI掃描參數：TR 500 ms，TE 8.9 ms，層厚6 mm，層間距0 mm，矩陣205×320，視野230 mm×184 mm；T2WI掃描參數：TR 4000 ms，TE 100 ms，層厚6 mm，矩陣346×384，視野230 mm×230 mm；T2-FLAIR掃描參數：TR 9000 ms，TE 111 ms，層厚6 mm，矩陣205×320，視野230 mm×184 mm。APT成像在增強掃描前進行，選擇病灶顯示最大的層面進行單層掃描，化學飽和轉移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像序列采用施加了一定時間預飽和照射的2D T1-GRE序列；掃描參數：TR 1340 ms，TE 2.46 ms，層厚6 mm，矩陣104×128，視野250.0 mm×203.1 mm；1.6uT的預飽和照射脈沖由5個100 ms的高斯脈沖組成，脈沖照射范圍選擇±4.5ppm的頻率帶寬，并采取平均每Δ=0.225 ppm掃描一次、對該范圍分別進行40次掃描(預飽和照射)，其中采集一個不施加飽和脈沖的基線數據M0用于信號標準化，得到的40組不同頻率的數據圖像經由CEST序列自帶的后處理算法進行計算，得到相應的MTRasym圖及Z譜。整個序列在掃描前均通過施加B0 GRE Mapping對B0場圖像的均勻度進行校正。

3.APT成像的數據處理及分析

使用Siemens工作站。在腫瘤病灶的實質區域隨機選取5～10個感興趣區(ROI)，測量MTRasym值，MTRasym計算公式如下[11-13]：

(1)

4.病理檢查及免疫組織化學分析

對腦膠質瘤標本行HE染色及Ki-67免疫組化染色，并對膠質瘤進行定性和分級。Ki-67抗原位于細胞核，腫瘤細胞核出現棕黃色染色顆粒為陽性結果。每例患者隨機觀察5個高倍視野(200倍)，在Ki-67染色最密集的區域對陽性表達細胞進行計數，重復3次取均值，然后根據5個高倍鏡視野的平均陽性細胞率，以百分數表示Ki-67抗原標記指數，代表細胞的增殖指數。

5.統計學分析

使用SPSS 20.0統計軟件(IBM,Armonk, NK)進行Mann-Whitney-Wilcoxon檢驗，比較高低級別膠質瘤的MTRasym值及Ki-67表達水平的差異。采用Spearman相關分析研究各參數值與Ki-67的相關性。P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

高級別膠質瘤的MTRasym值為4.41%±2.23%，低級別膠質瘤的MTRasym值為3.83%±2.02%，高低級別膠質瘤MTRasym值的差異有統計學意義(W=5816，Z= -3.01，P<0.05)。

高級別膠質瘤的Ki-67標記指數為38.85%±21.03%，低級別膠質瘤為4.13%±2.64%，高級別膠質瘤的Ki-67的表達水平明顯高于低級別膠質瘤，差異有統計學意義(W=2606，Z=-11.54，P<0.05)。MTRasym值與膠質瘤的Ki-67標記指數具有相關關系(r=0.25，P<0.001)。高、低級別膠質瘤的常規MRI、APT圖及Ki-67圖如圖1、2所示。

討 論

膠質瘤是最常見的原發性惡性腦內腫瘤，由神經上皮組織起源，2016年WHO中樞神經系統腫瘤分類將膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，其中Ⅰ、Ⅱ級為低級別膠質瘤，Ⅲ、Ⅳ級為為高級別膠質瘤[14]。采用MRI對膠質瘤進行準確的術前分級，將有利于臨床治方案的選擇，并且能更好地評估預后。

