功能磁共振成像技術評估肝細胞癌生物學行為的研究進展

周怡然，朱紹成

原發性肝癌（primary liver cancer）是全球第六大最常見的腫瘤和第三大死亡原因，其中又以肝細胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）為著，約占其總發病率的75%～85%[1]。HCC的生物學行為如腫瘤大小、分化程度、微血管浸潤（microvascular invasion, MVI）及組織細胞的侵襲性是影響預后的重要因素[2-4]，HCC生物學行為的判定，對治療決策選擇和預后評估至關重要。近年來，隨著功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技術的發展，影像已超越傳統的基于形態學的定性診斷范疇，并向以疾病為中心的病理生理機制探索、生物學行為評估、療效預測和預后評估進行轉變。目前擴散加權成像（diffusion-weighted imaging, DWI）、體素內不相干運動擴散加權成像（intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging, IVIM-DWI）、擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）、酰胺質子轉移成像（amide proton transfer, APT）、動態增強MRI（dynamic contrast enhanced MRI,DCE-MRI）等技術的發展可以從擴散、灌注等方面評估腫瘤分子病理、免疫微環境等異質性改變，使HCC 生物學行為評估成為可能。本文就fMRI評估HCC病理分級、MVI及分子病理相關因子等生物學行為展開綜述。

1 fMRI對HCC病理分級的評估

HCC的病理分級與預后密切相關，是肝癌切除術后復發和長期生存的獨立預測因素之一[3]。然而病理分級通常由術后標本或活檢組織所得，故精準的HCC 術前病理學分級是精準治療決策的關鍵。fMRI 的快速發展，使精準HCC 術前病理分級可以使用特征性影像征象和定量參數進行無創性評估。

DWI用于在微觀水平上評估水分子的布朗運動，使水分子移動可用表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient,ADC）定量描述[5]。近年來，越來越多的學者研究HCC 病理分級與ADC 參數的相關性，Surov 等[6]認為最小ADC 值評估腫瘤病理分級較敏感，這是因為ADC 值與細胞計數和總核面積相關，而HCC 病理分級基于腫瘤細胞的形態特征、核酸含量和結構異質性。Xu等[7]研究也認同此觀點，并且他們還利用ADC直方圖參數得出了第25 百分位ADC 值與HCC 病理分級相關性更強的結論。

傳統DWI是單指數模型計算ADC值，忽略微血管灌注的影響而不能完全代表水分子的擴散，而IVIM-DWI 則可以更好地區分水分子的擴散和微血管灌注[8]，它不僅應用于有對比劑禁忌證的患者（如腎功能嚴重受損），還不涉及電離輻射或注入放射性同位素等危害[9]。Zhu 等[10]分析了IVIM-DWI 衍生參數和HCC 病理分級的相關性，他們認為來自傳統DWI 的ADC 值和IVIM-DWI的真實擴散系數（D）值與HCC病理分級均呈顯著負相關，這可能是因為腫瘤分化差導致細胞密度增加和細胞間物質數量減少，水分子在腫瘤組織中的擴散受限，除此之外D 值比ADC值具有更高的敏感性和準確性。而對于IVIM相關擴散系數（D*）值和灌注分數（f）值，Sokmen等[11]認為f值可以反映高級別HCC 灌注增加和血管的新生，故f 值對評估HCC 分級特異性較高。DKI相較于傳統DWI而言，可以檢測水分子在組織中非高斯擴散的特性，從而更加精確地反映組織微觀結構的復雜性[12]。Wang[13]等認為與傳統DWI 參數值相比，DKI 的衍生參數平均擴散峰度（mean kurtosis, MK）值和病理分級有更好的相關性，可以作為HCC患者術前預測病理分級的重要參數。

