膠質(zhì)瘤中Ki-67的作用機制及影像組學的研究進展

龍治豪綜述 劉仁忠審校

膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的腫瘤之一。Ki-67表達水平與細胞增殖密切相關，為一種判斷腫瘤惡性程度的指標。影像組學為一個新興領域，在腫瘤的診斷、治療和預后評估中的作用越來越被重視。本文就膠質(zhì)瘤Ki-67的作用機制及影像組學的研究進展進行綜述。

1 Ki-67 在膠質(zhì)瘤中的作用機制

1.1 Ki-67的生物學結(jié)構(gòu)與功能Ki-67為一種細胞核蛋白，與細胞增殖關系密切，為衡量腫瘤分級的標記物[1]。人Ki-67由位于10q26.2 的MKI-67基因編碼。該基因由14個內(nèi)含子和15個外顯子組成，并額外包含一個由1 080個堿基對構(gòu)成的外顯子。增殖細胞存在分子量為320 kD和359 kD的兩種蛋白質(zhì)亞型，由長型和短型mRNA前體的選擇性剪切形成，短型mRNA前體Ki-67蛋白外顯子7缺失[2]。Ki-67包括N-端FHA結(jié)構(gòu)域、蛋白磷酸酶1（protein phosphatase 1，PP1）結(jié)合域、重復串聯(lián)序列的大中心區(qū)域和C'端富亮氨酸或精氨酸（leucine/arginine-rich，LR）染色質(zhì)結(jié)合域[3]。

近年來，研究表明Ki-67可以通過PP1結(jié)合域與磷酸蛋白結(jié)合，導致染色體核仁蛋白去磷酸化，促進核仁重組和再活化[4]。Ki-67的大中心區(qū)域為一個由6 842個堿基對組成的外顯子編碼的16個重復結(jié)構(gòu)組成的區(qū)域，每個重復結(jié)構(gòu)包含122個高度保守的氨基酸殘，因富含易受蛋白酶活性影響的脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸等，所以具有功能性[2]。研究表明，這個重復區(qū)域包含的有絲分裂期間CDK1磷酸化殘基可能參與有絲分裂定位和防止核膜解體等過程[5，6]。C'端LR染色質(zhì)結(jié)合域，與異染色質(zhì)蛋白1結(jié)合，促進異染色質(zhì)在著絲粒和端粒的富集[7，8]。

1.2 Ki-67的表達與調(diào)控 人類細胞Ki-67表達水平從G1期晚期到S期呈增加趨勢，直至有絲分裂時達峰值，然后在有絲分裂結(jié)束時急劇下降。同時，對植物血凝素刺激的外周血單個核白細胞的研究表明，未受刺激細胞（G0期）對Ki-67抗原呈陰性[9，10]。近期的研究顯示Ki-67在G1期可能有兩套相對的機制調(diào)節(jié)。MKI-67基因啟動子本身受細胞周期調(diào)控，例如典型的G1介導的E2F轉(zhuǎn)錄因子家族的結(jié)合位點的參與[11]。同時，Ki-67蛋白在G1期也通過泛素-蛋白酶復合物APC/C-Cdh1降解[12]。有研究表明特異性蛋白1（specificity protein 1，Sp1）在調(diào)節(jié)Ki-67啟動子活性中起關鍵作用[13]。此外，Ki-67表達水平的調(diào)節(jié)機制可能是由腫瘤抑制因子p53調(diào)控的。p53通過與Ki-67啟動子中的p53結(jié)合域以及Sp1結(jié)合位點相互作用，從而抑制Ki-67的轉(zhuǎn)錄[14]。

最近有研究提出假說，Ki-67在有絲分裂早期的完全磷酸化或者中心區(qū)域磷酸化所帶來的電荷改變可能是早期染色體間的排斥效應以及Ki-67在有絲分裂早期活躍的原因[15]。此外，一種有絲分裂早期染色體間排斥、晚期染色體內(nèi)聚以及細胞質(zhì)分離的區(qū)域化模型研究顯示，其中Ki-67的中心區(qū)域高度磷酸化帶來的電荷改變成為關鍵的調(diào)節(jié)機制[16]。

1.3 Ki-67在膠質(zhì)瘤中的作用 根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤細胞特異性、有絲分裂活性、微血管增生或壞死等組織學特征，WHO將膠質(zhì)瘤分為Ⅰ～Ⅳ級[17]，而Ki-67是膠質(zhì)瘤分級的輔助標志物[18]。正常腦組織Ki-67的表達水平低于膠質(zhì)瘤組織[19]。膠質(zhì)瘤Ki-67陽性值越高，提示腫瘤惡性程度越高、分級越高、預后越差[20]。據(jù)報道，Ki-67低表達與IDH-1突變顯著相關，為膠質(zhì)瘤的預后指標之一[21，22]。

有研究顯示Ki-67高表達與膠質(zhì)瘤的不良預后顯著相關，Ki-67高表達是膠質(zhì)瘤總生存率的一個有價值的預后因素[23]。此外，也有研究表明星形細胞瘤的部位對Ki-67表達水平?jīng)]有顯著影響[24]。同時，對Ki-67的表達水平，觀察者之間差異顯著，而數(shù)字化定量差異小，所以Ki-67表達水平應謹慎使用，在膠質(zhì)瘤分級中不應過度解讀[25]。

