DKI術前預測腦膠質瘤IDH突變狀態的研究

楊柳青 文 利 張 冬 張 磊

腦膠質瘤是顱內最常見的原發性腫瘤,發生率為(3～6.4)/10萬,約占所有原發性中樞神經系統腫瘤的27%,約占原發性中樞神經系統惡性腫瘤的80%,低級別者以中青年多見,高級別者以中老年多見,無性別差異。2021年第5版世界衛生組織(World Health Organization, WHO)中樞神經系統腫瘤分類、分級標準中將成人彌漫性膠質瘤分為3類:①星形細胞瘤,IDH突變型;②少突膠質細胞瘤,IDH突變伴1p/19q聯合缺失;③膠質母細胞瘤,IDH野生型;以及4個等級,其中1、2級為低級別膠質瘤(low-grade glioma, LGG),3、4級為高級別膠質瘤(high-grade glioma, HGG),臨床上針對LGG主要是手術切除,而HGG手術后輔助化療、放療及電場治療均可使患者受益[1,2]。因為有超過80%的LGG和繼發性膠質母細胞瘤會發生IDH突變,使其形成了獨特的膠質瘤亞型,具有獨特的分子結構、臨床表型、影像表現、預后和治療反應,所以第5版分類標準也重點強調了異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)突變的價值,認為IDH突變是可靠的預后及預測的生物學標志物,并指出應結合腫瘤的基因型和表型特征“綜合”診斷[3]。IDH突變的狀態和準確的分類、分級對術前確定合適的臨床治療方案和評估腦膠質瘤的預后、治療反應等都很重要[4]。臨床上由于腦膠質瘤診斷的金標準病理組織活檢受其有創性所局限以及并發癥風險,所以一種無創的預測其分類方法能解決以上問題[5]。磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)在腦膠質瘤術前評估IDH突變狀態、分級和優化治療中發揮著重要作用[6]。因此,本研究將采用磁共振擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)技術及常規MRI掃描,探討DKI在術前評估腦膠質瘤IDH突變狀態中最優參數的選擇,是否可提高分類診斷準確性及其臨床應用價值。

對象與方法

1.研究對象:本單中心回顧性研究經陸軍軍醫大學新橋醫院醫學倫理學委員會批準(倫理學審批號:2016-研第046-01),并獲得所有參與者的知情同意。收集2016年11月～2020年9月于陸軍軍醫大學新橋醫院經手術切除與病理檢測證實的有完整MRI檢查及臨床資料的71例腦膠質瘤患者,患者年齡18～76歲,平均年齡為45.6±11.1歲;其中,女性患者34例,平均年齡為47.2±12.4歲,男性患者37例,平均年齡為44.1±9.8歲。病程:數天～4年,多數為數天～數個月;臨床表現:構音障礙5例,運動障礙13例,頭痛、頭暈20例,癲癇6例,發作性意識喪失9例,嘔吐10例,認知能力下降8例。根據2021版WHO腦腫瘤國際分類及分級標準,有41例HGG(3級25例,其中IDH突變型10例,IDH野生型15例;4級16例,其中IDH突變型3例, IDH野生型13例),30例LGG(2級30例,其中IDH突變型28例, IDH野生型2例)[1]。

2.檢查方法:采用美國Signa Excite HDx 1.5T MRI掃描儀和8通道頭顱相控陣線圈。分別行常規MRI平掃、增強及DKI序列掃描。常規MRI:T1WI、T2WI、T2FLAIR、T1-3D-FSPGR序列和注射對比劑完畢后行軸位T1-3D-FSPGR+C、矢、冠狀位增強檢查。其中增強掃描:高壓注射器經肘前正中靜脈注入對比劑釓貝葡胺注射液(劑量:0.1mmol/kg,注射速度:4ml/s,為使對比劑充分進入體內,18～20ml 0.9%氯化鈉溶液于注入對比劑后立即注入)。DKI掃描:采用二維自旋平面回波成像擴散加權序列(spin-echo 2D echo-planar imaging diffusion-weighted imaging, 2D-SE-EPI),于注入對比劑之前行軸位掃描。擴散梯度場:選取(不同方向)30個,參數:b值:0、1000、2000s/mm2,TR/TE=6000ms/最小ms,間距=1mm,層厚=5mm,FOV=24cm×24cm,矩陣=128×128,共22層,掃描時間:3min12s。

