初探酰胺質子轉移加權和T2 mapping對直腸癌化療和未化療的定量對比研究

董宛，陳安良，劉愛連*，劉昀松，林濤，王家正，宋清偉

作者單位：1.大連醫科大學附屬第一醫院放射科，大連 116011；2.飛利浦醫療臨床科學部，北京 100000

結直腸癌是世界癌癥相關死亡的主要原因之一[1]，結直腸癌最好發于直腸，早期直腸癌可無明顯癥狀，多數患者被發現時已是中晚期。局部進展期直腸癌(locally advanced rectal cancer，LARC)的標準治療方案是新輔助化療+直腸癌根治術+輔助化療，其中新輔助化療(neoadjuvant chemotherapy，NCT)的目的在于提高手術切除率和保肛率，延長患者無病生存期[2]。NCT 療效的評估一直是臨床上關注的問題。對于NCT效果良好的患者，臨床也越來越多的采取保守治療作為手術切除的替代方法[3]。NCT 療效評估金標準為病理學分級，是一種侵入性方法，且只能在術后獲取。因此，NCT效果的術前評估越來越重要。

MRI 是一種非侵入性診斷直腸癌的有效手段，可對病灶進行早期分期[4]。然而，常規的MRI 序列難以區分殘存病灶與治療后的纖維化改變[5]。酰胺質子轉移加權(amide proton transfer-weighted，APTw)成像和T2 mapping 是兩種不同的新型MRI 技術。其中，APTw 是一種內源性化學交換飽和轉移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像技術，通過檢測內源性可移動蛋白或多肽的酰胺質子與大量水質子之間的交換，從而評估細胞內蛋白質濃度和pH 值的變化，已被用于腦和肝臟等組織的研究[6-7]。T2 mapping能非侵入性地可視化和量化組織成分(如水腫、纖維化)，不需要對比劑，具有成為“無創性活檢”的潛力[8-9]。目前，采用APTw 和T2 mapping 定量評估直腸癌化療效果的研究較少。因此，本研究將探討采用這兩種技術定量評估直腸癌化療后和未化療病灶差異的可行性，初步探索直腸癌化療療效評估技術，為臨床預測直腸癌化療療效提供輔助手段。

1 材料與方法

1.1 患者資料

收集2019 年4 月至2020 年11 月于大連醫科大學附屬第一醫院行直腸3.0 T MRI的患者，進行回顧性研究。入組標準(同時滿足以下條件)：(1)經組織病理學證實為直腸腺癌；(2)依據歐洲腫瘤內科學會指南(European Socity for Medicaal Oncology，ESMO)對T3 期及以上直腸癌行XELOX 化療，至少化療1 周期且末次化療結束后10 周內行MRI 檢查者(化療組，即A 組)；或檢查前未做任何治療者(B 組)；(3)在本院行直腸3.0 T MR 常規序列及APTw、T2 mapping 序列掃描，圖像完整且質量優。出組標準(滿足以下任一條件)：(1)圖像偽影較重，影響直腸癌病灶觀察及測量；(2)病灶過小(小于3 mm)，不便清楚勾畫ROI；(3)直腸癌確診，但行手術治療后復查者。本研究經過大連醫科大學附屬第一醫院醫學倫理委員會批準(批準文號：PJ-KS-KY-2019-49)，免除受試者知情同意。

記錄患者如下臨床資料：年齡、性別、身高、體質量、是否有腸癌家族史、CEA (0～5 ng/mL 為正常，大于5 ng/mL 為異常)、CA19-9 (0～27 U/mL 為正常，大于27 U/mL為異常)、T分期、N分期、有無遠處轉移、病灶位置。最終納入直腸癌患者信息46 例，A 組15 例[男7 例，年齡(58.60±14.95)歲]，B 組31 例[男21 例，年齡(66.00±8.52)歲]。

