多模態MRI在膠質瘤基因分型中的研究進展

高偉林，吳瓊

作者單位：內蒙古醫科大學第一臨床醫學院，內蒙古醫科大學附屬醫院放射影像科，呼和浩特010050

膠質瘤是中樞神經系統最常見的原發腫瘤，具有高度異質性。2016 年世界衛生組織（World Health Organization,WHO）中樞神經系統分類中加入了基因分型[1]。而2021 年WHO中樞神經系統腫瘤分級[2]中，由于某些分子標記物可以提供可靠的預后信息，不再局限于組織學特征分級，而是結合分子與組織學分級。基因與分子參數現在已被用作進行腫瘤分級和評估預后的有效信息。

通過穿刺或者手術切除等方法取得膠質瘤標本進行病理檢測是基因型獲取的金標準。如果術前獲取基因分型及分子參數可采取個體化治療方案，可產生良好預后及較長的生存時間。而術前穿刺為一種有創檢查，其副作用大。MRI作為一種重要無創工具，近年來多模態MRI 及T2 液體衰減反轉恢復（T2-fluid attenuated inversion recovery, T2-FLAIR）不匹配征在膠質瘤基因分型中的應用顯示出巨大的潛力。本綜述旨在闡述多模態MRI技術及T2-FLAIR不匹配征在膠質瘤基因分型中的研究進展。

1 多模態MRI在膠質瘤基因分型中的應用

多模態MRI 是結合兩種或多種MRI 技術對患者進行診斷和檢查的一種新的成像方式，便于在診斷、治療和監測中獲取進一步的信息。多模態MRI 技術可為臨床醫生提供與腫瘤相關的解剖、代謝、細胞功能等重要信息，有助于指導臨床醫生的手術計劃和切除范圍及預后預測，以更好地告知患者治療風險[3]。

1.1 擴散張量成像

擴散張量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是擴散加權成像（diffusion weighted imaging, DWI）的擴展，將擴散張量模型應用于DWI數據，沿給定體素的三個軸中的每個軸的擴散，并產生三維橢球體。DTI 的參數有各向異性分數（fractional anisotropy, FA）、平均擴散系數（mean diffusivity, MD）、軸向擴散系數（axial diffusivity, AD）、徑向擴散系數（radial diffusivity, RD）等。

Huang 等[4]對兩個醫療中心的40 例低級別島葉膠質瘤的一項研究發現，與IDH 突變型相比，IDH 野生型的FA 值較高，而FA 偏度及MD 直方圖參數值較低；其次，端粒酶逆轉錄酶（telomerase reverse transcriptase, TERT）啟動子的突變與FA值升高和MD值降低有關。且FA的第25百分位對IDH突變和TERT啟動子突變的預測效率最高。這表明IDH突變的膠質瘤表現出更均勻的腫瘤群體和更低的細胞密度。編碼端粒酶的TERT啟動子突變會導致腫瘤細胞不受控制地增殖，導致了更高的FA和更低的MD。Figini等[5]也報道了類似的研究結果，在IDH突變的膠質瘤患者中發現FA值較低而MD值較高。與此結果相反的是，Augelli等[6]在對47例高級別膠質瘤患者的研究中，發現在IDH1突變型和IDH1野生型兩組之間FA值差異無統計學意義。Tan等[7]發現膠質瘤的最大FA值低于正常組織；與野生型相比，IDH1突變型的FA值下降，但隨著組織學分級的增加，差異不太明顯。事實上，當比較WHO Ⅲ級和Ⅳ級膠質瘤時，發現IDH1突變型和IDH1野生型腫瘤之間的FA沒有顯著差異。

此外有學者[8]對38 例高級別腦膠質瘤患者進行了DTI 掃描，評估其MGMT基因類型，研究發現與MGMT啟動子非甲基化的腫瘤相比，MGMT啟動子甲基化的腫瘤FA值顯著降低。與這一研究結果不一致的是，Huang等[4]研究結果發現MGMT甲基化與非甲基化之間FA或MD相關直方圖參數無顯著性差異；Ahn等[9]研究同樣得出MGMT 甲基化組和非甲基化組之間DTI 的ADC 和FA值沒有顯著差異。前者認為MGMT的甲基化抑制了損傷修復蛋白的功能，從而使腫瘤對替莫唑胺敏感[10]。因此，MGMT甲基化與膠質瘤的侵襲性不同，與FA或MD的改變無關；后者認為反映腫瘤浸潤導致白質破壞的FA顯示出潛在的顯著區域性和解剖特異性變化。MGMT甲基化的腫瘤潛在機制尚不明確，需要進一步研究DTI在預測MGMT甲基化狀態中的潛在作用。

