DCE-MRI在诊断肿瘤乏氧中的应用

梁璟慧综述 李金高审校

肿瘤组织中普遍存在着乏氧现象，它将影响肿瘤治疗的敏感性，并促进肿瘤生长、侵袭及转移。若能准确诊断乏氧，即能提供预后信息，从而指导个性化的治疗。

1 关于肿瘤内乏氧及其诊断现状

乏氧现象的出现是因为其中微血管结构的异常和微环境的严重破坏。在肿瘤的血管网络中存在着诸如动静脉分流此类混乱的微循环构成，甚至其中的微动脉与正常组织中的相比也更加乏氧，其运送的血液中仅含血浆而无红细胞。在肿瘤的血管床中，流经动静脉分流的血液占肿瘤总血流量的30%，从而产生血液流经肿瘤组织但不输送氧气这一现象。

乏氧通过凋亡潜能细胞选择作用使肿瘤生长、侵袭及转移能力增加，并因为其调控血管生成和细胞糖代谢、诱导多药耐药基因(MDR)和其编码的P糖蛋白的高表达，使逃脱电离辐射物理杀伤的肿瘤细胞获得必要的生存条件而致放疗敏感性降低[1～3]，引起肿瘤产生对放化疗的抵抗性[4]，这是导致治疗失败的最主要因素之一。治疗方案中我们需要及时发现并纠正乏氧，目前检测乏氧的主要方法：①氧敏感电极法：氧敏感电极法是目前唯一能直接测定肿瘤组织乏氧的方法，曾被认为是探测肿瘤氧分压的“金标准”，但仅限于较浅表的肿瘤，而肿瘤内部氧分压的异质性也限制了其应用。②DNA 彗星分析法(cometassay)：这种方法的理论基础是电离辐射导致的DNA损伤在有氧细胞中为无氧细胞的3～4倍。其优势在于可提供放疗当时的乏氧状况，但只适用于单次大剂量(>4 Gy)的电离辐射，从而限制了其在临床上的应用。③核磁共振光谱法：包括血氧水平依赖性(blood oxygen level-dependent，BOLD)MRI、overhauser MRI(OMRI)、电子顺磁共振成像(electron paramagnetic resonance imaging，EPRI)等特定的磁共振技术。这些方法虽有所研究，尚无基于大量的基础及临床研究而生的定论。④核医学技术：运用不同标记乏氧组织的显影剂行SPECT或PET而对乏氧进行定性及定量的检测。乏氧显像法作为1种无创、全面且可重复性的方法成为近年来研究最热门的技术，其检测的可靠性和准确性也不断得到验证，但它与乏氧组织结合的机制有待于进一步的研究。各种检测方法除自身局限性外尚存在着对人体损伤及难以重复操作等缺点，无1种可作为常规检查应用于临床。分子功能影像的出现使我们对肿瘤乏氧的探测又有了新的手段，我们需要探测出1种适于常规运用的更新、更理想的乏氧组织显像技术。

2 用动态增强磁共振(DCE-MRI)技术诊断乏氧的理论基础

以MRI为基础的影像学方法是目前描绘肿瘤大小、体积较为准确、直观且为大部分患者能耐受的非侵袭性的方法，而DCE-MRI因其在评估肿瘤微循环中的作用被人们日益重视。这种技术基于快速注射对比造影剂后引起信号强度发生短暂的变化。目前应用于临床的造影剂为相对分子质量小于1000的小分子(ECF)对比造影剂(Gd-DTPA)，其通过快速注射后可迅速渗透到除脑、睾丸外人体大部分组织的血管外-细胞外间隙(EES)中。在T1WI中，渗透到血管内和EES的顺磁性对比造影剂因质子自旋与自由电子自旋的偶极——偶极作用增强了邻近质子的弛豫，引起T1时间缩短，从而导致周围组织的信号强度发生变化。因强化程度受到诸如血液灌注、微血管密度、血管床渗透性和细胞外渗空间等微环境参数的影响，强度变化反映了组织的渗透性和血管生成等情况。而组织的氧合依赖于其中的微循环及组织的渗透性，血流灌注缺乏通常为肿瘤细胞乏氧的首要原因，因此DCE-MRI对诊断肿瘤乏氧甚至预后的判断具有重要作用。DCE-MRI通过对比造影剂强度变化的定量描述或更复杂的方法，即通过建立在对比剂药物动力学行为基础上的生理参数，来描述肿瘤组织内的乏氧现象。因其无电离辐射，故对于要求重复成像的灌注研究而言，是1种理想的方法。

