MRI放射組學(xué)特征預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后

李京龍，王占秋，顧長聰，趙月梅，陳 濤，李文菲

1.秦皇島市第一醫(yī)院影像科，河北 秦皇島 066000；

2.襄陽市中心醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，湖北 襄陽 441000

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是一種高度惡性的腦腫瘤，特點(diǎn)是復(fù)發(fā)率及死亡率高，多學(xué)科治療后的中位生存期僅為15個(gè)月［1］。目前膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的標(biāo)準(zhǔn)治療方案是最大限度地安全切除腫瘤術(shù)后結(jié)合放化療，可以有效延長患者的生存期［2］。研究［3］證實(shí)，替莫唑胺輔助放療可以進(jìn)一步改善術(shù)后患者的無進(jìn)展生存期（progress-free survival，PFS）和總生存期（overall survival，OS）。然而，由于腫瘤異質(zhì)性，并非所有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者都能從替莫唑胺輔助放療中獲益，因此識別可能受益于替莫唑胺輔助放療的高風(fēng)險(xiǎn)亞組是改善膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后的關(guān)鍵。

依賴于活檢并不能夠全面地反映腫瘤的異質(zhì)性，甚至可能由于活檢的操作不當(dāng)導(dǎo)致大腦部分精細(xì)功能的喪失［4］。在影像學(xué)上，基于常規(guī)磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）影像信號、強(qiáng)化方式反映腫瘤內(nèi)部的顯著異質(zhì)不可避免地存在主觀差異。多項(xiàng)研究［5-6］發(fā)現(xiàn)，放射組學(xué)特征可以客觀、定量地提取紋理特征，反映腫瘤的異質(zhì)性，進(jìn)而鑒別膠質(zhì)母細(xì)胞和轉(zhuǎn)移瘤，預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的分子亞型及患者預(yù)后［7-9］。目前基于放射組學(xué)特征評估膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后的研究較少，本研究旨在通過構(gòu)建影像組學(xué)評分模型預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后，確認(rèn)高風(fēng)險(xiǎn)患者能否從替莫唑胺輔助放療中獲益。

1 資料和方法

1.1 臨床資料

從癌癥影像檔案（The Cancer Imaging Archive，TCIA）數(shù)據(jù)庫下載獲得166例膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者多參數(shù)MRI數(shù)據(jù)。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 根據(jù)2016年世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類，組織病理學(xué)診斷為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的患者；② 術(shù)前MRI檢查包括增強(qiáng)T1加權(quán)成像（T1-weighted imaging，T1WI）。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 沒有治療前MRI數(shù)據(jù)（n=12）；② 缺少T1WI增強(qiáng)掃描序列（n=10）；③ 存在MRI偽影（n=7）；④ 缺少預(yù)后信息（n=7）。最終130例患者被納入放射組學(xué)分析。患者臨床資料通過癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫（The Cancer Genome Atlas，TCGA）獲取。本研究臨床及影像數(shù)據(jù)均來自公共數(shù)據(jù)庫，符合2013年修訂的《赫爾辛基宣言》要求。

1.2 圖像處理及分析

本研究使用軟件3D Slicer 4.11.0和Pyradiomics包來提取放射組學(xué)特征。每個(gè)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤分為3個(gè)區(qū)域：腫瘤壞死區(qū)、腫瘤增強(qiáng)區(qū)及瘤周水腫區(qū)。T1WI增強(qiáng)圖像用于描繪膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的壞死核心，通常位于腫瘤的中心區(qū)域。T2加權(quán)成像（T2-weighted imaging，T2WI）和T2加權(quán)液體抑制反轉(zhuǎn)恢復(fù)（fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR）序列用于對照識別水腫和壞死核心。圖像分割由高年資放射科醫(yī)師（具有10年神經(jīng)放射經(jīng)驗(yàn)）繪制，所有感興趣區(qū)均使用閾值分割、種子生長和手動(dòng)半自動(dòng)繪制。從膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者全域（瘤周水腫區(qū)、腫瘤強(qiáng)化區(qū)及腫瘤壞死區(qū)）中分別提取了628個(gè)基于3D紋理的放射組學(xué)特征和14個(gè)基于形狀的特征。