1.2 神經突方向離散度與密度成像

神經突方向離散度與密度成像（neurite orienttation dispersion and density imaging, NODDI）是一種先進的擴散技術，它假設了一個三隔室生物物理組織模型，包括單個體素內的細胞內，細胞外和腦脊液。該技術能夠推斷和量化與神經元形態直接相關的特定微觀結構特征，并提供有關腫瘤生理學的寶貴見解[11]。NODDI 的代表性參數是細胞內體積分數（intracellular volume fraction, ICVF）和定向分散指數（orientation dispersion index, ODI），分別代表神經軸突密度和方向分散。Xie等[12]在對91例膠質瘤研究發現，在低級別膠質瘤中，只有ICVF 顯著區分了IDH1 突變組和IDH1 野生型組，IDH1 野生型膠質瘤可能由于更復雜的微觀結構而更具增殖性和侵襲性，因此具有更高的ICVF 值。與此結果相一致，Gao等[13]也得出低級別膠質瘤IDH突變型的ICVF顯著低于IDH 野生型。然而，Zhao 等[14]研究認為具有IDH1 突變的膠質母細胞瘤的平均ICVF明顯高于沒有IDH1突變的IGVF，這可能是因為該研究中只收集了4例IDH1突變的膠質母細胞瘤。此外，Zhao 等[14]研究還發現，在腫瘤實質區內，Ki-67 表達與ICVF及ODI 呈顯著正相關（ICVF：r=0.429，P=0.004；ODI：r=0.530，P＜0.001），而瘤周區域ICVF與Ki-67表達呈負相關（r=-0.498，P=0.003）。Li 等[15]得出Ki-67 標記指數與標準化ICVF 和ODI呈正相關（r=0.755 和0.572，P＜0.001）。Ki-67 蛋白的表達存在于人類細胞周期的所有活躍期（G1、S、G2和有絲分裂期），但不存在于靜止細胞（G0 期），是給定細胞群生長分數的優秀生物標記物[16]。此外，較高的Ki-67 與較高級別的膠質瘤相關，表現為更高的微觀結構異質性[17]。

1.3 平均表觀傳播擴散子MRI

平均表觀傳播擴散子MRI（mean apparent propagator-MRI,MAP-MRI）是一個將DWI 的q 空間與分子位移聯系起來的數學框架。該技術以較小的變異性準確地揭示了復雜白質中的微觀結構相關特征，并提供了幾個新穎的、可量化的指標，可以捕獲以前被掩蓋的神經組織內在微觀結構特征，包括均方位移（mean square displacement, MSD）、q 空 間 逆 方 差（q-space inverse variance, QIV）、返回原點概率（return to the origin probability, RTOP）、返回軸概率（return to the axis probability, RTAP）和返回平面概率（return to the plane probability, RTPP）。這些指標編碼的方向信息非常適合表征各向異性組織中的復雜擴散，并且可以潛在地為軸突缺失或脫髓鞘提供具有鑒別性的白質生物標志物。研究顯示[18]，MAP-MRI可應用于神經膠質瘤分級。在膠質瘤基因分型應用方面，Sun 等[19]通過研究40 例膠質瘤患者發現，與IDH-1 野生型組相比，IDH-1 突變組的MSD、QIV和MD顯著更 高（P=0.005、0.002 和0.002）；與IDH-1 野 生 型 組 相 比，IDH-1 突變組的RTAP、RTOP、RTPP 和FA 顯著降低（P=0.001、0.002、0.003和0.003），這可能是因為具有IDH-1突變的膠質瘤往往具有較少的擴散屏障和較低程度的組織復雜性。另一項研究[13]顯示，具有IDH突變的膠質瘤的MAP的第10百分位徑向非高斯性顯著高于IDH 野生型膠質瘤。目前MAP-MRI 對膠質瘤相關研究較少，日后還需進一步研究。

與DTI 相比，NODDI 和MAP 提供了更多關于腫瘤微觀結構的重要信息，因為它們包含反映細胞內體積和白質脫髓鞘的指標。然而，這些優勢是基于技術原理和間接結果，沒有直接病理基礎證明，這表明需要進一步研究。

