影像學評價大鼠膠質瘤及其微環境的研究進展

鄧娟，李昇霖，劉顯旺，薛彩強，周俊林

1.蘭州大學第二醫院放射科，甘肅蘭州730030；2.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅蘭州730030；3.甘肅省醫學影像重點實驗室，甘肅蘭州730030

前言

膠質瘤為腦內最常見原發性腫瘤，其中高級別膠質瘤惡性程度高，盡管經過標準手術及放化療，其生存期仍未見明顯改善［1］，這主要是由于腫瘤組織的異質性和其對治療的抵抗性［2］。腫瘤微環境是腫瘤發生、生長和轉移的重要場所，其變化會影響腫瘤生長及侵襲［3］，所以研究腫瘤微環境也成為近些年來的熱點，而影像學作為一種無創手段，可以對大鼠膠質瘤及其微環境的某些改變進行定性定量評估，這就在一定程度上有助于了解腫瘤的進展情況。因此，本研究就影像學評估大鼠腦膠質瘤的血管與抗血管生成、乏氧狀態、微觀結構及其治療后的改變進行綜述。

1 評價腫瘤血管生成及抗血管生成

腫瘤的發生、發展以及轉移都與新生血管的形成密不可分，所以研究腫瘤的血管生成可以提供臨床藥物治療靶點，并有望改善膠質瘤預后。Lu等［4］分析不同日齡（10、14、18 d）SD大鼠在乙酰唑胺給藥前后引起的CT灌注參數變化，結果發現CD105-微血管密度（Microvessel Density,MVD）、血管生成比率、血管內皮生長因子（Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF）及增殖標志物與給藥前腦血流量（Cerebral Blood Flow,CBF）、腦血容量（Cerebral Blood Volume,CBV）之間呈正相關，與給藥前后CBF、CBV的變化百分比呈負相關，表明CT灌注掃描可作為大鼠C6膠質瘤血管生成評價的一種無創手段。Huang等［5］對大鼠原位膠質瘤模型第7、10和14天分別行能譜CT增強掃描，結果發現實體瘤、腫瘤周圍區域和對側鏡像區的能譜參數與CD105顯色顯著不同，由此認為能譜CT可以在一定程度上反映大鼠C6膠質瘤腫瘤血管生成。

Hou等［6］用貝伐單抗對大鼠膠質瘤進行抗血管生成治療，在治療后第0、1、3、5和7天接受動態對比增強磁共振成像（Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging,DCE-MRI），結果發現治療后第5、7天治療組中灌注轉運常數（Ktrans）和造影劑反流速率常數（Kep）降低，而對照組增加；Ktrans和Kep與MVD呈正相關，血漿容積分數（Ve）與增殖細胞核抗（Proliferating Cell Nuclear Antigen,PCNA）呈負相關，從而認為DCE-MRI可用于評估抗血管生成治療的早期療效。有研究利用DCE-MRI評價C6膠質瘤瘤周區新生血管，結果發現腫瘤邊緣區新生血管類型為血管共生，同樣Ktrans、Kep與血管共生指數有較好的相關性［7］。另有研究使用動脈自旋標記灌注磁共振成像評估貝伐單抗在大鼠膠質母細胞瘤模型中的抗血管生成作用，結果表明動脈自旋標記灌注磁共振成像的標準化CBF和基于動態磁敏感磁共振成像的標準化CBF、CBV與微血管面積密切相關，可用于評價大鼠膠質瘤的抗血管生成治療效果［8］。

李偉龍［9］探討C6膠質瘤放療后不同時間點氟代脫氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose,18F-FDG）攝取水平變化與病理學變化間的關系，結果發現C6膠質瘤微血管密度在放療后1周迅速下降，且下降水平與腫瘤與對側脊柱旁肌肉的最大標準攝取值（SUVmax）比值（Tumor-to-Muscle,T/M）密切相關，因此可以通過18F-FDG PET/CT來反映放療后1周微血管損傷的情況。另有研究比較18FFDG、18F-氟乙基-L-酪氨酸（18F-fluoro-ethyl-L-tyrosine,18F-FET）及18F-氟膽堿對大鼠C6膠質瘤微血管增殖顯影的價值，結果發現血管生成標記物131I-SIP（L19）與18F-氟膽堿、18F-FET攝取相關性較好，而與18F-FDG的相關性較低［10］，這是否意味著18F-氟膽堿和18F-FET相比18FFDG更適合于監測抗血管生成治療，有待進一步研究。

