基于多參數(shù)MRI影像組學(xué)信號(hào)預(yù)測(cè)直腸癌KRAS基因突變的研究

唐雪，彭永佳，陳亞曦，龔靜山，朱進(jìn)，羅燕，江長(zhǎng)思

直腸癌(rectal cancer，RC)是最為常見(jiàn)惡性腫瘤之一，根據(jù)美國(guó)2017年癌癥報(bào)告，結(jié)直腸癌占男性和女性惡性腫瘤9%和8%，具有較高的病死率，為男性和女性癌癥相關(guān)死亡的第二位和第三位[1]。近年來(lái)，隨著對(duì)直腸癌發(fā)病機(jī)制和分子特征的深入研究，認(rèn)識(shí)到直腸癌患者KRAS基因狀態(tài)與抗表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)單抗療效具有相關(guān)性[2]。KRAS基因突變可導(dǎo)致EGFR信號(hào)通路持續(xù)激活，加速腫瘤細(xì)胞增殖，從而使抗EGFR藥物治療無(wú)效[3-5]，但是抗EGFR單抗治療對(duì)KRAS基因野生型的RC有效[6]，因此，RC的KRAS基因表型對(duì)臨床腫瘤患者的個(gè)性化治療有重要意義。目前臨床上對(duì)KRAS基因狀態(tài)的明確主要依賴(lài)組織標(biāo)本的免疫組化或基因分析，組織標(biāo)本獲得主要通過(guò)有創(chuàng)方法獲得，而且基因檢測(cè)費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴。近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能算法的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的影像組學(xué)在疾病的檢出、分類(lèi)和定量評(píng)估取得一定的進(jìn)展，成為研究熱點(diǎn)[7-8]。有研究表明，基于MRI或CT的影像組學(xué)對(duì)RC的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和治療反應(yīng)能達(dá)到較高的診斷效能[9-11]。本研究旨在評(píng)估多參數(shù)MRI對(duì)于RC的KRAS基因突變的預(yù)測(cè)效能，從而建立無(wú)創(chuàng)、便捷、在體評(píng)價(jià)直腸癌KRAS基因突變的影像學(xué)生物學(xué)標(biāo)記，為臨床治療方案選擇和個(gè)性化治療提供一種在體無(wú)創(chuàng)可反復(fù)獲得的方便的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究經(jīng)過(guò)暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院深圳市人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：LL-KT-201801118)，免除受試者知情同意。在醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system，HIS)中檢索 2019年 4月至2010年12月間160例經(jīng)手術(shù)病理證實(shí)RC且術(shù)前3個(gè)月內(nèi)行直腸MRI檢查患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)前在我院行MRI檢查，且診斷為直腸癌；(2)在我院行手術(shù)治療，且術(shù)后診斷為直腸癌、有明確病理分期和KRAS基因表型檢測(cè)結(jié)果；(3)檢查前腸道準(zhǔn)備充分；(4)在術(shù)前MRI與手術(shù)間未接受放療、化療等任何治療手段。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)MRI檢查前接受放化療等治療后的患者；(2)腸道準(zhǔn)備不充分、MR圖像上病灶顯示不明顯。最后104例納入本研究，其中男63例，女41例，年齡(60.68±12.74)歲。

1.2 MRI檢查

檢查前一晚囑患者少吃產(chǎn)渣食物，檢查當(dāng)日禁食，檢查前2 h開(kāi)始分次緩慢口服20%甘露醇2000 mL(250 mL加1750 mL水)，患者排便2～3次后開(kāi)始檢查，檢查前10 min肌注654-2(10 mg)。全部患者在3.0 T MR系統(tǒng)(Magnetom Skyra，Siemens Healthcare，Erlangen，德國(guó))采用包含直腸軸位和矢狀位高分辨T2WI和直腸軸位DWI和盆腔的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的直腸MRI方案。高分辨率T2加權(quán)成像參數(shù)如下：重復(fù)時(shí)間(TR)3000～4200 ms；回波時(shí)間(TE)83～101 ms；層厚 3 mm；視野 (FOV)220～280 mm；矩陣，(381×448)～(435×512)。DWI采用rosolve技術(shù)獲得高空間分辨率擴(kuò)散加權(quán)圖像，參數(shù)：TR 5800～7030 ms；TE 61 ms；層厚 3 mm；FOV 220 mm×230 mm；矩陣116×116；b值分別為0和1000 s/mm2。ADC圖采用單指數(shù)模型由MRI系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)0和1000 s/mm2兩個(gè)b值生成。使用釓噴酸葡胺對(duì)比劑(Gadopentetate Dimeglumine Injection，生產(chǎn)廠家：北京北陸藥業(yè)股份有限公司)進(jìn)行直腸軸位T1 vibe多期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)序列，參數(shù)：TR 4.2 ms；TE 2 ms；翻轉(zhuǎn)角12°；層厚2 mm。