APT成像是基于化學飽和轉移成像(CEST)的一種磁共振成像新技術，其成像原理是利用特定頻率的脈沖來飽和細胞內游離蛋白質和多肽上的氨基質子，由于這些氨基質子本身的活潑性質，能夠與組織環境中的自由水質子之間產生化學交換，因此使得組織中部分水的信號也被飽和掉，進而可以通過組織環境中信號的變化來無創性的探測組織內源性低濃度的游離蛋白及多肽，從而可間接地反映活體細胞內的代謝變化和生理病理信息[5-7]。這種化學交換飽和轉移的速率與組織內氨基質子的活潑性、溫度以及pH值相關。當有腫瘤等組織存在時，某些蛋白質和多肽代謝物的含量在這一區域顯著增加，進而引起可交換的氨基質子濃度的升高，即表現為CEST效應的增強，其相對的磁化傳遞率(MTRasym值)增高。而當組織環境中pH值較低時，氨基質子電負性增大，其交換速率加快，組織環境中自由水被飽和的信號越高，MTRasym值越高[5,8]。

圖1 胼胝體少突膠質細胞瘤(Ⅱ級)。a) T1WI示腫瘤呈不規則等～低混雜信號(箭)； b) T2WI示腫瘤呈稍高-高混雜信號； c) 增強掃描示腫瘤呈輕度不均勻強化； d) APT圖示腫瘤呈稍高信號(黃色，箭)； e) 免疫組化染色病理片，鏡下示腫瘤Ki-67抗原標記指數為2%(×200)。

在常規MRI掃描中，增強掃描僅能反映血腦屏障的破壞情況，不能很好地提示腫瘤的性質及范圍。約20%的低級別膠質瘤在增強掃描時也表現為明顯強化，而有1/3的惡性膠質瘤增強掃描時未見明顯強化[15-16]，且腫瘤強化顯著的部分與細胞分化差的部分并不完全一致[17]，因此依賴傳統的MRI平掃及增強掃描來診斷膠質瘤具有較大的局限性。但進行APT成像，根據病灶的信號強度及MTRasym值可對膠質瘤的病理分級進行較準確的術前評估。APT成像上信號的變化與蛋白質、多肽含量及pH值有關，但在腦腫瘤中細胞內pH值的變化通常小于0.1個單位，故其對APT成像的影響可忽略不計，則APT圖像上信號的改變可近似地認為僅由細胞內蛋白質和多肽的濃度改變所導致[6,18]。質子譜研究表明，隨著腫瘤級別的增高，其內的蛋白質含量也會隨之增加[10]。通過APT技術，根據其信號的強弱，MTRasym值的高低，可間接得知腫瘤細胞內蛋白質和多肽的含量，進一步對高低級別膠質瘤進行鑒別，提供更準確的診斷。

另外，本研究還探討了MTRasym值與Ki-67抗原表達水平的相關性。Ki-67抗原是存在于增殖細胞核中的一種非組蛋白性核內蛋白，定位于10號染色體，由相對分子量395kD和345kD兩條多肽鏈組成，是與增殖相關的核蛋白，能可靠的反映腫瘤細胞的增殖速度及侵襲能力。研究表明，Ki-67與腫瘤的侵襲、轉移及增殖特性有關，對膠質瘤的預后有著重要的提示意義[1]。Ki-67抗原表達水平越高往往提示膠質瘤級別越高，細胞數量增多，細胞增殖活躍，細胞密度增大，細胞內復合蛋白質分子增多，其合成的蛋白質和多肽量也會增多[19-21]。而APT成像能探測組織內的游離蛋白及多肽，其濃度增高則APT成像時信號增高，MTRasym值增高，因此APT成像能間接反映腫瘤細胞的增殖程度，預測腫瘤的惡性程度，對臨床治療方案的選擇及預后評估能提供非常有價值的信息。

圖2 左側顳葉間變型星形細胞瘤(Ⅲ級)。a) T1WI示腫瘤呈類圓形(箭)，部分囊變，實性部分呈稍低信號； b) T2WI示腫瘤實性部分呈稍高信號； c) 增強掃描示腫瘤實性部分不均勻強化，囊壁輕度強化； d) APT圖示腫瘤呈明顯高信號(紅色)； e) 免疫組化染色病理片，鏡下示腫瘤Ki-67抗原標記指數為60%(×200)。