綜上所述，CT灌注及MR灌注成像在評價腫瘤血管與抗血管方面的研究較多，這也說明灌注參數與血管生成具有良好的相關性，為臨床抗血管治療療效評估提供無創方式。PET/CT作為功能分子成像的一種，不同顯像劑對血管生成評價的效果不一，將來會有更特異的顯像劑來評價腫瘤血管生成。

2 評價腫瘤乏氧狀態

腫瘤細胞缺氧可驅動基因不穩定并加速腫瘤進展，還可能導腫瘤細胞對放射線和化療藥物產生抵抗性，增加全身轉移風險［11］，所以了解腫瘤的乏氧狀態對膠質瘤診治非常重要。Qi等［12］研究Wistar大鼠膠質瘤CT灌注參數與腫瘤缺氧免疫組織病理學測量之間的相關性，結果發現缺氧面積百分比與血流量和血容量呈顯著相關，表明CT灌注參數是腫瘤乏氧的潛在非侵入性成像標志物。

潘紅利等［13］對SD大鼠C6原位膠質瘤模型造模成功后第2、3、4周進行DCE-MRI掃描，將各定量參數與免疫組織染色得到不同區域HIF-1α表達情況進行相關性分析，結果表明第3、4周的Ktrans、Ve與HIF-1α之間存在負相關性（P＜0.05），而第2周無相關性，這說明腫瘤不同時間點的乏氧程度不同，DCE-MRI的灌注參數可用于評價大鼠膠質瘤模型乏氧狀態。有研究對SD大鼠神經膠質瘤模型進行氧增強磁共振成像（Oxygen-Enhanced MRI,OE-MRI）并進行組織學分析，從而評估腫瘤微血管密度和缺氧狀態，結果證明信號強度變化百分比（PSIC值）低的腫瘤面積百分比與缺氧和壞死染色百分比顯著相關（r=0.71,P＜0.05），PSIC值較高的感興趣區通常具有更多的血管，這些發現表明OE-MRI參數可用于評估C6膠質瘤模型中的乏氧程度［14］。Xu等［15］研究發現血氧水平依賴性功能磁共振成像（Blood-Oxygen-Level Dependent Functional Magnetic Resonance Imaging,BOLD-fMRI）與非血流動力學響應函數后處理算法可以動態監測Wistar大鼠C6腦膠質瘤的乏氧狀態。

Watabe等［16］利用18F-FMISO PET和15O標記氣體PET研究Fischer大鼠C6膠質瘤的缺氧區域腫瘤內灌注和氧代謝，發現瘤內乏氧區域的腫瘤腦血流量、腫瘤氧代謝率及腫瘤腦血容量明顯低于非乏氧區域，在嚴重乏氧區域腫瘤的氧攝取率明顯高于正常或輕度腫瘤乏氧區，這項研究表明腫瘤內缺氧區域顯示出隨著氧氣提取量的增加而血流減少的趨勢，這提供了一種新的思路，可通過使乏氧區血流正常化來改善膠質瘤對放化療的抵抗。另有研究虹膜醌（IQ）的放射增敏機制，并評估18F-FDG和18F-氟代咪唑（18F-fluoromisonidazole,18F-FMISO）PET/CT的監測能力，結果顯示4組（IQ組、放療組、放療+IQ組、對照組）大鼠膠質瘤中HIF-1α的表達存在顯著差異（F=87.1,P＜0.01），18F-FDG和18F-FMISO攝取的最大標準攝取值（SUVmax）與HIF-1α的表達呈顯著相關，放療+IQ組SUVmax最低，而且18F-FMISO與HIF-1α的相關系數比18F-FDG高，這不僅證明IQ有放療增敏作用，且表明18F-FMISO PET/CT用于監測腫瘤乏氧狀態較18F-FDG更好［17］。

