動脈自旋標記和擴散張量成像評估腦膠質瘤IDH1基因表型的價值研究

張萌，耿瑞雯，白源，董洋*

0 前言

膠質瘤是成人最常見的原發性中樞神經系統惡性腫瘤，2021 年《世界衛生組織中樞神經系統腫瘤分類（第五版）》[1]在組織學診斷基礎上引入一系列分子診斷指標，其中異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase, IDH）突變是成人彌漫性膠質瘤的重要診斷標記物，是區分、定義膠質瘤亞型的重要組成部分[2]。膠質瘤IDH 突變分為IDH1 基因（以第132 位密碼子突變常見）和IDH2 基因突變[3]，術前正確評估膠質瘤IDH1突變狀態，可為膠質瘤精準診斷、治療方案制訂及預后判斷提供有價值的信息[4-5]。

IDH1 野生型（IDH1 wild, IDH1wt）膠質瘤缺氧誘導 因 子（hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α）升高促進血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）表達上調，增加腫瘤新生血管生成和細胞增殖[6]；IDH1 突變時，膠質瘤細胞內2-羥基戊二酸（2-bydroxyglutarate, 2-HG）含量增加，促進HIF-1α減低；此外，IDH1基因突變可以改變細胞甲基化譜、阻止細胞分化促進腫瘤細胞增殖與克隆、阻止血管生成、抑制腫瘤侵襲性行為[7]，導致與IDH1wt膠質瘤新生血管及細胞增殖等特征差異。多參數MRI 可反映膠質瘤的血管生成、細胞增殖等特征，是膠質瘤IDH1表型評估的研究熱點[8-9]。

磁共振動脈自旋標記（arterial spin labeling,ASL）成像通過標記動脈血中氫原子實現腦血流灌注定量評價，腦血流量（cerebral blood flow, CBF）與膠質瘤血管密度、表皮生長因子受體表達密切相關[10]；擴散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）通過描述生物組織中水分子遷移程度、細胞外間隙水分子擴散速度與方向，間接反映腫瘤微觀結構、表征腫瘤的異質性，有助于膠質瘤術前分級[11]，在膠質瘤瘤周浸潤、瘤周神經纖維破壞等評估中具有優勢[12]。既往研究發現腫瘤實質區ASL、DTI 可用于評估膠質瘤IDH1突變狀態[13-14]，瘤周區影像學結構及功能成像特征的研究報道較少[15-16]。

本研究擬采用常規MRI、ASL、DTI 技術評估膠質瘤實體區、瘤周區的磁共振微觀結構特征，探討其在膠質瘤IDH1表型評估中的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2019 年9 月至2021 年12 月就診于我院經病理證實為膠質瘤的患者病例61例。納入標準：（1）經病理證實為膠質瘤；（2）術前1周內完成MRI檢查，包括常規MRI、ASL或/及DTI；（3）臨床及病理資料完整，可獲得經基因或免疫組化檢測的IDH1表型。排除標準：（1）MRI 檢查前接受過腦腫瘤相關治療（包括放療、化療、放化療或激素治療等）；（2）MRI圖像質量欠佳（偽影等），不能滿足評估及后處理要求；（3）既往存在腦血管等神經系統疾病、系統性疾病或其他部位惡性腫瘤。膠質瘤病理診斷及分級標準參照2021年《世界衛生組織中樞神經系統腫瘤分類（第五版）》[1]，根據免疫組化或基因檢測診斷IDH1 表型分為IDH1mut、IDH1wt組[17]。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經大連醫科大學附屬第二醫院倫理委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：2019046。

1.2 圖像采集

所有患者均在GE Discovery 750W 3.0 T MRI掃描儀（8通道頭部線圈）完成術前顱腦MR檢查，掃描序列包括：橫斷面常規序列（T1WI、T2WI、T1-FLAIR、T1WI+C），掃描參數見表1；3D-ASL 掃描參數：TR/TE 4874 ms/10.7 ms，FOV 240 mm×240 mm，矩陣512×512，層厚4 mm，標記后延遲時間（post labeling delay, PLD）2025 ms，激勵次數3，掃描時間4 min 42 s；DTI 掃 描 參 數：TR/TE 8000 ms/99 ms，FOV 240 mm×240 mm，矩陣128×128，層厚5.0 mm，層間隔1.0 mm，b 值分別為0、1000 s/mm2，擴散敏感梯度場施加在15個方向，掃描時間4 min 24 s。

