DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細胞瘤分級診斷的初步研究

段筱璠，張輝，王效春，譚艷，秦江波，王樂，張磊

DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細胞瘤分級診斷的初步研究

段筱璠1，張輝2*，王效春2，譚艷2，秦江波2，王樂2，張磊2

目的探討DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細胞瘤分級診斷的價值。材料與方法搜集經手術病理證實的52例腦星形細胞瘤患者，術前均行常規MRI掃描及多b值DWI掃描，其中低級別組(WHO Ⅰ～Ⅱ級) 24例，高級別組(WHO Ⅲ～Ⅳ級) 28例。測量腫瘤實質區的AQP-ADC值、常規ADC值。采用獨立樣本t檢驗分析AQP-ADC值、常規ADC值在高低級別腦星形細胞瘤中是否具有統計學差異，ROC曲線分析比較AQP-ADC值與常規ADC值的診斷效能。結果高級別組腫瘤實質區的AQP-ADC值高于低級別組，高級別組腫瘤實質區的常規ADC值明顯低于低級別組；腫瘤實質區AQP-ADC值、常規ADC值在腦星形細胞瘤高低級別間有明顯的統計學差異(P＜0.01)，AQP-ADC值、常規ADC值對腦星形細胞瘤分級的ROC曲線下面積：AQP-ADC值為0.891，常規ADC值為0.778。結論AQP-ADC值可以鑒別高低級別腦星形細胞瘤，且優于常規ADC值。

星形細胞瘤；腦；彌散磁共振成像

段筱璠, 張輝, 王效春, 等. DWI多b值水通道蛋白分子成像在腦星形細胞瘤分級診斷的初步研究. 磁共振成像, 2017, 8(1): 13-16.

神經膠質瘤是中樞神經系統最常見的原發性腦腫瘤，其中腦星形細胞瘤約占75%，高級別星形細胞瘤具有生長速度快、侵襲能力強、無邊界浸潤及術后易復發等特性[1-2]，因此術前對腦星形細胞瘤級別的評估對于治療方案的選擇及臨床預后的評估具有重要意義。MRI功能成像可以提供腫瘤病理生理學信息，是常規MRI的重要補充。

MRI水分子擴散加權成像技術可以反映活體水分子分布、運動的特征信息[3-4]。傳統觀念認為水分子是以自由擴散的方式通過細胞膜的，1993年Agre等[5]對水通道蛋白的發現，對傳統的這種觀念提出了挑戰。水通道蛋白(aquaporine, AQP)是細胞膜上能選擇性地高效轉運水分子的膜內在蛋白，能顯著增加細胞膜對水的通透性，參與水的分泌、吸收及細胞內外水平衡的調節[5-6]。研究發現，膠質瘤細胞AQP1、4、9表達明顯增高，而且與腫瘤級別呈相關性[7-10]。李加慧等[11]研究發現采用水擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中高值(b＞1500 s/mm2)時，能夠檢測到通過紅細胞膜AQP擴散的水分子，從而間接獲得AQP在細胞膜的分布、活性和數量信息。

目前，應用DWI多b值水通道蛋白分子成像進行腦星形細胞瘤分級診斷的研究報道極少，其是否有臨床應用價值有待進一步研究，在此我們探討DWI多b值水通道蛋白分子成像對腦星形細胞瘤分級診斷的價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

搜集我院2014年4月至2016年5月經手術病理證實的腦星形細胞瘤52例。根據WHO 2007年中樞神經系統腫瘤分類標準分為兩組：低級別組(WHOⅠ～Ⅱ級)24例；高級別組(WHO Ⅲ～Ⅳ級)28例。排除標準：MRI檢查前行放化療的患者；復發患者。

1.2 檢查方法

使用GE 3.0 T MRI儀，采用八通道頭頸聯合拓撲相控陣線圈，患者術前行常規T1WI、T2WI、T2WI-液體衰減反轉恢復序列(T2WI-FLAIR)及多b值DWI掃描，最后行T1WI增強掃描。

1.2.1 常規序列參數

(1)梯度回波(GRE) T1WI：TR 195 ms，TE 4.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，層厚 6.0 mm；(2)快速自旋回波(TSE) T2WI：TR 5900 ms，TE 98 ms，FOV 24 cm×24 cm，層厚 6.0 mm；(3) T2WI-FLAIR：TR 8000 ms，TE 95 ms，FOV 24 cm× 24 cm，層厚 6.0 mm。Gd-DTPA (0.1 mmol/kg)用于T1WI增強掃描。