綜上所述，影像學對大鼠膠質瘤的乏氧狀態的研究主要集中在磁共振成像與PET/CT，特別是一些新興的磁共振成像，如OE-MRI、BOLD-fMRI可以很好地評價腫瘤組織的乏氧狀態。這些研究為臨床治療膠質瘤提供了新的認識，如可通過使乏氧區血流正常化來改善膠質瘤對放、化療的抵抗。

3 評價腫瘤微觀結構

Liu等［18］對Wistar大鼠原位膠質瘤模型進行能譜CT增強掃描，對腫瘤實體、腫瘤邊緣及對側正常腦組織增殖標記蛋白Ki67進行免疫染色，結果發現腫瘤實體、腫瘤周圍與正常腦組織的能譜CT參數顯著不同，而且其參數和Ki67表達之間有相關性，由此認為能譜CT可以在一定程度上檢測惡性膠質瘤內的微觀結構變化，并提供有關腫瘤增殖和侵襲程度的重要信息。

有研究首次應用超極化［2-13C］丙酮酸鹽磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectrum,MRS）成像對大鼠C6膠質瘤線粒體代謝進行評估，結果顯示線粒體小分子二氯乙酸鹽（一種調節丙酮酸脫氫酶激酶活性的藥物）發生了改變，從而表明其可以對膠質瘤的微觀結構變化進行分析［19］。Li等［20］探討Wistar大鼠C6腦膠質瘤晚期的磁共振擴散張量成像各向異性分數與腫瘤微結構的關系，結果發現腫瘤組織與正常組織間的各向異性分數顯著不同，而且晚期腫瘤組織的各向異性分數與VEGF、MVD及腫瘤細胞密度呈正相關（P＜0.05），這說明大鼠神經膠質瘤晚期的各向異性分數可在術前提供準確、可靠、無創的影像學監測方法，以評估神經膠質瘤細胞密度、血管新生程度、纖維束完整性和腫瘤細胞浸潤等。Song等［21］首次應用核磁共振示蹤技術定量分析大鼠C6膠質瘤模型中擴散和清除參數，將Gd-DTPA引入膠質瘤的細胞外間隙（Extracellular Space,ECS）中，并分析細胞外基質（Extracellular Matrix,ECM）對Gd-DTPA擴散的影響，結果發現膠質瘤在生長到第20天與第10天相比，Gd-DTPA擴散得更慢，清除率更低，半衰期更長，ECS參數隨C6膠質瘤進展ECM含量增加而改變，該研究可能有助于更好地了解膠質瘤微環境，并為間質給藥治療腦膠質瘤提供益處。

影像學不僅可以對腫瘤整體進行宏觀的描述，其某些參數可以對腫瘤內部的微觀結構進行分析，如可以利用造影劑（Gd-DTPA）在膠質瘤ECM的擴散來了解其微環境，為間質給藥提供益處，這將會是未來影像技術重點關注的內容之一。

4 評價腫瘤治療效果

膠質瘤經放化療后，可出現多種影像學變化，影像學識別治療是否有效對于指導臨床用藥至關重要［22］。除抗血管治療外，這部分研究主要集中在放療。如Yeung等［23］對大鼠膠質瘤進行立體定向放射外科手術（Stereotactic Radiosurgery,SRS），并在術前及術后8周內定期進行CT灌注成像并與組織學對照，觀察剩余大鼠的存活時間。結果發現與對照組相比，SRS后大鼠總體生存獲益以及SRS應答者（存活＞15 d的輻照動物）在術后第7天相對血容量（Relative Blood Volume,rBV）和滲透性表面積（Permeability-Surface,PS）較低，這說明大鼠膠質瘤對放療的反應是不同的，使用CT灌注成像可以早期選擇應答者和非應答者。另有研究大鼠C6腦膠質瘤模型在不同劑量12C6+離子束輻照后第1、2周能譜CT參數變化，并與腫瘤增殖凋亡及侵襲性變化的病理學進行對照，結果表明能譜CT低keV單能量CT值、碘含量值及能譜曲線斜率多參數量化可在一定程度上反映在體腫瘤的惡性程度，可用來評價腫瘤放療療效［24］。