1.4 酰胺質子轉移成像

酰胺質子轉移（amide proton transfer, ATP）成像是化學交換飽和轉移（chemical exchange saturation transfer, CEST）成像的一種特定類型，對pH和移動蛋白質/肽含量敏感。其被認為是臨床上最可行的CEST 成像。研究表明[20-22]，APT 加權（APT weighted, ATPw）成像具有潛在的臨床用途，特別是在評估腦腫瘤方面。Jiang等[23]首次證實了APTw 具有識別IDH1 突變狀態的能力。根據他們的研究，與IDH 突變信號相比，IDH 野生型膠質瘤與相對較高的APTw 信號強度相關。Joo 等[24]進行的單變量分析中也得到相同結果，IDH野生型具有更高的APT信號，且較高的APT 信號與預后不良顯著相關；另一項研究[25]還得出，APT 成像在IDH 突變狀態預測方面優于擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI），更有利于準確診斷和治療決策。Han等[26]利用紋理分析和支持向量機，建立了機器學習模型，得出基于APTw 的定量放射組學分析圖像可以為IDH1突變狀態檢測提供一種非侵入性方法。此外，Joo等[24]和Paech等[27]的研究沒有發現MGMT 甲基化與APT 信號存在顯著差異；而有趣的是，另一項研究[28]報告稱，與甲基化膠質母細胞瘤相比，具有未甲基化MGMT 啟動子的膠質母細胞瘤通常與相對較高的APTw 信號強度值相關。這可能是因為這些研究是在不同環境中進行的。因此，需要進一步研究以確認APT成像在預測膠質瘤分子標志物狀態方面的效用。

1.5 2-羥基戊二酸磁共振波譜

IDH突變會產生2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutarate, 2HG），導致在正常細胞或IDH 野生型細胞中以非常低的含量存在的2HG在IDH突變細胞中增加了幾個數量級。因此，可通過磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy, MRS）檢測膠質瘤組織中增加的2HG 水平來預測IDH 突變狀態。一項Meta 分析[29]顯示，2-羥基戊二酸磁共振波譜（2-hydroxyglutarate magnetic resonance spectroscopy, 2HG-MRS）在預測IDH 突變膠質瘤中的診斷性能的匯總敏感度為95%（95%CI：85%，98%），合并特異度為91%（95%CI：83%，96%）。2HG-MRS 在預測膠質瘤IDH突變方面表現出優異的特異性。但由于N-乙酰天門冬氨酸和谷氨酸等的混雜作用可能掩蓋低濃度下的2HG 及膠質母細胞瘤具有大片壞死區會導致出現假陽性，因此僅靠2HG 評估不足以預測IDH1 突變膠質瘤。一項研究[30]表明，因為IDH突變的膠質瘤中的谷氨酸水平均顯著降低，因此在谷氨酸和2HG的聯合測量會增加區分IDH狀態的預測價值。Suh等[31]研究認為，由于壞死區域具有高濃度的脂質和乳酸，在膠質母細胞瘤患者中，2HG/（脂質+乳酸）比值的診斷性能優于2HG 濃度，而在低級別膠質瘤中兩者無顯著差別，2HG 與脂質和乳酸的比值在預測膠質瘤患者異檸檬酸脫氫酶突變狀態方面比單獨使用2HG 濃度更準確。此外，有研究[32]顯示通過MRS 分析2HG水平降低程度可以監測IDH突變膠質瘤患者的治療反應。未來2HG-MRS在膠質瘤中的應用潛力仍需探索。

2 T2-FLAIR不匹配征在膠質瘤基因分型中的應用

2.1 T2-FLAIR不匹配征的起源及診斷效能

T2-FLAIR 不匹配征是近幾年研究最多的一種MRI 形態學成像。T2-FLAIR 不匹配征的定義為T2WI 上病變表現為完全或近乎完全均勻的高信號，FLAIR圖像上病變表現為相對低信號，但周圍邊緣高信號除外[33]。多項研究表明[34-36]，在非增強性低級別膠質瘤中，T2-FLAIR 不匹配征代表了IDH 突變星形細胞瘤的高特異度，低敏感度的成像標志物。Patel等[33]首次報道了該征象，在其研究中的125例低級別膠質瘤患者中15例出現T2-FLAIR 不匹配征，且這15 例患者均為IDH 突變、1p/19q非編碼缺失，特異度為100%，敏感度僅為22%；在其驗證研究中的82例低級別膠質瘤患者中出現的10例T2-FLAIR不匹配征的患者同樣均為IDH 突變、1p/19q 非編碼缺失，特異度100%，敏感度為45%。與Patel等的研究結果相似，Broen等[37]的多中心回顧性研究中，154例患者中38例（25%）出現T2-FLAIR不匹征，其中34 例為彌漫性星形細胞瘤，IDH 突變型，4 例為間變性星形細胞瘤，IDH 突變型，1p/19q 非編碼缺失，敏感度為51%，特異度為100%。另一項研究還發現[38]，所有T2-FLAIR 不匹配＞50%的患者均為1p/19q 完整，但無法獲得IDH1-R132H 免疫組化陰性患者的明確IDH檢測結果。