3.圖像處理及分析:所有MRI圖像上傳至美國GE ADW4.6后處理工作站上分析,DKI圖像后處理:導入DKI原始圖像,選擇Function tool中DKI后處理程序,獲得DKI各參數圖:平均峰度(mean kurtosis, MK)、軸向峰度(axial kurtosis, Ka)、徑向峰度(radial kurtosis, Kr)、峰度各向異性(kurtosis anisotropy, FAK)、平均擴散系數(mean diffusivity, MD)、各向異性分數(fractional anisotropy, FA)、軸向擴散系數(axial diffusivity, Da)和徑向擴散系數(radial diffusivity, Dr),測量腫瘤實質區[選取5個大小20.0～220.0mm2的感興趣區(region of interest, ROI),以5個ROI中測值的中位數作為各參數值]、瘤周水腫區和對側正常腦白質區(CNAWM)的各參數值。不同個體間因性別、體重、年齡等差異和腫瘤生長部位、直徑、形態、內部結構復雜等情況,以及不同的瘤周毗鄰結構與關系,為了消除個體差異,所以規范化(腫瘤實質區/對側正常腦白質區)處理腫瘤實質區各參數。ROI選擇:①腫瘤實質區:未強化者,T2WI或T2flair圖像上高信號或稍高信號區域;強化者,軸位T1-3D-FSPGR+C圖像上最明顯強化的腫瘤實質部分;②瘤周水腫區:水腫不明顯或未強化者,T2WI圖像上高或稍高信號區;強化者,腫瘤強化區邊緣外<20mm的腦白質區;③正常腦白質區:(腫瘤對側)半卵圓中心區;④多發病灶,腫瘤最大徑最大者。盡量避開腫瘤出血、囊變、壞死區以及腦溝、腦室等信號不均區域,以減少誤差[7,8]。腦膠質瘤IDH突變狀態及病理分級以基因測序及病理結果為金標準。

結 果

1.病理結果:71例腦膠質瘤均手術切除(其中全切59例,部分切除12例),通過標準基因組測序方法(Sanger測序法)對IDH1和2催化域的132號密碼子進行測序,確定IDH突變狀態,根據2021版WHO腦腫瘤分類、分級標準分成兩組:IDH突變型(n=41)和IDH野生型(n=30)[1]。

2.IDH突變型與野生型腦膠質瘤各DKI參數比較:在腫瘤實質區,IDH突變型規范化FA、MK、Ka和Kr值低于IDH野生型(P<0.05),而規范化Dr值則高于IDH野生型(P<0.05);IDH突變型和IDH野生型的MD、Da及FAK值比較,差異無統計學意義(P>0.05)。在瘤周水腫區,IDH突變型規范化MD、Da值低于IDH野生型(P<0.05),而規范化FAK值則高于IDH野生型(P<0.05)。在對側正常腦白質區,IDH突變型規范化MD、Da、Dr值低于IDH野生型(P<0.05),而規范化MK、Ka值則高于IDH野生型(P<0.05,表1,圖1、圖2)。

圖2 左側顳葉膠質母細胞瘤(IDH野生型,CNS WHO 4級)A.T1WI增強掃描腫瘤形態不規則,明顯不規則花環狀強化,其內壞死區未見明顯強化;B.規范化腫瘤實質區FA值0.412;C.規范化腫瘤實質區MD值1.120;D.規范化腫瘤實質區Da值0.913;E.規范化腫瘤實質區Dr值1.548;F.規范化腫瘤實質區FAK值0.753;G.規范化腫瘤實質區MK值0.860;H.規范化腫瘤實質區Ka值1.585;I.規范化腫瘤實質區Kr值0.610;異質性高的腫瘤,其內有較混雜色彩分布;J.組織病理圖(蘇木精-伊紅染色,×100);K.基因檢測圖顯示野生型IDH在第132氨基酸位,野生型序列(綠色背景),突變序列(紅色陰影部分)

表1 IDH突變型與野生型各感興趣區的各DKI參數差異

2.DKI參數與IDH突變狀態的相關性:對71例腦膠質瘤各DKI參數運用Spearman相關性分析顯示,規范化FA、MK、Ka和Kr值與IDH突變狀態呈負相關(P<0.01),而規范化Dr值與其呈正相關(P<0.05,表2)。