1.3 圖像分析及后處理

圖像分析及ASL、DTI 后處理在MR 掃描儀配套的GE ADW 4.7 工作站完成，由兩位分別具有2 年、17 年工作經驗的影像科醫師完成，醫師對患者病理診斷為膠質瘤知情，對其IDH1 表型不知情。常規MR 特征分析內容如下：位置（累及原發腦葉）：額葉、顳葉及其他腦葉；大小（最長徑）；邊界（以腫瘤2/3邊界清晰為邊界清晰）；瘤周水腫（T2WI 瘤周高信號為水腫，根據水腫最大徑和腫瘤最大徑比值確定水腫程度：0 為無，＜1/2 為輕度，1/2≤中度＜1，≥1 為重度），腫瘤強化（根據腫瘤實體強化區范圍占腫瘤體積比確定，分為≥50%和＜50%）；壞死囊變（T1WI低信號、T2WI高信號，無強化面積≥50%為大量壞死，＜50%為少量壞死）；出血（T1WI 高信號或ADC 圖中極低信號，≥50%為大量出血，＜50%為少量出血）。

采用工作站配套Functool軟件包進行ASL、DTI后處理，將生成的CBF、ADC、FA 偽彩圖與3D-BRAVO-T1WI增強圖像融合（顯示解剖定位）。根據CBF、ADC、DTI融合偽彩圖中顏色差異，將其分為熱區（紅色、參數值最大）、冷區（藍色、參數值最小），選擇腫瘤最大層面進行感興趣區（region of interest, ROI）勾畫以測量相關參數，ROI面積為20～40 mm2。在CBF偽彩圖腫瘤實性區選擇熱區放置3個ROI，求取平均值作為CBFmax；在熱區～冷區間放置3個ROI，求取平均值作為CBFmean。以中線為軸，生成與患側ROI對應的健側腦區CBF健側，計算相對腦血流量：rCBFmax=CBFmax/CBF健側，rCBFmean=CBFmean/CBF健側。同法測量并計算腫瘤實性區ADCmin、FAmax；同法測量瘤周1 cm范圍內的瘤周CBF、FA、ADC值。

圖1 IDH1wt與IDH1mut膠質瘤ASL 灌注參數（CBF）與DTI 參數（ADC、FA）示意圖。1A～1D：右側顳葉IDH1wt膠質瘤；1E～1H：左側顳葉區IDH1mut膠質瘤。1A～1D、1E～1H 分別為T2WI、CBF、ADC、FA 偽彩圖。IDH1wt膠質瘤實性區CBFmean增高且高于IDH1mut（圖1B、1F），IDH1wt瘤周區ADC 值高于IDH1mut。IDH1：異檸檬酸脫氫酶1；ASL：動脈自旋標記；DTI：擴散張量成像；CBF：腦血流量；ADC：表觀擴散系數；FA：各向異性分數。Fig.1 Schematic diagram of ASL perfusion parameters (CBF) and DTI parameters (ADC, FA) of IDH1wt and IDH1mut gliomas.1A-1D: IDH1wt glioma in the right temporal lobe; 1E-1H: IDH1mut glioma in the left temporal lobe.1A-1D and 1E-1H are T2WI, CBF, ADC, FA, respectively.CBFmean in the solid region of IDH1wt gliomas is higher than IDH1mut gliomas (1B and 1F), IDH1wt peritumoral area ADC are higher than IDH1mut.IDH1: isocitrate dehydrogenase 1; ASL: arterial spin labeling; DTI: diffusion tensor imaging; CBF: cerebral blood flow; ADC: apparent diffusion coefficient; FA: anisotropy fraction.