1.3 組織病理學(xué)分型

腫瘤的手術(shù)切除標(biāo)本經(jīng)常規(guī)病理學(xué)檢查處理后，制作成石蠟包埋組織樣品，切片后取蠟塊中部含腫瘤細(xì)胞部分立即進(jìn)行KRAS基因突變檢測(cè)。

1.4 腫瘤分割和影像組學(xué)特征提取

將DICOM格式圖像從PACS下載到PC。由1名有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生采用開(kāi)源的ITK-SNAP手工逐層勾畫(huà)RC病灶，獲得全腫瘤的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)。勾畫(huà)過(guò)程中，以DWI為參照，根據(jù)病灶的邊界，分別在直腸軸位高分辨T2WI、動(dòng)態(tài)增強(qiáng)動(dòng)脈期T1WI(contrast-enhanced T1WI，CE-TIWI)和ADC圖上畫(huà)出腫瘤ROI。采用開(kāi)源的Pyradiomics根據(jù)原始圖像和經(jīng)過(guò)ITK-SNAP處理后的圖像提取RC的107個(gè)影像組學(xué)特征，包括14個(gè)形態(tài)特征(shape-based)，14個(gè)灰度相關(guān)矩陣特征(gray level dependence matrix，GLDM)，24個(gè)灰度共生矩陣特征(gray level co-occurrence matrix，GLCM)，18 個(gè)一階統(tǒng)計(jì)特征(first order statistics)，16個(gè)灰度游程矩陣特征(gray level run length matrix，GLRLM)，16個(gè)灰度區(qū)域大小矩陣特征(gray level size zone matrix，GLSZM)，5個(gè)鄰域灰度差矩陣特征(neighborhood gray-tone difference matrix，NGTDM)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件和R語(yǔ)言4.2.2版本(http://www.Rproject.org)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。應(yīng)用t檢驗(yàn)、χ2檢驗(yàn)或Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)分析性別、年齡、CEA、CA125、CA199、EMVI、T分期等臨床病理特征和影像組學(xué)特征與KRAS基因突變的相關(guān)性。將104例患者按0.7∶0.3的比例隨機(jī)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。為消除不同特征尺度的影響，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分別對(duì)特征進(jìn)行歸一化(normalization)。在訓(xùn)練集中對(duì)單因素分析有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變量采用LASSO(least absolute shrinkage and selection operator)回歸算法和5折疊交叉驗(yàn)證進(jìn)一步特征選擇和構(gòu)建影像組學(xué)信號(hào)(radiomics signatue)預(yù)測(cè)直腸癌KRAS基因突變。影像組學(xué)信號(hào)在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集中對(duì)KRAS基因突變的預(yù)測(cè)效能采用受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線下面積(area under the curve，AUC)，并采用DeLong法進(jìn)行比較。詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 直腸癌MRI特征提取及構(gòu)建KRAS基因突變預(yù)測(cè)模型Fig.1 MRI feature extraction of rectal cancer and construction of KRAS gene mutation prediction model.

2 結(jié)果

2.1 臨床病理特征

104例直腸癌患者中，檢測(cè)存在KRAS突變(突變型組)有62例(59.6%)，其中女22例、男40例；KRAS為野生型(野生型組)42例(40.4%)，其中女19例、男23例。KRAS突變型組和野生型組臨床病理特征見(jiàn)表1。兩組間臨床病理特征(年齡、性別、病理學(xué)T分期、EMVI、CEA、CA125、CA19-9)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。

表1 104例直腸癌患者臨床特征Tab.1 Clinicopathological chracteristics of the 104 patients with RC