1.2 檢查設備及方法

采用飛利浦公司生產的3.0 T 核磁共振掃描儀(Ingenia CX，Philips，Holland)進行直腸磁共振掃描，使用16 通道腹部線圈，掃描前4～6 h 囑患者禁食、水，保持腸道清潔，囑咐受檢者盡量采用胸式呼吸，防止腹式呼吸的運動對檢查造成影響。受試者采取仰臥位，兩側髂前上棘連線與線圈中心重合，定位指示燈置于線圈中心。掃描方位包括橫軸位、矢狀位和冠狀位。掃描序列包括APTw (APT 掃描前先進行B1 場預飽和掃描)、T2 mapping 序列及T1WI、T2WI、DWI、DCE-MRI 等 常規MRI 序列，掃描參 數 見表1。DCE-MRI 對比劑采用釓對比劑(釓雙胺，拜耳公司)，每人劑量0.2 mL/kg，注射流速2.5 mL/s。

表1 各序列掃描參數Tab.1 Scanning parameters of each sequence

1.3 圖像分析及數據測量

在操作平臺進行圖像重建，獲得APTw、T2 mapping重建圖像，再將圖像傳至ISP (IntelliSpace Portall，Philips Healthcare)工作站，利用ISP 軟件重建APTw偽彩圖，并生成APTw偽彩圖和DWI的融合圖像。圖像由2 名腹部影像診斷經驗豐富的副主任醫師在事先未知臨床信息的情況下獨立分析，不一致者經討論達成統一。以T2WI、DWI和DCE-MRI圖像相互參照，找到病灶實質的軸位最大層面，避開囊性、出血、壞死區，分別將三個面積約為50 mm2的圓形ROI手動放置在APTw-DWI 融合圖像和T2 mapping 參數圖像所對應的同一層面病灶實質上，測量其APTw 值和T2 值(圖1，2)，并取3 個ROI 所測值的平均值進行后續分析。

圖1 男，61 歲，直腸癌經XELOX 化療第3 周期后。T2WI (A)、DWI (B)、T2 mapping 圖像(C)和APTw-DWI 融合圖像(D)分別顯示化療后的直腸癌病灶。T2WI 可見病灶區域三個ROIs。ROIs 的APT、T2 值分別為0.6%、2.3%、0.6%和78.28 ms、80.53 ms、71.41 ms，平均值分別為1.17%和76.74 ms 圖2 男性，65 歲，直腸癌未經化療。T2WI (A)、DWI (B)、T2 mapping 圖像(C)和APTw-DWI 融合圖像(D)分別顯示未經化療的直腸癌病灶。T2WI 可見病灶區域三個ROIs。ROIs的APT、T2值分別為2.4%、4.7%、5.5%和78.52 ms、86.14 ms、80.94 ms，平均值分別為4.2%和81.87 msFig. 1 Male, 61 years old, with rectal cancer after the third cycle of XELOX chemotherapy. T2WI (A), DWI (B), T2 mapping image (C) and APTw-DWI fusion image(D)showed the lesions of rectal cancer after chemotherapy respectively.Three ROIs could be seen in the focus area on T2WI.The APT and T2 values of ROIs are 0.6%,2.3%,0.6%and 78.28ms,80.53ms,71.41 ms,respectively,with an average of 1.17%and 76.74 ms,respectively.Fig.2 Male,65 years old,rectal cancer without chemotherapy. T2WI (A), DWI (B), T2 mapping images (C) and APTw-DWI fusion images (D) showed rectal cancer lesions without chemotherapy respectively. Three ROIs could be seen in the focus area on T2WI. The APT and T2 values of ROIs are 2.4%, 4.7%, 5.5% and 78.52 ms, 86.14 ms, 80.94 ms,respectively,with an average of 4.2%and 81.87 ms,respectively.