1.4 統計學分析

采用SPSS 25.0進行統計分析。計數資料采用卡方檢驗，以例（%）表示；計量資料進行正態性檢驗，不服從正態分布時兩組間比較采用非參數秩和檢驗，以中位數（四分位數間距）表示；否則用獨立樣本t檢驗，以均數±標準差（xˉ±s）表示；對差異具有統計學意義的參數采用多因素logistic 回歸分析膠質瘤IDH1 突變的風險因素，繪制ASL、DTI 及ASL 聯合DTI 的ROC 曲線并計算曲線下面積（area under the curve, AUC）值，評估其對膠質瘤IDH1突變的診斷效能。P＜0.05為差異具有統計學意義。采用組內相關系數（intra-class correlation coefficient, ICC）評價兩位影像醫師對數據測量的一致性，ICC 值＞0.75 為一致性良好；0.40～0.75為一致性中等，＜0.40為一致性較差。

2 結果

2.1 一般資料及常規MRI特征

本研究收集膠質瘤病例61例，其中IDH1mut19例、IDH1wt42 例，男∶女=30∶31。IDHmut組年齡（43.95±13.13）歲低于IDHwt組（54.57±11.97）歲（P＜0.05）。IDH1mut與IDH1wt膠質瘤的發生位置、強化范圍、瘤周水腫差異具有統計學意義（P＜0.05）；性別、邊界、囊變壞死、出血差異無統計學意義（P＞0.05）。詳見表2。

表2 IDH1mut與IDHwt膠質瘤臨床及常規MRI特征分析Tab.2 Analysis of clinical and conventional MRI features of IDH1mut and IDH1wt gliomas

本研究中膠質瘤分級情況如下：Ⅰ級1 例（IDH1mut∶IDHwt=0∶1），Ⅱ級13 例（IDH1mut∶IDHwt=11∶2），Ⅲ級10 例（IDH1mut∶IDHwt=3∶7），Ⅳ級37 例（IDH1mut∶IDHwt=5∶32）。IDH1 表型與膠質瘤病理分級差異具有統計學意義（P＜0.05），IDH1mut多見于低級別膠質瘤（WHO Ⅰ～Ⅲ）。

2.2 兩組IDH1 表型膠質瘤腫瘤ASL、DTI 參數差異性分析

IDH1wt膠質瘤實性區CBFmax、rCBFmax、CBFmean、rCBFmean高于IDH1mut組，差異具有統計學意義（P＜0.05）；兩組間腫瘤實性區ADC、FA 差異無統計學意義（P＞0.05），見表3。IDH1wt膠質瘤周區ADC 值大于IDH1mut（P＜0.05），FA 值低于IDH1mut（P＞0.05）。兩組間瘤周區CBF值差異無統計學意義（P＞0.05）。見表4。

表3 IDH1mut、IDH1wt膠質瘤ASL、DTI參數比較Tab.3 ASL, DTI metrics of IDH1mut and IDH1wt glioma

表4 IDH1mut、IDH1wt膠質瘤瘤周區ASL及DTI參數Tab.4 ASL and DTI metrics of peri-tumor areas of glioma

2.3 logistic 回歸分析、建立聯合模型與ROC 曲線分析

將單變量分析中，差異具有統計學意義參數（腫瘤位置、強化、水腫、腫瘤實性區CBFmean、瘤周ADC）納入多因素logistic 回歸分析，結果表明腫瘤實性區CBFmean[比 值 比（odds ratio, OR）=1.112，95CI:1.018～1.214，P＜0.05]是區分膠質瘤IDH1 表型的獨立危險因素，AUC 為0.879，截斷值為64.969，敏感度為75.9%，特異度為87.5%，見表5。瘤周ADC的AUC為0.774，截斷值為1.100，敏感度為62.1%，特異度為87.5%。將膠質瘤實體區CBFmean與瘤周ADC 納入聯合診斷中，ROC 曲線顯示腫瘤實質區CBFmean與瘤周ADC聯合診斷效能最高，AUC 為0.892，最佳臨界值、敏感度、特異度分別為0.657、89.7%、87.5%，見圖2。

圖2 ASL、DTI 參數及ASL 聯合DTI 區分膠質瘤IDH1 表型的ROC 曲線分析。ASL：動脈自旋標記；DTI：擴散張量成像；ROC：受試者工作特征；CBFmean：平均腦血流量；CBFmax：最大腦血流量；rCBFmax:相對腦血流量最大值；rCBFmean：相對腦血流量平均值；ADC：表觀擴散系數。Fig.2 ROC curve of ASL, DTI parameters and ASL and DTI multi-parameters to distinguish IDH1 gene situation from gliomas.ROC:receiver operating characteristics; ASL: arterial spin labeling; DTI:diffusion tensor imaging; CBFmean: mean cerebral blood flow; CBFmax:maximum cerebral blood flow; rCBFmax: relative maximum cerebral blood flow; rCBFmean: relative mean cerebral blood flow; ADC: apparent diffusion coefficient.