Hong等［25］對大鼠U87膠質瘤放療前及放療后第3、6、9和14天進行多種功能和分子MRI，并與組織病理學對照。結果發現除放療后第3天外，放療后（40和20 Gy）腫瘤的表觀擴散系數均較放療前顯著升高、腫瘤血流量明顯下降，腫瘤的酰胺質子轉移加權（Amide Proton Transfer Weighted,APTw）信號在照射后各時間點（40 Gy）和照射后第9天（20 Gy）均顯著降低。由此可知腫瘤表觀擴散系數、血流量和APTw都可用來預測神經膠質瘤對放療的反應，其中APTw最有可能用于早期反應評估。Yu等［26］研究C6大鼠膠質瘤放療前后MRS的變化，結果發現放療前膽堿（Cho）/肌酸和磷酸肌酸（Cr）值與放療后第10、14和20天顯著不同。放療前Cho/N-乙酰天門冬氨酸（NAA）、NAA/Cr比值與放療后第14天、20天顯著不同。放療后第4天腫瘤體積變化與Cho/Cr、脂質和乳酸鹽/Cr、谷氨酸+谷氨酰胺/Cr的變化呈正相關，MRS與腫瘤大小和Ki-67指數結合使用，以獲取腫瘤對放射的反應。最近有研究表明超極化［1-13C］丙酮酸MRS可以為傳統磁共振成像提供補充的代謝信息，從而為緩慢發展的基因治療反應提供更全面的圖像，這可能有利于檢測患者的成功治療反應［27］。

Wang等［28］利用18F-FDG PET/CT評估齊墩果酸對C6大鼠神經膠質瘤的放射增敏作用，并與免疫組化Ki67和GLUT-1進行相關性分析，結果發現放療后第1、7天的18F-FDG攝取的腫瘤/肌肉比（T/M）與Ki67和GLUT-1的表達呈顯著相關，18F-FDG PET/CT是評估放療后早期變化的潛在敏感工具。Wang等［17］研究發現18F-FMISO PET/CT對放療后的監測能力較18F-FDG PET/CT更好。Stegmayr等［29］對U87膠質母細胞瘤進行單一高劑量貝伐單抗（PET之前2 d，45 mg/kg）治療和2次較低劑量（PET之前2、9 d，10 mg/kg）治療后進行O-（2-18F-氟乙基）-1-酪氨酸PET（O-(2-18F-fluoroethyl)-L-tyrosine PET），結果發現短期貝伐單抗治療血腦屏障有恢復趨勢，而長期治療則導致血腦屏障通透性顯著降低，腫瘤細胞瘤中18FFET的攝取很可能與血腦屏障的滲透性無關，而且其相較增強磁共振成像更可靠地反映了抗血管生成治療期間腫瘤組織的活力。

總而言之，CT對膠質瘤療效研究主要集中在CT灌注與能譜CT，但是CT對神經系統腫瘤較低的分辨率限制了其應用。磁共振成像的多種功能和分子成像能夠對膠質瘤治療后腫瘤及其微環境的改變進行監測，從而有望指導臨床治療。當然，PET/CT利用其分子代謝層面的優勢，不同顯像劑在監測療效方面發揮的不同作用還需進一步研究。

5 總結

綜上所述，影像學可以實現對膠質瘤動物模型進行分子層面的研究，從而實現對膠質瘤的血管生成、乏氧狀態、微觀結構及療效等的評價。相信隨著影像技術的不斷發展，影像學也可以實現對人腦膠質瘤進行各種微觀結構層面的顯影，從而提高膠質瘤的診斷、治療療效評價的準確性，為膠質瘤診治提供新思路。