APT成像的優勢在于不需要特殊的硬件配備，不依賴對比劑，也不受血腦屏障的限制，可無創性探測組織內的內源性游離蛋白和多肽，反映細胞增殖情況[22]。但是，APT技術也有一定的不足，2D掃描序列一次掃描僅能獲得單層圖像，不能獲取腫瘤的完整信息。且由于APT圖像的分辨率及信噪比較低，即使參考常規MRI平掃及增強圖像，若腫瘤病灶較小，在選擇感興趣區時可能欠精準，在一定程度上會影響測量結果的準確性。另外，本研究中樣本量較小，尤其是低級別膠質瘤患者的病例數偏少，需要更大樣本量的相關研究來證實本研究結果的準確性。

總的來說，APT技術能較準確地鑒別高低級別膠質瘤并可反映膠質瘤細胞的增殖活躍程度，在膠質瘤的診斷及臨床治療中能提供非常有價值的信息。

[1] 張磊，張學新，蘇君.Ki-67和MMP-2在膠質瘤中表達的研究進展[J].實用腫瘤學雜志，2015，22(5):470-473.

[2] Pignatti F，Bent MVD，Curran D，et al.Prognostic factors for survival in adult patients with cerebral low-grade glioma[J].Off J Am Soc Clin Oncol，2002，20(8):2076-2684.

[3] Siegal T.Clinical relevance of prognostic and predictive molecular markers in gliomas[J].Advan Tech Stand Neurosurg，2016，43(1):91-108.

[4] 蘇昌亮，李麗，陳小偉，等.2016年WHO中樞神經系統腫瘤分類總結[J].放射學實踐，2016，31(7):570-579.

[5] 李春媚，王蕊，周進元，等.酰胺質子轉移磁共振成像在帕金森病診斷中的應用價值[J].功能與分子醫學影像學(電子版)，2014，3(3):428-431.

[6] Jiang SS，Yu H，Wang XL，et al.Molecular MRI differentiation between primary central nervous system lymphomas and high-grade gliomas using endogenous protein-based amide proton transfer MR imaging at 3 Tesla[J].Eur Radiol，2016，26(1):64-71.

[7] 鄭陽，王曉明.酰胺質子轉移成像研究進展[J].中國醫學影像技術，2014，30(8):1256-1259.

[8] Sakata A，Okada T，Yamamoto A，et al.Grading glial tumors with amide proton transfer MR imaging:different analytical approaches[J].J Neuro Oncol，2015，122(2):339-348.

[9] Louis DN，Ohgaki H，Wiestler OD，et al.The 2007 WHO classification of tumours of the central nervous system[J].Acta Neuropathol，2007，114(2):97-109.

[10] Zhou JY，Hong XH.Molecular imaging using endogenous cellular proteins[J].Chin J Magn Reson，2013，30(3):310-320.

[11] Tee YK，Harston GWJ，Blockley N，et al.Comparing different analysis methods for quantifying the MRI amide proton transfer (APT) effect in hyperacute stroke patients[J].NMR Biomed，2014，27(9):1019-1029.

[12] Yuan J，Chen SZ，King AD，et al.Amide proton transfer-weighted imaging of the head and neck at 3T:a feasibility study on healthy human subjects and patients with head and neck cancer[J].NMR Biomed，2014，27(10):1239-1247.

[13] Togao O，Hiwatashi A，Keupp J，et al.Scan-rescan reproducibility of parallel transmission based amide proton transfer imaging of brain tumors[J].J Magn Reson Imaging，2015，42(5):1346-1353.

[14] Louis DN，Perry A，Reifenberger G，et al.The 2016 World Health Organization classification of tumors of the central nervous system:a summary[J].Acta Neuropathol，2016，131(6):803-820.

[15] Law M，Yang S，Wang H，et al.Glioma grading: sensitivity,specificity，and predictive values of perfusion MR imaging and proton MR spectroscopic imaging compared with conventional MR imaging[J].AJNR，2003，24(10):1989-1998.