1.2.2. 多b值DWI

采用平面回波序列(EPI)，TR 3000 s，TE 115.5 s，層厚6.0 mm，層距1.0 mm，NEX為3，FOV 24 cm×24 cm，矩陣128×128，b=0、20、50、100、200、400、800、1200、1800、2500、3000、3500、4000 mm2/s，共13個b值。

1.3 數據處理

在GE Adavantage Workstation 4.4工作站使用AQP軟件及ADC軟件進行后處理，分別獲得AQPADC參數圖及常規ADC圖(圖1，2)，在各參數圖上采用手繪法在腫瘤實質區(強化區域)勾畫感興趣區(region of interest，ROI)，ROI的面積大小范圍為20～40 mm2，腫瘤實質區需避開囊變、壞死、出血、大血管和鈣化等，然后分別測量同一腫瘤實質區的AQP-ADC值及常規ADC值，每個ROI重復測量3次，取平均值。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 高低級別組腫瘤實質區AQP-ADC值及常規ADC值比較

高低級別組腫瘤實質區的AQP-ADC值及常規ADC值如表1所示。結果顯示高級別組腫瘤實質區的AQP-ADC值明顯高于低級別組(P＜0.05)，高級別組腫瘤實質區的常規ADC值明顯低于低級別組(P＜0.05)。

2.2 腦星形細胞瘤腫瘤實質區ROC曲線分析

腦星形細胞瘤腫瘤實質區AQP-ADC值、常規ADC值鑒別高低級別腦星形細胞瘤的ROC曲線下面積(AUC)分別為0.891、0.778，界值分別為0.120、1.012，敏感性及特異性分別為96.2%、85.4%及88.5%及81.5% (圖3)。

圖1 男，25歲，星形細胞瘤, WHO Ⅰ級。A：右側顳葉輕度異常強化影；B：常規ADC圖，腫瘤實質區常規ADC值為1.073；C： AQP-ADC圖，腫瘤實質區AQP-ADC值為0.116 圖2 女，56歲，星形細胞瘤, WHO Ⅲ級。A：右側丘腦不規則環狀異常強化信號影；B：常規ADC圖，腫瘤實質區常規ADC值為0.864；C：AQP-ADC圖，腫瘤實質區AQP-ADC值為0.138Fig. 1 Male, 25 years old with WHO Ⅰ grade astrocytoma. A: Slight enhanced lesion in the right temporal lobe. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 1.073. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.116. Fig. 2 Female, 56 years old with WHO Ⅲ grade astrocytoma. A: Irregular ring like enhanced lesion in the right thalamus. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 0.864. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.138.

圖3 AQP-ADC值及常規ADC值對腦星形細胞瘤分級的ROC曲線Fig. 3 Receiver operating characteristic (ROC) curves of AQP-ADC value and conventional ADC value of the cerebral astrocytoma.

3 討論

1993年，Agre等[5]學者對AQP的發現，創立了水在細胞膜主動轉運的全新理論，對傳統的水以自由擴散的方式通過細胞膜的理論提出了挑戰。從Stejskal等提出采用雙極梯度進行DWI機制，到雙指數的IVIM模型，再到IVIM模型基礎上的拉伸指數模型和DKI模型，都沒有考慮到細胞膜的分子結構，以及水分子在組織和細胞中運動的分子生物學機理[12]。建立在水通道蛋白理論基礎上的AQP分子成像技術，使擴散加權成像(DWI)多b值水通道蛋白分子成像技術顯示其分子信息成為可能[5-6，13]。

表1 腦星形細胞瘤腫瘤實質區AQP-ADC值及常規ADC值比較(×10-3mm2/s)Tab. 1 The comparison of AQP-ADC value and conventional ADC value of the tumoral solid part of the cerebral astrocytoma (×10-3mm2/s)

李加慧 等[11]報道 采用乙 酰 唑胺抑 制AQP1、AQP4進行MR分子成像，作者發現采用水擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中低b值具有很好的組織特異性，高b值能夠(b＞1500 s/mm2)提供AQP信息，從而間接獲得AQP在細胞膜的分布、活性和數量信息；李秋菊等[14]對肝纖維化大鼠的初步研究表明，DWI多b值成像能夠顯示肝臟組織細胞中水分子的血流灌注相、組織內擴散相以及跨細胞膜轉運相的圖像信息，尤其高b值下ADC值變化與肝臟細胞膜上AQP表達相關，可以間接反映AQP分子信息；呂水清等[13]應用DWI多b值水通道 蛋 白分子成像技術對AQP在帕金森病患者不同腦區的MRI表現進行了初步研究；白巖等[12]應用DWI多b值水通道蛋白分子成像技術獲得膠質瘤圖像，發現其可以反映膠質瘤分級。