3 DCE-MRI诊断乏氧的方法

现阶段，被研究用于探测乏氧的主要DCE-MRI指标包括半定量及定量参数。

3.1 半定量参数

半定量参数包括对比剂到达肿瘤组织时间(time at arrival of contrast inflow，T1 on set)，到达强化高峰时间(time to peak，TTP)、强化曲线平均斜率最大斜率(slope and maximum slope)、对比增强率(contrast enhancement ratio，CER)。

他们由组织的增强-时间曲线直接获得，具有在治疗前预测肿瘤消退和局部控制情况的潜能。Zahra等通过临床实验证明在治疗前行DCE-MRI，获得的增强-时间曲线中到达强化高峰时间越短，曲线斜率越大，CER越高，肿瘤消退程度将越明显[5]。

但由于不同的系统之间基础信号存在差异致半定量参数数据在不同的MR扫描或脉冲序列中不易比较，且参数反映感兴趣区域(ROI)的对比剂浓集不准确，美国国家癌症研究院(NCI，USA)推荐将定量测量值，如Ktrans、IAUGC，作为DCE-MRI研究的首要点[6]。

3.2 定量参数

人们研究出了许多药代动力学模型用于导出能描述影响DCE-MRI对比强化那些变量的定量参数。在那些能模拟出血浆内对比剂浓集的模型中，我们可以通过直接测量或通过模型中某一功能评估来获得参数。二分隔Tofts模型最为广泛使用。它假设细胞外血管外间隙(EES)和血浆为2个独立的空间，小分子对比剂注入后可迅速到达两者内且两者间通透性不会随着时间而改变。针对这一模型，Tofts等[7]研究出1套标准化的动态测量方法，其参数包括：血浆与EES间的容积转移常量(Ktrans)、血浆与EES间的速率常数(kep)、EES容积(渗漏空间、ve)、最初对比剂浸出分数和血液灌注分数量(E、F)。此外，ROI血浆容积分数(fPV)、Gd-DTPA渗透-时间曲线下的初始区域(IAUGC)与强化速度和范围密切相关，故也被NCI定为用于DCE-MRI研究的1个重点。

Ktrans最早由Patlak等提出，继而被不同的研究组用于其他成像模态中。在早前的MRI工作中，有学者把他指作κ和κPSp。单向的血液注入常量有Ki、Gd-DTPA体积分系数λ和参数κ2，其中Kiρ(1-Hct)= Ktrans，λ=νe/ρ，κ2= kep。Ktrans也曾被称作“E·F”(以下研究中有用到)，但因其易与心脏射血分数(cardiac ejection fraction)或MRI增强因子(MRI enhancement factor)缩写混淆而不被使用。根据组织内毛细血管渗透性和血流之间的平衡不同，Ktrans的生理学表示方式也不一样。在高度渗透的环境里(Kety模型)，流经内皮的血流量有限，对比剂量受到血流灌注的制约，Ktrans近似于每单位体积的血浆流量；而当组织血管渗透性差，对比剂向血管外的转运受限时，Ktrans等于每单位体积中血浆与EES间渗透性区域表面的物质量。因为肿瘤中微血管对小分子对比剂具有高渗透性，因此在研究肿瘤乏氧中我们通常使用Kety模型计算各定量参数。

EES即对比剂漏出毛细血管后到达的细胞外的区域，ve曾被Patlak和其他学者用以表示这个区域的体积。但在EES中仍有些区域(除纤维组织)是对比剂无法进入的，变量应是漏出的区域(即分布区域)而非EES，因此我们退而用ve代表组织每单位体积的EES体积分数，此为一百分比。