1.4 統計學分析

數據經由SPSS 25.0統計軟件進行統計分析。使用卡方檢驗分析兩組臨床資料中的定性數據；使用獨立樣本t檢驗比較臨床資料中的定量數據。采用組間相關系數(inter-class correlation coefficient，ICC)檢驗2 名觀察者所測得數據的一致性。ICC＜0.4為一致性差，0.4～0.75為一致性一般，＞0.75為一致性良好，若一致性良好，取兩者平均值進行后續分析。采用Shapiro-Wilk 檢驗分析數據的正態性，若P＞0.05，表示服從正態分布，數據采用±s表達；若P＜0.05，表示服從偏態分布，數據采用M(QR)表達。若數據服從正態分布，采用獨立樣本t檢驗，否則采用Mann-WhitneyU檢驗比較兩組APTw、T2 mapping定量參數平均值的差異，P＜0.05認為差異具有統計學意義。應用Logistic 回歸計算APTw-T2 mapping 聯合參數的預測值。分別評估兩組APTw 和T2 值有差異的參數的ROC 曲線，獲得效能、敏感度和特異度。應用Delong 檢驗比較APTw、T2 mapping 及聯合參數之間的效能差異，P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 臨床一般資料

A、B兩組患者的臨床一般資料及比較結果見表2。結果表明A 組年齡小于B 組，差異有統計學意義(P＜0.05)。余一般資料差異均無統計學意義(P＞0.05)

表2 A、B兩組患者的一般臨床資料Tab.2 General clinical data of patients in group A and B

2.2 A、B兩組病灶基本影像學表現

A、B 兩組病灶均表現為T1WI 等低信號，T2WI 可呈等或高信號，DWI 呈明顯高信號，動態增強見病灶早期明顯強化，無法從影像表現上區分兩組。

2.3 2名觀察者測量結果一致性檢驗

2 名醫師測量結果一致性見表3。ICC 值均大于0.75，表示結果一致性良好，取兩者平均值進行后續分析。

表3 2名醫師測得兩組平均APTw值和T2值Tab.3 The average APTw and T2 values measured by the two radiologists

2.4 APTw、T2 mapping定量值對兩組的鑒別

A組的APTw值為1.52%±0.56%，B組的APTw值為2.88% (0.77%)。A組的APTw值低于B組，差異具有統計學意義[Z=-4.735，P＜0.05，95%CI(0，0.049)]。APTw 區分兩組病變的AUC 值為0.934，敏感度、特異度和閾值分別為93.5%、93.3%和2.11%。

A 組的T2 值為(72.67±8.56) ms，B 組的T2 值為86.31 (8.77) ms。A 組 的T2 值 低 于B 組，差 異 有統計學意義[Z=-4.604，P＜0.05，95%CI(0，0.049)]。T2 mapping 區分兩組病變的AUC 值0.923，敏感度、特異度和閾值分別為90.3%、86.7%和80.79 ms。

2.5 APTw聯合T2 mapping定量值對兩組的鑒別

APTw 和T2 mapping 的聯合參數預測值，直腸癌化療組為0.86±0.19，非化療組為0.07±0.19，化療組高于非化療組(P＜0.05)，AUC 為0.981，敏感度為100%，特異度為96.8% (圖3)。

圖3 直腸癌化療組與非化療組的APTw 值和T2 值以及APTw 聯合T2 值(APT-T2)的ROC曲線圖。APTw和T2值聯合診斷的敏感度和特異度分別為100%和96.8%，診斷效能提高(AUC=0.981)Fig. 3 ROC curve of APWT and T2 values and APTw combined with T2 values (APT-T2) between the chemotherapy group and the non-chemotherapy group. The sensitivity and specificity of the combined diagnosis of APTw and T2 values were 100% and 96.8% respectively, and the diagnostic efficiency was improved(AUC=0.981).

2.6 Delong 檢驗比較聯合參數與各個參數之間的效能差異

APTw 與T2 mapping、APTw 與 聯 合 參 數、T2 mapping 與聯合參數之間的效能差異P值分別為0.86、0.21和0.14，差異均無統計學意義。

3 討論

3.1 直腸癌化療與未化療的T2 mapping定量對比

T2 mapping，即T2弛豫時間，它在不同回波時間采集多個T2 加權圖像，并將各種TE 的信號擬合到指數信號衰減模型，從而生成T2 的定量估計值[10]。它可以反映組織的水含量變化，從而分析病變[11]。T2 mapping 常用于心臟成像，例如檢測心肌炎[12]，也有用于骨關節部位等的研究[13]。