以上研究證實了T2-FLAIR不匹配與IDH突變星形細胞瘤分類之間存在很強的關聯。但是這些研究僅包括非增強的膠質瘤，Juratli等[39]分析了多機構隊列中的不匹配信號，其中還包括對比劑增強的膠質瘤，發現T2-FLAIR 不匹配的假陽性率為28.5%。雖然該研究納入了增強性神經膠質瘤，但該隊列中未提供非增強性膠質瘤的單獨結果；且所有假陽性病例均為1p19q 非編碼缺失，無假陽性IDH 野生型報告的病例。同樣，Johnson等[40]進行了多機構回顧性分析，發現了幾例假陽性T2-FLAIR 不匹配征患者，其主要發生在患有兒童型膠質瘤的兒童或青年，其中僅1 例為成人，即少突膠質瘤。相比之下，在兒科患者中觀察到3例T2-FLAIR不匹配征，兒科病例的病理學譜各不相同，包括WHO Ⅰ級腫瘤（髓樣星形細胞瘤）、WHO Ⅳ級腫瘤（K27M 突變中線膠質瘤）和非腫瘤性疾病（可能為灰質異位）及1 例具有小兒膠質瘤特征性分子改變特征的18歲成人星形細胞瘤。這可能是兒科和成人型膠質瘤之間的差異所致。T2-FLAIR 不匹配征對成年患者群體中的IDH 突變星形細胞瘤特異度可能不是100%，且在兒科人群中應謹慎解釋T2-FLAIR不匹配征。之后，在人們對T2-FLAIR不匹配征的研究[41-42]，進一步證實T2-FLAIR 不匹配征除了IDH 突變型星形細胞瘤外，在少數其他腫瘤中也可看到。雖然這些研究結果顯示在診斷IDH 突變型的特異度不是100%，但仍具有高特異度及快速、廣泛的臨床應用潛能。

2.2 T2-FLAIR不匹配征的病理學機制

目前對T2-FLAIR 不匹配征較為廣泛認可的病理學機制是微囊樣改變。Foltyn等[43]對408 例新診斷的膠質瘤患者（113 例低級別膠質瘤和295 例膠質母細胞瘤）進行T2-FLAIR不匹配征在識別IDH 突變體1p/19q 非編碼刪除腫瘤方面的表現及對存在與不存在T2-FLAIR 不匹配征的IDH 突變型膠質瘤進行表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient, ADC）和相對腦血容量（relative cerebral blood volume, rCBV）值分析。結果發現12 例低級別膠質瘤（10.6%）出現T2-FLAIR不匹配征，均為IDH 突變，1p/19q 非編碼刪除腫瘤（敏感度為10.9%，特異度為100%，陽性預測值為100%，陰性預測值為3.0%，準確度為13.3%）。T2-FLAIR不匹配征在任何其他分子亞組中均未發現，包括IDH突變型膠質母細胞瘤病例（n=5）。與無T2-FLAIR 不匹配征的IDH 突變體膠質瘤相比，具有T2-FLAIR不匹配征的IDH 突變體膠質瘤的ADC 顯著升高（P＜0.0001），rCBV值顯著降低（P=0.0123）。此外，在具有T2-FLAIR 不匹配征的IDH 突變型膠質瘤中，FLAIR 高信號邊緣的ADC 值顯著低于腫瘤的FLAIR 低信號核心（P=0.0005），可能反映了腫瘤細胞和微環境的特定差異。另一項研究[44]也表明T2-FLAIR不匹配征在核心和邊緣之間具有顯著不同的ADC 值，表明不匹配征反映了腫瘤細胞和微環境的差異。其研究發現與在T2WI和FLAIR上表現為高信號的邊緣相比，在T2WI上表現為高信號的核心和在FLAIR上表現為相對低信號的核心具有更高的ADC值（P=0.002）。ADC值的核心/邊緣比率在有不匹配征的病例中顯著較高（P=0.001），不取決于IDH 狀態、1p/19q 狀態和WHO 分級。在Fujita 等[45]對T2-FLAIR 不匹配征病理研究結果發現，存在T2-FLAIR 不匹配組的核心區域含有大量微囊，而邊緣區域含有豐富的神經膠質纖維和細胞。相比之下，無T2-FLAIR不匹配組的核心區域有大量的神經膠質纖維。在ADC 分析中，存在T2-FLAIR 不匹配組的核心區域ADC 值顯著高于邊緣區域（P＜0.001）。然而無T2-FLAIR 不匹配組的核心區域和邊緣區域之間沒有顯著差異（P=0.12）。存在T2-FLAIR 不匹配組的ADC 值的核心/邊緣比率顯著高于無T2-FLAIR 不匹配組（P＜0.001）。這些結果表明區域依賴性微觀結構差異可能反映IDH突變體1p/19q非編碼星形細胞瘤中的不匹配征。不匹配征的核心特征是微囊性變化伴隨較高的ADC 值，而邊緣區域有豐富的神經膠質纖維和細胞，伴隨較低的ADC值。