APT 成像作為化學交換飽和轉移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像技術的一個延伸和發展，是通過選擇性預飽和內源性游離蛋白及多肽中的酰胺質子，并和自由水中氫質子進行交換，探測與酰胺質子交換之后自由水信號的過程[14]。APT成像已應用于腦腫瘤及其他疾病，對于肝臟腫瘤的應用，Lin等[15]評估了高、低級別HCC的APT加權（APT weighted, APTw）和ADC 值之間的差異，結果顯示APTw值與病理分級之間存在中等相關性且優于ADC 值。高級別HCC 的APTw 值顯著高于低級別HCC，但ADC 值卻顯著降低。他們還把APTw 和ADC 兩種MRI 參數組合預測高級別HCC，敏感度竟可以提高到100%。Wu 等[16-17]評估APT、IVIM-DWI 和DKI 三種成像方式與HCC病理分級的相關性，他們認為與IVIM和DKI的衍生參數相比，APT信號強度（signal intensity, SI）與HCC病理分級的相關性更強。此外，受試者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲線比較也表明了APT SI的曲線下面積（area under the curve, AUC）顯著高于各IVIM衍生參數和DKI衍生參數。因此，APT成像作為一種新型fMRI技術能檢測腫瘤內源性蛋白質水平，并在分子層面上探索疾病變化，應用APT 成像聯合多種MRI 技術可以更準確、全面地評估HCC病理分級。

DCE-MRI可以量化藥物在生理方面的藥代動力學分布，是一種評價局部組織微灌注和血管通透性的影像方法[18]。Chen等[19]研究了DCE-MRI 參數與Ki-67 指數、病理分級和微血管密度（microvessel density, MVD）之間的關系，其結果是容量轉移常數（Ktrans）與Ki-67 增殖狀態和HCC 病理分級呈顯著相關，較低速率常數（Kep）值和較高血管外細胞外間隙容積分數（Ve）值與HCC 的較高MVD 有關，這表明了DCE-MRI 的定量參數可作為一種無創性影像生物標記物來評估HCC 的組織學分級和微循環狀態。

此外，肝細胞特異性對比劑也用于預測HCC 的病理分級。釓塞酸二鈉（Gd-EOB-DTPA）具有獨特的生物學特征，可通過肝細胞肝血竇膜上有機陰離子轉運多肽1B3（organic anion transporting polypeptide 1B3, OATP1B3）被正常肝細胞吸收，然后通過多藥耐藥相關蛋白2（multidrug resistance protein 2, MRP2）經膽道排出[20]，Haimerl等[21]研究認為Gd-EOB-DTPA的攝取與HCC的惡性程度相關，隨著HCC病理分級的增加，OATP1B3的吸收會降低，MRP2表達一致或稍增加，這可能是由于高級別HCC的Gd-EOB-DTPA 攝取較少而膽汁排泄率較高。通過對不同分化程度的HCC 定量評估平掃和Gd-EOB-DTPA 增強MRI 之間的T1弛豫降低率，可以得知高、低級別HCC的T1弛豫降低率有顯著差異，輔助T1 弛豫測量可以幫助進一步區分HCC 分級。另外，關于應用MRI 征象預測HCC 病理分級已有較多研究，其中Huang等[22]分析了Gd-EOB-DTPA增強MRI的各種定性和定量影像特征，發現腫瘤體積較大、不規則的腫瘤邊緣、腫瘤內新生血管和肝膽期（hepatobiliary phase, HBP）瘤周低信號等影像特征與較高的HCC病理分級有關。

目前關于fMRI 預測HCC 病理分級的研究和報道眾多，在肯定fMRI 預測腫瘤分化程度有巨大潛力的同時也面臨一些挑戰：首先，當前DWI和IVIM-DWI預測病理分級的參數有許多差異，可能與不同病灶的血供不同、數據統計算法不同、b值選擇和感興趣區（region of interest, ROI）放置不同有關；其次，DKI 和APT 圖像是使用自由呼吸成像采集獲得，圖像會有較低的分辨率和信噪比；另外，關于DKI 和APT 預測HCC 病理分級的國內外研究較少，將兩者聯合預測病理分級是否更加高效、準確有待進一步研究。

2 fMRI對HCC MVI的評估

MVI 是指在顯微鏡下看到腫瘤細胞覆蓋在內皮細胞的血管腔中，Wang等[23]認為HCC的預后不良取決于MVI的生物學侵襲性，同樣其他研究也證明了MVI 是影響患者生存和復發的危險因素[24-25]。Yamashita 等[26]認為腫瘤周圍（＜1 cm）是MVI的高發區，在進行肝切除術時需要更大的切緣；同時預測MVI也有助于HCC復發患者選擇最佳治療方式[27]，因此術前及時評估MVI 是進一步延長患者生存時間的重要病理因素。影像技術的發展使腫瘤血流動力學、細胞功能和分化水平的評估成為可能，所以應用fMRI術前精準預測MVI有巨大的潛力。