表2 規范化腫瘤實質區各DKI參數與膠質瘤IDH突變狀態的相關性

3.腦膠質瘤IDH突變狀態與DKI參數ROC曲線分析:通過ROC曲線分析,確定腫瘤實質區各規范化DKI參數區分IDH突變狀態(表3)的閾值、AUC、敏感度和特異性。腫瘤實質區各規范化DKI參數中以MK值(其診斷閾值、AUC、敏感度和特異性分別為0.518、0.794、81.1%和75.8%)對評估腦膠質瘤IDH突變狀態效能最好,其次是Kr、Ka、FA、Dr、MD、Da、FAK值(圖3)。結合多個DKI參數,DKI預測IDH突變狀態的準確性為77.1%。

圖3 腦膠質瘤IDH突變狀態各DKI參數的ROC曲線

表3 腦膠質瘤IDH突變狀態的ROC曲線分析

結 果

腦膠質瘤準確診斷及治療方案的選擇一直是臨床最關注的問題[9,10]。腫瘤是否有IDH等基因的突變,其治療方案及預后不同[11,12]。IDH基因突變能反映腫瘤血管生成、細胞和代謝等改變,也可在MRI上表現特征性[13,14]。MRI在腦膠質瘤診治中發揮著極其重要的作用。常規MRI不能顯示腦膠質瘤微觀病理結構變化和功能狀態,并對其分類、分級存在不足和缺陷,然而結合高級功能MRI技術可提供腫瘤組織的額外功能、分子等信息,為其臨床精準診治提供更多依據[15～17]。目前很少有研究探討結合DKI成像對腦膠質瘤術前非侵襲性評估IDH突變狀態。

DKI的概念由Jenson教授于2005年最早提出,它反映組織內非高斯分布的水分子擴散情況,擴散峰度對水分子擴散的限制過程,能同時得到彌散參數(FA、MD、Dr和Da值)和峰度參數(MK、Kr、Ka和FAK值),能顯著提高對腦灰質精細結構的量化表征和觀察腦白質細微結構變化,更全面、準確地顯示水分子的擴散運動,為探測某些疾病早期的細微損傷和微觀結構變化提供更為準確、先進的評價[18～20]。既往研究中,只有一種或幾種DKI參數用于評估IDH基因突變。Zhao等[14]研究發現,DKI的峰度參數MK、Ka和Kr可能是預測腦膠質瘤中IDH1基因突變狀態有效的指標。本研究不同于以往的工作,因為本研究探究了所有8個DKI參數的預測值,也比較了峰度參數與常規擴散參數的差異。結果顯示,在8個參數中,規范化FA、MK、Ka和Kr值與IDH突變狀態呈負相關(P<0.01),而規范化Dr值與其呈正相關(P<0.05),同時ROC曲線分析結果顯示,峰度參數的AUC值高于常規擴散參數,其中又以MK值對IDH突變狀態的診斷效能最高(閾值為0.518,AUC為0.794,敏感度為81.1%,特異性為75.8%)。說明對評估腦膠質瘤IDH突變狀態,峰度參數更為有效,具有更大的成像潛力,能更準確、全面地顯示細胞增殖和IDH突變所引起的細微結構改變,為患者提供更準確的亞型診斷及精準治療。本研究還發現DKI預測腦膠質瘤IDH突變狀態的準確性為77.1%,高于常規MRI。

此外,值得注意的是,IDH突變型和IDH野生型之間的對側正常腦白質區(包括Da、Dr、MK和Ka)和瘤周水腫區(包括Da、MD和FAK)在眾多DKI參數中存在顯著差異。這一發現與其他研究不同,可能是由于腫瘤侵入和破壞了腦局部區域的神經纖維,影響了全腦神經網絡的連接,或引起腦組織的微觀結構和微環境的改變[20]。因此,將對側正常腦白質區和瘤周水腫區參數值相結合,可以為準確評估IDH突變狀態提供更有效的影像學指標。

本研究還存在一定的局限性:①由于樣本量小,沒有研究腦膠質瘤亞型之間的差異;②手動選擇腫瘤體積內最異常區域作為ROI,而不是整個腫瘤體積,這可能造成了部分病例相關參數被低估。筆者團隊將考慮這些限制并在今后的研究工作中加以改進。

綜上所述,在DKI各參數中,峰度參數對術前評估腦膠質瘤IDH突變狀態診斷更有效,其中又以MK值的診斷效能最好。DKI對術前評估腦膠質瘤IDH突變狀態有較高的準確性,能夠更好地為臨床正確的治療決策提供依據。