本研究結果顯示，直腸癌化療組的T2 值明顯低于未化療組，分析其原因可能是由于NCT可導致腫瘤組織纖維化，從而使T2 值減低。Yamada 等[14]采用3.0 T MRI的T2 mapping序列掃描大腸癌患者，發現其能夠清晰分辨正常腸壁及病灶，區分纖維組織和腫瘤組織，其結果顯示，與腫瘤相比，纖維組織的T2 值明顯減低，印證了本研究結果。相較于Yamada等[14]的試驗，本研究中除了采用T2 mapping 序列，還掃描了T2WI、DWI 和DYNAMIC 序列，并將這些圖像做參照，更能準確判定及畫取病灶。

3.2 直腸癌化療與未化療的APTw定量對比

CEST作為一種新型的MRI對比機制，在分子成像領域引起了極大的關注。CEST 通過對處于共振系統中的內源性或外源性對比劑的中間交換質子位點(如-NH，-OH，或與金屬結合的水分子)施加飽和脈沖實現，所得到的飽和或部分飽和的自旋脈沖通過化學交換轉移至周圍自由水中，導致自由水的信號強度降低，從而被圖像反映出來。Zhou 等[15]開發了APTw 成像技術作為內源性CEST 成像技術。APTw 成像的目的在于檢測在MRI 光譜中體內移動蛋白主鏈上的可交換酰胺質子。這些蛋白質可以借水信號在體內成像，從而在MR 圖像上表現出來，即通過MRI 中的大量水信號間接獲取內源性細胞蛋白信息(比如估計器官中蛋白質和肽的量)，從而將分子MRI 技術的范圍擴展到蛋白水平[16]。之前的研究表明，APTw 信號強度可用于神經膠質瘤[17]和肝細胞癌[7]的病理分級預測以及宮頸鱗癌的診斷和分級評估中[18]。

本研究結果顯示，化療后的直腸癌病灶APTw 值較未化療者低。分析原因之一可能是由于化療導致細胞增殖減慢或停止，而之前Kumari 等[19]對替莫唑胺耐藥膠質母細胞瘤施以硝唑啉治療，發現短期治療后的病灶APT信號強度較未治療者明顯減低，并通過Ki-67 染色發現腫瘤APT 信號與細胞增殖呈正相關，因此，治療后的腫瘤APTw值低于未治療者。原因之二可能是由于腫瘤細胞具有很高的增殖活性，與正常組織相比，許多蛋白質都過表達，含有的蛋白質或多肽含量也較多，因此APTw值較高；而化療可以減少腫瘤細胞及蛋白質的合成，因此化療后的APTw 值減低。Qamar 等[20]對16 例鼻咽癌患者放化療前后分別進行APTw 顯像，發現對放化療應答者的APT 信號強度較不應答者顯著減低。Nishie 等[21]通過測量局部進展期直腸癌化療后的病灶APTw信號強度發現化療療效較差組的APTw 值明顯高于高反應組(3.05%±1.61%與1.14%±1.13%)，效能為0.87，敏感度與特異度分別為75%、100%。這與本試驗的結果一致。

本研究的局限性：(1)病例數較少，結果需要前瞻性大樣本研究驗證；(2)本研究為橫斷面研究，缺少同一患者化療前后病灶的縱向對比研究；(3)ROI放置于病灶實質區域，未考慮囊性、出血、壞死區域對定量值的影響。筆者后期將進一步擴大樣本量，收集同一患者治療前后影像進行評估，同時對ROI放置進行更合理的規劃。

3.3 結論

化療后腫瘤纖維化及蛋白質及多肽的合成受抑制，這使得T2 mapping 和APTw 能定量區分直腸癌XELOX化療和未化療的病灶，且具有良好的效能、敏感度和特異度，提示這兩種技術具有評估直腸癌化療療效的潛能，可能作為非侵入性影像學手段定量預測直腸癌化療療效，成為直腸癌個體化治療的重要指標，具有良好的臨床應用前景，值得進一步探索。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。