本研究采用高b值(1800～4000 s/mm2)，通過AQP后處理軟件得到AQP圖像，并測量腫瘤實質區的AQP-ADC值，結果顯示高級別組腫瘤實質區的AQP-ADC值明顯高于低級別組。造成這種結果的原因目前尚無定論，分析可能與不同級別的腦膠質瘤組織細胞表達AQP的程度不同有關。研究發現，膠質瘤細胞AQP1、4、9 表達明顯增高，而且與腫瘤級別呈相關性[8]。近年來發現AQP不僅能夠選擇性高效轉運水分子，還可促使水分子快速進入細胞板狀偽足，增強腫瘤細胞遷移和侵襲能力、調節膠質瘤細胞需氧酵解導致局部微環境的改變、膜電位的維持、細胞有絲分裂卵裂溝的形成及細胞骨架的重構等[8-9]。而且文獻報道AQP的表達程度與腫瘤級別呈正相關，這些高表達的AQP引起膠質瘤組織內水代謝增高[12]，表現為高級別組的AQP-ADC值不同程度高于低級別組；而且，我們的研究結果顯示，與常規ADC值相比，其對腦星形細胞瘤分級的診斷效能更高。

綜上所述，本研究結果初步表明通過AQP MRI分子成像技術可以鑒別高低級別腦星形細胞瘤，是采用一種無創的方式來對腦星形細胞瘤的惡性程度進行預測，并對臨床治療方案的選擇提供參考。但是，本研究尚存在一些不足之處，首先，總體病例數相對較少，缺乏一定的代表性，仍需病例數較多的實驗來進行反復驗證，并確定準確率較高的界值；其次，本研究沒有進行AQP表達的測定，AQP的表達與否缺乏免疫組化的支持，但是，大量文獻報道膠質瘤組織細胞中AQP表達升高，而且與病理級別呈相關性，在接下來的研究中，我們會進行AQP表達的測定，使結果更具說服力。

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The preliminary study of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of cerebral astrocytoma

DUAN Xiao-fan1, ZHANG Hui2*, WANG Xiao-chun2, TAN Yan2, QIN Jiang-bo2, WANG Le2, ZAHNG Lei21Medical Imaging Department of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
2Department of Radiology, First Clinical Medical College, Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
*

Zhang H, E-mail: zhanghui_mr@163.com
Received 22 Sep 2016, Accepted 19 Nov 2016
ACKNOWLEDGMENTSThis study was supported by grants from the National Natural Science Foundation (No. 81471652) to Hui Zhang; the Natural Science Foundation of Shanxi Province to Yan Tan (No. 201601D021162).

Objective:To investigate the value of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of astrocytoma.Materials and Methods:Fifty-two patients with cerebral astrocytoma underwent conventional MRI scanning and multi b value DWI scanning before surgery, of which the low-grade group (WHOⅠ—Ⅱgrade) were 24 cases, the highgrade group (WHO Ⅱ—Ⅳgrade) were 28 cases. Measuring the AQP-ADC values and conventional ADC values in tumoral solid part. Using independent sample t-test to compare AQP-ADC values and conventional ADC values between the lowgrade group and high-grade group, ROC curve was used to compare the diagnostic performance of AQP-ADC values and conventional ADC values.Results:The AQP-ADC value in tumoral solid part of high-grade group was higher than those of low-grade group, and the conventional ADC value in tumoral solid part of highgrade group was lower than those of low-grade group, the AQP-ADC value and conventional ADC value of tumoral solid part had significant differences between the groups (P＜0.01). The area under the ROC curve (AUC) of AQP-ADC value and conventional ADC value was 0.891, 0.778 respectively.Conclusions:AQP-ADC value in tumoral solid part could be used to identify low grade astrocytoma from high grade astrocytoma, and was better than conventional ADC value.

Astrocytoma; Brain; Diffusion magnetic resonance imaging

國家自然科學基金面上項目(編號：81471652)，山西省自然科學基金(編號：201601D21162)

1. 山西醫科大學醫學影像學系，太原030001

張輝，E-mail：zhanghui_mr@163. com

2016-09-22

R445.2；R730.264

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.01.004

2. 山西醫科大學第一醫院影像科，太原 030001

接受日期：2016-11-19