Deguchi等[46]發現在22 例IDH 突變型星形細胞瘤患者中，8 例出現微囊改變，其中7 例出現T2-FLAIR 不匹配征，微囊性改變與T2-FLAIR 不匹配征顯著相關（P＜0.01）。從一名患者的多次取樣中，對T2-FLAIR 不匹配區域的標本進行HE 染色后，觀察到大量的微囊，而在T2-FLAIR 匹配區域幾乎沒有觀察到微囊。在研究關于T2-FLAIR 不匹配征與微囊樣改變的現有研究中，另一項研究[47]發現T2-FLAIR 不匹配征陽性腫瘤與囊性結構密切相關，這些腫瘤更有可能在MRI 上出現微囊性外觀，并在病理報告中發現微囊性改變。這與Deguchi等的研究結果相同。雖然在MRI 上表征微囊并不是一個絕對正確的過程，也沒有在病理報告中普遍報道，但這種初步關聯可能表明微囊結構有助于在MRI上顯示的T2-FLAIR不匹配征特征性外觀。

2.3 影響T2-FLAIR不匹配征診斷潛力的因素

在對T2-FLAIR不匹配征診斷潛力的研究中，Throckmorton等[47]研究結果顯示在適當的臨床條件下，消除T2序列為均勻高信號作為T2-FLAIR不匹配征的限定，即允許T2序列上出現不均勻性的腫瘤符合T2-FLAIR 不匹配征的條件，結果研究人群中的敏感度顯著增加，而不會降低IDH 突變的特異度，這可能會增加T2-FLAIR不匹配征的診斷潛力。而另一項研究[48]發現用于采集FLAIR 的反轉時間（inversion time,TI）也會顯著影響T2-FLAIR 不匹配體征的診斷準確度，尤其是敏感度和陰性預測值。TI≥2400 ms時掃描結果顯示，T2-FLAIR不匹配體征識別IDHmut-Noncodel 星形細胞瘤的敏感度、特異度、陽性預測值和陰性預測值分別為30%、92%、80%和54%，然而TI＜2400 ms時掃描結果顯示，這些指標分別提高到67%、94%、92%和74%。而且當使用較短的TI獲得FLAIR時，受試者工作特征曲線下面積從0.63提高到0.87。

多項研究表明，T2-FLAIR不匹配征和其他MRI序列結合可提高診斷的準確率。Lee等[49]研究發現ADC和CBV直方圖參數，以及T2-FLAIR 失配信號的組合顯示，在區分IDHmut-Noncodel組與其他彌漫性低級別膠質瘤和IDH 野生型方面，與單獨的T2-FLAIR 失配信號或任何單個參數相比，具有更好的診斷性能。另一項研究[50]顯示腫瘤體積分數VADC＞1.5×10-3mm2/s與T2-FLAIR 不匹配征表現出強烈的一致性，兩個參數的組合提高了檢測IDHmut-Noncodel低級別膠質瘤的敏感度。

綜上所述，MRI 作為一種非侵入性的檢查工具，可以較好地預測膠質瘤的基因分型，以指導臨床治療。隨著多模態技術的發展及臨床應用，可以反映更多的膠質瘤信息，例如病變形態、血流、代謝和功能改變等；同時，需要進一步研究與發現類似于T2-FLAIR 不匹配征這樣更直觀、簡單但特異度高的形態學特征在基因分型中的價值與潛力。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。