有研究者系統化評估單指數ADC模型和雙指數IVIM模型預測MVI的效力，認為最小ADC值和D值均可作為術前預測MVI的重要參數[6]。但是Wei 等[28]比較了兩種成像方式卻認為D 值在評估MVI 方面明顯優于ADC 值。也有研究采用拉伸指數（stretched exponential model,SEM）模型生成分布擴散系數（distribute diffusion coefficient, DDC）、水分子各向異質性（alpha, α）和ADC 值術前預測MVI，結果顯示MVI 陽性的DDC和ADC 值均降低，其中根據直方圖得知第5 百分位DDC 值有較高的診斷效力[29]。這可能是當MVI存在時，門靜脈、肝靜脈以及其他肝血管微小分支有腫瘤栓塞從而限制了水分子的擴散和腫瘤微循環灌注的下降。Song 等[30]分別比較DCE-MRI 和IVIM-DWI兩種成像方式評價原發性小肝癌微循環功能狀態，結果表明Ktrans值和Kep值在敏感性和特異性方面優于D*值和f值，即應用DCE-MRI 在評價原發性小肝癌微循環灌注功能方面有更好的作用。目前基于DWI 和IVIM 模型術前預測MVI 的研究很多，但由于b 值選擇的不同及機器設備、后處理方法差異等因素存在造成不同的預測截斷值，從而缺乏統一的標準。

MVI的存在會導致腫瘤細胞增殖、壞死和細胞外異質環境的變化，而MK值代表了病變組織結構的復雜性，Wang等[31]評估DKI、DWI 和腫瘤的影像特征術前預測HCC 患者MVI 的作用，發現MK 值比ADC 值有更高的預測準確性，另外較高的MK 值和不規則的環形強化也是預測MVI的潛在影像標志物。Rao等[32]在Gd-EOB-DTPA 增強MRI 上結合T1 弛豫時間和ADC 值預測MVI，結果顯示MVI陽性的HCC患者T1弛豫時間降低率明顯低于MVI陰性患者。

靜脈浸潤的雙預測因子（two-trait predictor of venous invasion, PPTVI）是指在動脈期腫瘤內持續離散的動脈強化和在門靜脈期或延遲期出現的低信號光暈。Zhang等[33]認為腫瘤大小、分化程度以及PPTVI與病理性微血管浸潤（pathological microvascular invasion, PMVI）有顯著的相關性，其中PPTVI是唯一重要的風險因素。也有研究者將基于Gd-EOB-DTPA 增強MRI 中腫瘤大小、包膜、瘤周強化、HBP 期瘤周低信號、非光滑的腫瘤邊緣，暈狀強化等影像特征認為是術前預測MVI 的重要因素[34]。還有王靜等[35]認為動脈期瘤周高信號環、HBP 期瘤周低信號及腫瘤邊緣是預測MVI 分級的有效指標。更有學者將腫瘤的形態學特征詳細分類，認為HBP 期腫瘤的毛刺征能預測小肝癌的MVI 發生[36]。目前使用影像特征預測MVI 的研究結果各異，因其易受圖像處理、觀察者之間差異性等人為因素的影響，故預測MVI 的準確性尚待考證。雖然fMRI 對預測MVI 提供了可靠的影像學依據，但其中一些技術對設備和患者的要求較高，較長的操作時間及呼吸、胃腸蠕動等偽影的存在使fMRI常規應用于肝臟疾病受限。

3 fMRI對HCC分子病理相關因子表達的評估

HCC 是具有組織學、遺傳畸變和蛋白質表達異質性的腫瘤，可根據轉錄組學特征分為許多分子亞型[37]，HCC 分子病理特征改變有促腫瘤的微血管生成、轉移和復發的功能，術前通過影像檢查預測與HCC 侵襲性相關的分子病理相關因子有助于HCC早期的診斷和提供相應的靶向治療。