2 膠質(zhì)瘤Ki-67 的影像組學研究進展

2.1 膠質(zhì)瘤與影像組學 影像組學是一個新興的領域，它通過計算機將放射圖像轉(zhuǎn)化為高緯度的可量化數(shù)據(jù)[26]。影像組學是一個多步驟的過程，包括圖像的采集和重建、圖像的預處理、感興趣區(qū)域（regions of interest，ROI）的勾畫、ROI特征的提取和量化、ROI特征篩選以及使用機器學習建立預測模型[27]。圖像處理是對獲取的圖像進行強度歸一化、體素強度校準和偏移場校正等處理，以解決圖像失真、設備差異等問題[28～30]。ROI的勾畫可以通過手動、半自動或全自動方法實現(xiàn)[31～33]。ROI特征提取是指將圖像的特征通過數(shù)字算法提取出來，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值，常見的特征包括形態(tài)特征、紋理特征和功能特征等。之后，構(gòu)建數(shù)學模型，探索圖像特征和研究問題之間的關聯(lián)。常見的數(shù)學模型包括線性或邏輯回歸以及通過機器學習和深度學習模型開發(fā)的更復雜的模型等[34，35]。最后，通過建立訓練集和測試集交叉驗證模型的有效程度，從而選出理想的模型。

研究表明，影像組學在鑒別高級別膠質(zhì)瘤和低級別膠質(zhì)瘤時有一定的價值。有研究對153例多參數(shù)MRI進行影像組學紋理特征分析，結(jié)果顯示使用SVM分類器對高級別膠質(zhì)瘤和低級別膠質(zhì)瘤進行分類的準確率為96.8 %，對Ⅲ級和Ⅳ級進行分類的準確率為98.1 %[36]。在膠質(zhì)瘤和其他腫瘤鑒別方面，有研究使用基于MRI放射組學的機器學習算法區(qū)分中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴瘤和非壞死性非典型膠質(zhì)母細胞瘤，取得了比影像醫(yī)生更高的診斷效能[37]。此外，影像組學在預測膠質(zhì)瘤的分子亞型上也有一定的價值。有研究通過影像組學聯(lián)合MRI T1像、T1像和T1增強像的的影像特征預測膠質(zhì)瘤IDH1基因突變，ROC曲線分析顯示，聯(lián)合T1像+C參數(shù)預測IDH1突變曲線下面積為0.984 ，聯(lián)合T1像參數(shù)預測IDH1突變的曲線下面積為0.927[38]。

一項119例膠質(zhì)母細胞瘤預后的影像組學分析顯示，11個組學特征可用于預測無進展生存期（progression-free survival，PFS）和總生存期（overall survival，OS）[39]。有研究通過放射基因組學分析高危組遺傳特征，計算影像組學風險評分，并將其與其他臨床特征相結(jié)合來更準確地評估PFS[40]。抗血管生成治療在復發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤中起到關鍵作用，有研究通過影像組學方法分析貝伐單抗治療與復發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤PFS和OS的關系，從而將一種影像組學特征作為一種標記物來預測從貝伐單抗治療中獲益的病人[41]。

2.2 影像組學預測膠質(zhì)瘤Ki-67表達水平 近年來，膠質(zhì)瘤Ki-67表達水平的影像組學研究發(fā)展迅猛。越來越多的研究顯示影像組學可以預測膠質(zhì)瘤Ki-67的表達水平，從而提供一種無創(chuàng)的基于Ki-67的膠質(zhì)瘤診斷、治療的新思路。有研究發(fā)現(xiàn)，基于單序列Ki-67模型的曲線下面積可以達到0.745 ，復合序列模型的曲線下面積則可以達到0.963[42]。在特征篩選中，一些具有高度預測能力的特征逐漸被發(fā)現(xiàn)。一項基于139例膠質(zhì)瘤的研究發(fā)現(xiàn)，從影像組學特征平均峰度中獲得的模型，區(qū)分Ⅲ級和Ⅳ級膠質(zhì)瘤的曲線下面積為0.947 ，具有極高的敏感性和特異性[43]。一項220例膠質(zhì)瘤的單變量分析中，影像組學特征非微波和微波與腫瘤分級和Ki-67標記指數(shù)顯著相關[42]。

瘤周水腫是惡性膠質(zhì)瘤的主要特征之一，也是影響膠質(zhì)瘤病人預后的重要因素，其原因可能與膠質(zhì)瘤細胞浸潤到瘤周區(qū)域有關[44，45]。有研究顯示影像組學預測膠質(zhì)瘤實質(zhì)區(qū)域和瘤周20 mm內(nèi)Ki-67表達水平的效能相似[46]。在膠質(zhì)瘤預后方面，有研究顯示Ki-67表達水平是低級別膠質(zhì)瘤獨立的預后影響因素，并且發(fā)現(xiàn)球不相稱這一組學特征也是一個獨立預后因素，為無創(chuàng)預測低級別膠質(zhì)瘤預后提供了一種可能的方向[47]。

綜上所述，Ki-67作為一種增殖標志物，在膠質(zhì)瘤的診斷、預后評估中具有重要的作用，其影像組學研究為膠質(zhì)瘤的診斷及治療提供了新思路。