2.2 影像組學(xué)信號(hào)的建立和預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

321個(gè)影像組學(xué)特征經(jīng)單因素分析發(fā)現(xiàn)有16個(gè)特征有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05；表2)；在訓(xùn)練集中LASSO回歸篩選出7個(gè)特征λ系數(shù)(壓縮系數(shù))非零特征(包含4個(gè)CE-T1WI和2個(gè)ADC圖的特征；表3)。構(gòu)建的影像組學(xué)信號(hào)KRAS突變型高于野生型(1.19±0.63與0.53±0.53，t=3.94，P＜0.001)(圖2)。在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的ROC分析中，AUC分別為0.81(95%CI：0.70～0.92)、0.77(95%CI：0.63～0.91)，分別精確為 0.78、0.71，敏感度均為0.76，特異度分別為0.83、0.67，兩者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.60)(圖3)；其中ADC特征中的一階偏度的λ系數(shù)最大為3.36。

圖2 不同KRAS突變狀態(tài)的直腸癌患者的MRI圖像。圖2A～D：男，51歲，KRAS突變型，A、C為CE-T1WI像，B、D為ADC圖像；E～H：男，60歲，KRAS野生型，E、G為CE-T1WI圖像，F(xiàn)、H為DWI圖像Fig.2 MRI images of rectal cancer patients with different KRAS mutation status.Figure A—D:Male,51 years old,KRAS mutant.Figure A,C are CE-T1WI images.Figure B,D are ADC images.Figure E—H:Male,60 years old,KRAS wild type.Figure E,G are CE-T1WI images.Figure F,H are DWI images.

圖3 影像組學(xué)信號(hào)在訓(xùn)練集與驗(yàn)證集中預(yù)測(cè)KRAS基因突變的ROC曲線。訓(xùn)練集曲線下面積(AUC)為0.81，驗(yàn)證集AUC為0.77Fig.3 ROC curve of radiomics signature for prediction of KRAS gene mutation in training and validation sets.ROC under training sets is 0.81,ROC under validation sets is 0.77.

表2 單因素分析篩選的16個(gè)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義影像組學(xué)特征Tab.2 Sixteen statistically significant imaging features selected by univariate analysis

表3 在訓(xùn)練集中LASSO回歸篩選的7個(gè)λ系數(shù)非零影像組學(xué)特征和其臨床意義Tab.3 Seven radiomic features with λ coefficiences other than zero selected by LASSO regression for prediction of KRAS gene mutation and their clinical meanings

3 討論

本研究中，檢測(cè)直腸癌患者KRAS突變約59.6%，經(jīng)過(guò)單因素分析結(jié)果顯示直腸癌KRAS突變狀態(tài)與部分直腸癌CE-T1WI及ADC特征相關(guān)，其中包括10個(gè)CE-T1WI特征、6個(gè)ADC特征。Xu等[12]和Yeo等[13]研究結(jié)果也表明，擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像和動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)成像的MR影像特征與直腸癌的KRAS突變狀態(tài)相關(guān)。年齡、性別對(duì)于直腸癌KRAS突變的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與姜雪琴等[14]的研究結(jié)果一致；此外，病理學(xué)T分期、EMVI、CEA、CA125、CA19-9等臨床特征對(duì)于直腸癌KRAS突變的差異亦均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