表5 膠質瘤IDH1基因表型的多因素logistic回歸分析Tab.5 Multivariate logistic regression analysis of IDH1 gene phenotype in glioma

2.4 一致性檢驗

膠質瘤腫瘤實性區ASL 參數CBFmax和CBFmean的ICC值分別為0.893、0.750，瘤周CBF 的ICC 值為0.816，提示一致性良好。腫瘤實性區DTI參數ADCmin、FAmax的ICC分別為0.849、0.879，瘤周ADC 的ICC 為0.861，提示一致性良好。腫瘤實性區ADCmean、FAmean的ICC 為0.625、0.558，瘤周FA的ICC為0.668，提示一致性中等。

3 討論

本研究探討常規MRI特征、ASL、DTI在區分IDH1mut、IDH1wt膠質瘤中的價值，結果顯示，不同IDH1 表型膠質瘤的位置、強化范圍、瘤周水腫具有顯著差異，腫瘤實性區CBFmean、瘤周區ADC 值對IDH1 表型診斷具有一定價值，ASL 與DTI 多參數聯合診斷可進一步提高膠質瘤IDH1 表型的診斷效能，腫瘤實性區CBFmean是IDH1表型的獨立風險因素。

3.1 常規MRI特征在IDH1表型膠質瘤診斷中的價值

膠質瘤的常規MRI特征在臨床工作中應用廣泛，其在膠質瘤分級、手術方案制訂、預后評估等分析中具有重要價值。本研究中，IDH1mut膠質瘤發病年齡低于IDH1wt；膠質瘤病理分級與IDH1 表型相關，IDH1mut在低級別膠質瘤（Ⅰ～Ⅲ級）中約占65%，在高級別膠質瘤（WHO Ⅳ級）中約占16%，這與既往報道相近似[5,18-21]。常規MRI 征象中，瘤周水腫范圍≥50%、腫瘤實性區強化范圍≥50%有助于IDH1wt的診斷，可能與IDHwt膠質瘤惡性程度高、瘤周浸潤顯著、腫瘤新生血管豐富、血腦屏障破壞顯著有關[22-24]。本研究中兩組膠質瘤出血、囊變的MRI 特征差異不顯著，然而基于MRI形態學特征、基于瘤內和瘤周影像組學方法可提升圖像中腫瘤強化、出血囊變、瘤內鈣化、瘤周水腫等信息的識別及提取能力，對IDH1表型預測具有重要價值[25-26]；SHIMIZU 等[27]采用SWI 分析膠質母細胞瘤IDH1表型的研究顯示，SWI亦可提升膠質瘤內微出血、鈣化等信號的識別，有助于膠質瘤分子亞型診斷。IDH1mut膠質瘤與額葉特定前腦神經祖細胞變異有關[5]，故好發于額葉、側腦室周圍區，腫瘤發生位置與膠質瘤IDH1 表型有關[18-19]；但HYARE 等[28]報道額葉并非為IDHmut膠質瘤特征。本研究中，IDH1mut膠質瘤發生于額葉居多（14/19），而額葉膠質瘤中，IDH1mut與IDH1wt比例相近似（14∶13），顳葉膠質瘤中IDH1wt更為多見（16/20），有助于對不同IDH1表型膠質瘤的分析。

3.2 ASL在膠質瘤IDH1表型中的診斷價值

ASL 以定量評價腦血流灌注特征為優勢，與膠質瘤新生血管密切相關。臨床上，CBF 受年齡、性別、生理周期等因素影響[29]，本研究納入相對腦血流量進行研究，結果顯示膠質瘤實性區CBFmax、rCBFmax、CBFmean、rCBFmean均有助于評估IDH1基因表型，CBFmean效能最佳（AUC=0.879），其結果并未受到患者基礎腦血流量的影響。既往研究報道IDH1wt膠質瘤血管生長因子VEGF水平較高、腫瘤實性區血管生成廣泛[30]，是IDH1wt膠質瘤血管基因標記。GUO 等[31]、AHN 等[32]和PANG 等[33]采用動態磁敏感對比（dynamic susceptibility contrast, DSC）、ASL 評價膠質瘤IDH1 表型，發現DSC-腦 血 容 量（cerebral blood volume, CBV）、ASL-CBF 與腫瘤實性區微血管密度（microvascular density, MVD）表達相關，有助于IDH1 表型診斷，然而其未對瘤周區進行分析。LI 等[34]采用動態對比增強MRI 區分膠質瘤IDH1 表型，發現Ktrans有助于反映瘤周血管生成和IDH1表型。本研究中，IDH1wt腫瘤實性區各CBF 參數值均高于IDH1mut，二者瘤周區CBF 值無顯著性差異，可能與瘤周腫瘤血管生成、瘤周血管性水腫程度及其影響有關。