角蛋白位于上皮細胞胞漿中，是構成細胞骨架的一類中間絲狀物。肝祖細胞可以分化為肝細胞或膽管細胞，并表達特異性標志物如上皮細胞黏附分子和細胞角蛋白（cytokeratin 19, CK19）[38]。既往研究證實CK19 陽性HCC 侵襲性高，對放化療有耐藥性，并在肝切除術或肝移植術后預后差，有較高的復發率及轉移率[39-40]；有學者認為CK19 陽性HCC 與血清甲胎蛋白（AFP）升高（≥400 ng/mL）相關[41]，這同樣提示著預后不良。因此術前預測CK19的表達對HCC患者的治療和預后有重要意義。一些研究者認為在Gd-EOB-DTPA 增強MRI 中，HBP 期腫瘤不規則邊緣、動脈期邊緣強化、較低的腫瘤/肝臟ADC比值和腫瘤/肝臟SI比值是預測CK19陽性HCC的定性指標[42]。Guo等[43]評估和比較了從DWI、IVIM-DWI、SEM、DKI和分數階微積分（fractional order calculus, FROC）中獲得的各種參數值術前預測CK19 表達的有效性。在所有個體參數中，HCC 患者CK19 陽性的ADC、DDC、Dt、Dp、AD 和D 值明顯低于CK19 陰性的HCC，但FROC 衍生空間分數導數（β）值顯著高于CK19 陰性組，其中AD 值在區分CK19陽性和陰性方面表現出最好的診斷性能。由于來自細胞數量相關（AD 值）、血管灌注（Dp 值）和微觀結構異質性（β 值）的不同生物學信息可以反映腫瘤發生、轉移和侵襲引起的不同組織特性，所以結合β、Dp和AD值建立診斷模型較所有個體參數而言有更好的診斷效果。

Glypican-3（GPC3）是通過糖基磷脂酰肌醇錨定附著在細胞膜上的癌胚蛋白多糖，GPC3在人類胚胎中廣泛表達，但在健康成年人肝臟中不表達，與正常肝臟和非腫瘤性肝病相比，HCC細胞中GPC3表達顯著升高[44]。研究發現GPC3主要通過經典WNT信號通路影響和刺激HCC的發生和發展，GPC3的高表達是HCC患者根治性肝切除術后預后不良的重要因素[45]，GPC3既可以作為HCC 的分子標志物，也可成為HCC 治療干預的靶點。由于GPC3 高表達可以促進HCC 侵襲性發展，因此GPC3 陽性HCC 的早期識別對治療選擇和預后評估極為重要。Zhao 等[46]研究認為血清AFP＞20 ng/mL 以及從DWI 直方圖得出的低于75% ADC 值有助于預測GPC3 陽性HCC，而且他們認為GPC3 陽性HCC 更容易出現MVI。還有Chen 等[47]認為基于最小二乘法估計和不對稱回波迭代分解水和脂肪的脂肪成像（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least squares estimation,IDEAL-IQ）得出R2*值可以在術前檢測GPC3的表達，達到對HCC免疫治療的指導作用。

CK19 及GPC3 陽性是HCC 預后重要的分子病理表達，雖然fMRI 成為術前預測HCC 分化及腫瘤細胞侵襲性的一種新方式，但事實上目前大多都是小樣本量、單中心以及回顧性研究，MRI 參數與分子病理相關因子的相關性機制尚未清楚，還需要大樣本、聯合多學科或影像組學、人工智能等方法進一步探索和驗證。

4 總結和展望

探索HCC 生物學行為的無創影像評價體系是實現精準診療和提高預后的關鍵所在。既往研究得知fMRI參數與HCC異質性相關，應用fMRI 可以對HCC 組織分化程度及分子病理特征進行多層面的可視化、定量化評估，其影像征象和相關參數在評估生物學行為中有較高的敏感性和特異性，具有良好的應用前景，不僅可以為臨床提供個性化治療方案，甚至可以延長HCC 患者生存期。但目前大多數研究處于科研階段，仍存在差異性的研究方法和欠規范化操作流程等問題，在未來具體實踐中需要有規范化及統一化的執行標準，能多方面聯合診斷，為臨床提供可靠的影像學依據。相信在不久的將來，fMRI能在評估HCC生物學行為中廣泛應用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。