經(jīng)過(guò)單因素分析篩選出來(lái)的16個(gè)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的特征再經(jīng)過(guò)LASSO回歸降維，7個(gè)特征λ系數(shù)不為0，包含5個(gè)CE-T1WI紋理特征(灰度大區(qū)域分布、灰度尺寸區(qū)域不均勻標(biāo)準(zhǔn)化、灰度區(qū)域強(qiáng)度差異、相鄰灰度色調(diào)差異矩陣強(qiáng)度、形狀短軸長(zhǎng)度)和2個(gè)ADC圖紋理特征(一階偏度、形狀伸長(zhǎng)率)，其中突變型KRAS患者的CE-T1WI紋理特征灰度大區(qū)域分布、灰度區(qū)域強(qiáng)度差異、形狀短軸長(zhǎng)度和ADC圖紋理特征形狀伸長(zhǎng)率均高于野生型KRAS患者，而CE-T1WI紋理特征灰度尺寸區(qū)域不均勻標(biāo)準(zhǔn)化、相鄰灰度色調(diào)差異矩陣強(qiáng)度和ADC圖紋理特征一階偏度則低于野生型KRAS患者，國(guó)內(nèi)也有研究結(jié)果顯示部分形態(tài)特征在KRAS突變狀態(tài)方面表現(xiàn)出顯著差異[14-15]。本研究的結(jié)果與Cui等[16]的研究結(jié)果均顯示在KRAS突變與高階放射學(xué)特征形狀短軸長(zhǎng)度、灰度區(qū)域強(qiáng)度差異和灰度大區(qū)域的值越高表示更多的腫瘤異質(zhì)性和更高的KRAS突變風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)一步通過(guò)測(cè)試集和驗(yàn)證集進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)證預(yù)測(cè)KRAS突變，獲得測(cè)試集和驗(yàn)證集的ROC曲線，AUC值分別為0.81、0.77，且測(cè)試集和驗(yàn)證集的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也表明了本研究所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型具有可靠性和可重復(fù)性。7個(gè)與KRAS突變相關(guān)紋理特征中的ADC紋理特征一階偏度的λ系數(shù)最高為3.36，對(duì)影像組學(xué)信號(hào)貢獻(xiàn)最大。突變型KRAS患者的ADC特征的一階偏度低于野生型，雖然KRAS突變型和野生型的RC的ADC值均為正偏態(tài)，而且突變型的偏態(tài)值低于野生型，但歸一化值突變型高于野生型，說(shuō)明相對(duì)野生型，突變型偏度較高RC更多，即腫瘤細(xì)胞更趨向不均勻。作為可以在體觀察和定量評(píng)價(jià)水分子擴(kuò)散狀態(tài)的MR重要成像技術(shù)，DWI在病變檢出、良惡性腫瘤鑒別及治療反應(yīng)評(píng)估起著重要作用。由于人體內(nèi)水分子擴(kuò)散是非高斯分布，基于多指數(shù)模型DWI的參數(shù)(如DKI或IVIM)或ADC值組織直方圖特征在預(yù)測(cè)RC的KRAS突變有較高的診斷價(jià)值[12，17]。有研究表明KRAS突變的腫瘤組織的ADC值更低，這是可能是因?yàn)镵RAS圖像與血管生成的速率及腫瘤血管化之間可能有關(guān)，高度血管化的腫瘤通常更具侵襲性，導(dǎo)致腫瘤生長(zhǎng)更快，并具有更高的轉(zhuǎn)移潛力，導(dǎo)致腫瘤組織的ADC值降低[18-19]。本研究結(jié)果與Cui等[16]采用組織直方圖觀察ADC值分布特征表明KRAS突變型RC的ADC值的四分位數(shù)和中位數(shù)均低于野生型。另外一個(gè)λ系數(shù)較高的特征是灰度大區(qū)域分布，主要反映ROI的紋理粗糙程度，值越高，說(shuō)明紋理越粗糙。本組資料觀察到，KRAS突變型的RC的CE-T1WI上灰度大區(qū)域分布高于野生型，說(shuō)明KRAS突變型RC強(qiáng)化更不均勻。進(jìn)一步采用LASSO回歸特征選擇，基于CE-T1WI的5個(gè)特征和ADC的2個(gè)特征的λ系數(shù)不為0，并以此構(gòu)建影像組學(xué)信號(hào)KRAS突變型高于野生型(1.19±0.63與0.53±0.53，t=3.94，P＜0.001)，預(yù)測(cè)KRAS基因的AUC在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分別為0.81、0.77，顯示預(yù)測(cè)性能良好。

本研究仍存在以下幾點(diǎn)不足：首先，本研究是一項(xiàng)回顧性研究，入選患者為手術(shù)治療的患者，因此，存在一定的病例選擇偏倚；其次，本研究樣本量較小，而且為單中心的研究，沒(méi)有在外部驗(yàn)證集中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆夯芰Γ辉俅危捎诓捎檬止す串?huà)腫瘤ROI，部分序列圖像上病灶較難顯示，從而導(dǎo)致病灶勾畫(huà)欠精準(zhǔn)；另外，目前的影像組學(xué)特征有一定的局限性，可能不包含與KRAS基因表型相關(guān)的重要的數(shù)字特征。近年來(lái)進(jìn)行影像學(xué)研究的深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法探索數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像與疾病的臨床表型的相關(guān)性有望克服這一缺陷[20-21]。

總之，本項(xiàng)研究初步通過(guò)影像組學(xué)深度挖掘多參數(shù)MRI特征，觀察到多個(gè)組學(xué)特征與RC的KRAS基因表型具有相關(guān)性，有助于為KRAS基因突變的預(yù)測(cè)提供無(wú)創(chuàng)的生物學(xué)標(biāo)記。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。