3.3 DTI在膠質瘤IDH表型中的診斷價值

DTI 是基于水分子擴散遵循高斯分布理論基礎上較為成熟的擴散成像技術，可用于膠質瘤瘤周浸潤、瘤周神經纖維束破壞程度分析[35]；既往研究顯示膠質瘤實性區DTI參數特征與IDH1表型相關[36]，與本研究結果不同，可能與本研究以Ⅰ-Ⅳ級膠質瘤為研究對象、未對特定病理分級的膠質瘤進行分析有關,適用于臨床工作中未能確定膠質瘤分級情況下，這與TAN等[37]研究結果近似。本研究中瘤周ADC值有助于IDH1mut與IDH1wt鑒 別，且IDH1wt瘤 周ADC 值 高 于IDH1mut；既往研究報道，膠質瘤瘤周區域包含腫瘤浸潤和血管源性水腫，常規MRI 難以區分[26]，血管源性水腫的穿透效應可對ADC、FA 值產生影響[38]；METZ等[39]通過基于深度學習的自由水校正法預測膠質瘤預后，發現FA 圖在無復發水腫區和腫瘤復發之間存在顯著差異，而未進行水腫校正時FA 差異不顯著。本研究中瘤周水腫是IDHwt膠質瘤特征之一，血管源性水腫所致ADC值升高有助于IDH1wt診斷。

3.4 logistic回歸模型與診斷效能分析

新生血管活躍是膠質瘤的特征之一，與膠質瘤增生活躍、侵襲性強等惡性特征有關；ASL能夠量化反映組織新生血管數量等特征，在膠質瘤的分級、預后評估、療效監測中具有潛力[40-41]。本研究中，膠質瘤實性區CBFmean對IDH1表型診斷效能最高（AUC為0.879），是IDH1 表 型 的 獨 立 預 測 因 素（OR=1.112，1.018～1.214）；瘤周區ADC 值對預測IDH1wt膠質表現出優勢（AUC為0.774），聯合瘤內CBF、瘤周ADC進一步提升了膠質瘤IDH1表型的診斷效能（AUC為0.892）。既往研究采用DWI 聯合DSC 灌注加權成像對膠質母細胞瘤IDH1表型進行研究，發現腫瘤強化區CBV聯合非增強區CBV是評估膠質母細胞可靠的生物標志物，腫瘤實體區ADC與CBV聯合診斷可提升膠質母細胞瘤IDH1表型診斷的敏感性和特異性[19]。膠質瘤灌注成像與擴散成像聯合可從血管增生、細胞增殖、腫瘤水腫方面提升對IDH1基因表型預測能力[13,42]。

3.5 局限性

本研究主要包括以下局限性：首先，本研究未能實現膠質瘤靶向活檢區IDH1 表型與ASL、DTI 參數特征的精準對照；其次，本研究樣本量相對較少，未能進行不同病理分級膠質瘤IDH1表達的評估；第三，本研究納入的磁共振功能成像序列有限，有待于進一步深入開展前瞻性研究。

4 結論

綜上所述，MRI對預測膠質瘤IDH1表型具有重要價值，膠質瘤的位置、強化范圍、瘤周水腫有助于IDH1 表型診斷；膠質瘤實性區ASL-CBF、瘤周區DTI-ADC有助于膠質瘤IDH1診斷，聯合診斷模型進一步提升膠質瘤IDH1 表型的診斷效能；膠質瘤實性區ASL-CBF是IDH1表型預測的獨立風險因素。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：董洋設計本研究的方案，對稿件重要的智力內容進行修改，獲得了遼寧省教育廳科研計劃項目的資助；張萌起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據；耿瑞雯、白源獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要的內容進行修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。