[16] Sch?fer ML，Maurer MH，Synowitz M，et al.Low-grade (WHO Ⅱ) and anaplastic (WHO Ⅲ) gliomas:differences in morphology and MRI signal intensities[J].Eur Radiol，2013，23(10):2846-2853.

[17] 范兵，杜華睿，王霄英，等.MRI動態增強掃描定量參數對腦膠質瘤分級診斷價值的研究[J].放射學實踐，2014，29(8):893-895.

[18] Zhou JY，Blakeley JO，Hua J，et al.A practical data acquisition method for human brain tumor amide proton transfer (APT) imaging[J].Magn Reson Med，2008，60(4):842-849.

[19] 張格，王顯龍，路世龍，等.腦膠質瘤MR氨基質子轉移成像與病理學特性相關性研究[J].中國放射學雜志，2014，48(9):736-740.

[20] 殷悅，佟丹，劉曉云，等.表觀彌散系數值與Ki-67在膠質瘤診斷中的相關性[J].中國醫學科學院學報，2012，34(5):503-508.

[21] 姜振富，李梅，韋鴻，等.腦膠質瘤中Ki-67、Kras和Braf蛋白的表達及臨床意義[J].現代腫瘤醫學，2013，21(3):507-510.

[22] 趙旭娜.氨基質子飽和轉移磁共振成像方法研究[J].中國醫療器械信息，2015，1(4):17-21.

Diagnostic efficacy of amide proton transfer MRI in the grading of gliomas and predicting tumor cell proliferation

LI Xin-bei,SONG Yu-kun,ZHU Xiao-lei,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China

Objective:To evaluate the diagnostic efficacy of amide proton transfer (APT) MRI in the grading of brain glioma and to study its correlation with the expression of cell proliferation bio-marker (Ki-67) level.Methods:Twenty-one patients with pathology proven brain glioma, including low-grade glioma (LGG,WHO gradeⅠ～Ⅱ) in 8 patients and high-grade glioma (HGG,WHO grade Ⅲ～Ⅳ) in 13 patients,underwent routine plain and contrast-enhanced MRI as well as APT MRI.Five to ten regions of interest (ROIs) were manually drawn within the tumor parenchyma,the asymmetric magnetization transfer ratio (MTRasym) was calculated and analyzed.Mann-Whitney-Wilcoxon test was used to compare the MTRasymvalue between LGG and HGG and its correlation with the level of Ki-67 was analyzed using Spearman correlation analysis.Results:The mean value of MTRasymof HGG (4.41%±2.23%) was significantly higher than that of LGG (3.83%±2.02%),with statistical difference (W=5816,Z=-3.01,P<0.05),and the HGG also showed higher expression level of Ki-67 (38.85%±21.03%) than that of LGG (4.13%±2.64),with statistical difference (W=2606,Z=-11.54,P<0.05).The MTRasymwas positively correlated with Ki-67 value (r=0.25,P<0.001).Conclusion:Amide proton transfer MRI might provide helpful information in the differentiation of HGG and LGG,and may have potential significance in predicting tumor cell proliferation.

Brain neoplasm； Glioma； Amide proton transfer imaging； Magnetic resonance imaging； Ki-67

510080 廣州，中山大學附屬第一醫院放射科(李欣蓓、宋玉坤、王玉亮、趙靜、王婧妍、初建平)；上海，西門子醫療東北亞科研合作部(朱筱磊、嚴序)

李欣蓓(1990-)，女，遼寧丹東人，住院醫師，主要從事神經和功能影像學診斷和研究工作。

初建平，E-mail: truechu@hotmail.com

國家自然科學基金青年基金項目(81201074)；中央高?；究蒲袠I務費(中山大學青年教師培育計劃，13ykpy14)

R445.2；R739.41

A

1000-0313(2017)04-0355-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.04.013

2016-10-01

2017-02-01)