1.3 放射組學(xué)評分模型的構(gòu)建

所有組學(xué)特征采用Z-score方法進(jìn)行歸一化處理。其次，進(jìn)行單因素Cox回歸分析獲取與預(yù)后顯著相關(guān)的特征（P＜0.05）。接下來，將剩下的因素納入最小絕對值收縮與選擇算子（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）回歸模型中，采用10折交叉驗(yàn)證方法對模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終選定特征的加權(quán)建立放射組學(xué)評分模型。根據(jù)X-tile軟件定義合適的閾值將患者分為高風(fēng)險(xiǎn)組和低風(fēng)險(xiǎn)組。并使用相同的臨界值評估膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的PFS及預(yù)后，對高風(fēng)險(xiǎn)組和低風(fēng)險(xiǎn)組患者進(jìn)行亞組分析，觀察替莫唑胺輔助放療是否有助于延長高風(fēng)險(xiǎn)患者的OS。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用R 4.0.2軟件進(jìn)行所有的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。為了驗(yàn)證開發(fā)的放射組學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評分是否是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，多因素Cox回歸分析利用以下臨床變量作為協(xié)變量進(jìn)行分析，例如年齡、性別、異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase，IDH1）基因突變狀態(tài)、DNA修復(fù)酶O-6-甲基鳥嘌呤-DNA-甲基轉(zhuǎn)移酶（O6-methylguanine-DNA-methyltransferase，MGMT）的甲基化狀態(tài)及治療方案。生存分析使用Kaplan-Meier法繪制生存曲線，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 患者臨床特征

本研究納入1 3 0例患者，平均年齡（59.3±14.2）歲，其中男性患者83例，女性47例。中位OS和PFS分別為12.2和6.4個(gè)月。單因素Cox回歸篩選與預(yù)后顯著相關(guān)的組學(xué)特征后，剩下87個(gè)顯著特征，然后經(jīng)過Cox-LASSO模型選擇了16個(gè)特征用于構(gòu)建放射組學(xué)評分模型。其中4個(gè)來自瘤周水腫區(qū)域，9個(gè)來自腫瘤的增強(qiáng)區(qū)域，其余3個(gè)來自膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的壞死核心區(qū)域（表1）。

表1 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后相關(guān)的最佳特征

2.2 放射組學(xué)模型評估預(yù)后臨床價(jià)值

放射組學(xué)評分根據(jù)最佳閾值（6.67）對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者進(jìn)行分層。最終患者分為高風(fēng)險(xiǎn)組（n=61）和低風(fēng)險(xiǎn)組（n=69），患者基線特征見表2。Kaplan-Meier生存分析顯示高風(fēng)險(xiǎn)組膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者中位OS為10.4個(gè)月，低風(fēng)險(xiǎn)組患者中位OS為14.7個(gè)月，差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖1A，P=0.000 3），同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)PFS兩組間差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖1B，P＜0.000 1）。單因素Cox回歸分析表明年齡、分子亞型、治療方案及組學(xué)模型是影響膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的危險(xiǎn)因素，多因素Cox回歸模型表明年齡、治療方式及組學(xué)模型是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的獨(dú)立危險(xiǎn)因素（表3）。亞組分析顯示，高風(fēng)險(xiǎn)組患者接受替莫唑胺輔助放療預(yù)后較好（圖2A，P=0.000 16），低分險(xiǎn)組患者在接受不同治療方案后OS差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖2B，P=0.44）

圖1 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤生存曲線

圖2 不同治療方案對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤OS影響

表2 高風(fēng)險(xiǎn)組和低風(fēng)險(xiǎn)組膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者基線特征n

表3 單因素及多因素COX回歸分析

3 討 論

本研究基于常規(guī)MRI構(gòu)建放射組學(xué)評分模型預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后，研究表明，放射組學(xué)評分對于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤復(fù)發(fā)及預(yù)后的風(fēng)險(xiǎn)分層有重要意義；其次，在多因素Cox回歸分析中，放射組學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評分是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素；最后，基于放射組學(xué)評分的高風(fēng)險(xiǎn)組患者可以從替莫唑胺輔助放化療中獲益，而低風(fēng)險(xiǎn)組患者不能獲益，可能會增加潛在的不良反應(yīng)。

影像組學(xué)是通過從醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)中提取大量的定量特征來量化分析腫瘤潛在異質(zhì)性的方法，具有無創(chuàng)性，并且可以避免活檢的取樣誤差［10-11］。近年來國內(nèi)外多項(xiàng)研究［9，12］基于影像組學(xué)對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的分子亞型進(jìn)行評估。目前國內(nèi)利用腫瘤全域影像組學(xué)特征預(yù)測膠質(zhì)瘤患者預(yù)后的研究較少。已經(jīng)建立的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的放射組學(xué)預(yù)測模型主要基于常規(guī)T1WI圖像，并未對腫瘤全域進(jìn)行組學(xué)特征提取［13-15］。本研究發(fā)現(xiàn)除了腫瘤增強(qiáng)區(qū)域，瘤周水腫區(qū)域及壞死區(qū)域獲得的紋理特征也與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后顯著相關(guān)，提示使用常規(guī)MRI全域組學(xué)特征可以有效反映腫瘤內(nèi)異質(zhì)性。這可能是因?yàn)閴乃绤^(qū)與細(xì)胞凋亡過程有關(guān)，增強(qiáng)的特征與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和蛋白質(zhì)折疊過程有關(guān)，而水腫區(qū)域特征主要反映細(xì)胞周期的過程［16-17］。研究［18-19］表明，放射組學(xué)特征不僅可以預(yù)測膠質(zhì)瘤基因突變，還可以預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的預(yù)后和進(jìn)展。本研究發(fā)現(xiàn)放射組學(xué)特征不僅可以有效對預(yù)后進(jìn)行分層，還可以對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分層。在Tan等［18］的研究中，多變量Cox回歸分析確定放射組學(xué)特征、年齡和IDH是預(yù)測膠質(zhì)瘤預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。本研究表明，放射組學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評分增加了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)（HR=4.27），與既往研究［19］一致；然而IDH狀態(tài)并不是獨(dú)立危險(xiǎn)因素，可能與本研究中IDH野生型比例較多有關(guān)。

在放射組學(xué)評估膠質(zhì)瘤預(yù)后的研究中，Prasanna等［19］通過利用TCIA公共數(shù)據(jù)庫提取放射組學(xué)特征可以有效預(yù)測膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者預(yù)后。但上述研究并未表明高風(fēng)險(xiǎn)患者采取何種治療方式可以獲益。研究［20］表明，放療可大大改善腫瘤的局部控制，但膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)已成為放療失敗的主要方式。盡管研究［21-22］證實(shí)，替莫唑胺同步放療可以使20%的復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者生存獲益，但這意味著超過80%的患者不僅不能從該方案中獲益，與此同時(shí)還需承擔(dān)化療帶來的嚴(yán)重不良反應(yīng)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。正因?yàn)槿绱耍R別該方案的受益患者是非常重要的。本研究建立了基于MRI的放射組學(xué)作為預(yù)測同步放化療的一個(gè)強(qiáng)有力的指標(biāo)，即高風(fēng)險(xiǎn)患者可以從替莫唑胺輔助同步放療方案中獲益，而低風(fēng)險(xiǎn)患者則不能。

本研究的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先本研究是回顧性的，樣本量較小，未來需要多中心驗(yàn)證提高放射組學(xué)模型的泛化性。其次，本研究提取特征耗時(shí)較長，包括手動(dòng)勾畫感興趣區(qū)，限制了其在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用，未來使用自動(dòng)分割技術(shù)可望有效解決這個(gè)問題。第三，放射組學(xué)特征受到不同廠家設(shè)備的影響，這可能導(dǎo)致放射組學(xué)模型在多中心應(yīng)用中失敗，未來需要對影像組學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行規(guī)范。

總之，本研究開發(fā)并驗(yàn)證了從MRI獲得的放射組學(xué)模型可以有效對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層。高風(fēng)險(xiǎn)組患者放化療OS明顯優(yōu)于單純放療，基于MRI的影像組學(xué)能為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者精準(zhǔn)個(gè)性化治療提供一定幫助。