kep为以上两个生理学基本参数Ktrans和ve的比值：kep=Ktrans/ ve。

4 DCE-MRI诊断乏氧的相关研究

以上参数广泛使用于探测肿瘤乏氧的DCE-MRI实验中。

Ceelen等[8]将CC531肠癌细胞嫁接入小鼠中，研究以P792为对比剂的DCE-MRI如何显影肠癌中放疗对微血管渗出的作用。他们在小鼠放疗前和放疗后5天(每天照射剂量5 Gy)分别予以DCE-MRI，并描绘由Ktrans和ve产生的参数曲线。同时放疗前后肿瘤中心及边缘的氧分压图也分别完成。测得Ktrans和ve的平均值在放疗后所有的肿瘤区域中均明显下降。肿瘤中心的氧分压平均值放疗前为6.8 mm Hg，放疗后升至7.7 mm Hg (P<0.001)；肿瘤边缘的氧分压放疗前为3.5 mm Hg，放疗后升至4.4 mm Hg (P<0.001)。肿瘤中心的平均微血管密度(MVD)放疗前10.4，放疗后升至16.9 (P<0.001)。VEGF在RT后的小鼠中明显更高。他们通过以P792作为对比造影剂的DCE-MRI显示出了在这个直肠癌模型中的微血管中的定量变化，证实放疗明显降低了新生血管的漏出，提高了组织氧合作用和VEGF的表达。放疗后的DCE-MRI参数Ktrans、ve与肿瘤氧分压均分别存在着相关性(γ=-0.57，P=0.08；γ=-0.65，P=0.04)，但参数与MVD和VEGF表达无关。

Cho等[9]使用未治疗R3327-AT前列腺肿瘤模型以研究DCE-MRI在诊断肿瘤乏氧中的作用。研究获得分别来源于灌注的，乏氧的和坏死的区域DCE-MRI时间-信号曲线和用乏氧探针测得高度染色的乏氧区域的kep图。图像表明：正常区域Gd-DTPA呈现出“快进快出”图像；而乏氧区域因为血管化作用的降低，Gd-DTPA摄取、浸出均延迟，出现“慢进慢出”现象；坏死区域的MR信号强化最慢，并且无对比剂浸出。同时，他们也探讨了在不同大小的肿瘤中，kep和肿瘤乏氧的相关性，结论是在中等大小的肿瘤中(500～1200 mm3)kep与肿瘤乏氧最为相关。

Egeland等[10]认为乏氧组织因氧供缺乏、氧耗高(细胞密度大)将引起DCE-MRI参数中低E·F，低λ，因此2006年使用A-07人黑色素瘤异种移植物作为人肿瘤临床前模型以证实其对E·F及λ与肿瘤组织中乏氧细胞分数关系的猜想。实验证实了E·F与乏氧细胞分数存在着明显统计学差异，但λ与分数之间的差异却不明显。继而推测A-07肿瘤内细胞乏氧存在着差异性主要因其中氧供缺乏有差别所致。但研究者补充此结果并不适用于那些与A-07黑色素瘤生物、生理特性均不同的肿瘤。也许一些肿瘤瘤内细胞外体积分数较血流灌注差异更大，我们并不能排除λ与肿瘤组织中乏氧细胞分数存在明显统计学差异的可能性。因而需要对与A-07肿瘤特性相同者进行更深入的研究，对不同者则更有待探索。

基于上述不确定性，Egeland等[11]再次用A-07和R-18人黑色素瘤异种移植物作为人肿瘤临床前模型深入研究E·F及λ与肿瘤组织中微血管密度(MVD)、细胞外体积分数(ECVF)及乏氧细胞分数间的关系。实验得出结论：E·F与MVD相关，与乏氧分数存在负相关性，而λ也与ECVF相关。同时，R-18肿瘤乏氧分数要比A-07者高出6.5个单位，这与A-07肿瘤中E·F和微血管密度值比R-18高，组织密度比R-18低(λ与ECVF低)这一发现一致。

英国皇家马斯登医院与英国肿瘤研究所对DCE-MRI各项参数与肿瘤内乏氧的探测做了较为全面的临床实验。Newbold等[12]选取7例头颈部肿瘤患者，23个感兴趣区域(即每个患者至少标记3个感兴趣区域，其中包括肉眼可见的与正常组织不同区域和大片坏死区域)，以研究能否将DCE-MRI的某些参数作为肿瘤内乏氧的新标志。乏氧通过乏氧探针和CA9定义。乏氧探针为乏氧外源性标志物，当乏氧程度达氧分压小于10 mmHg时探针染色，它反映无论急性或慢性的乏氧情况[13]。CA9的表达因反映了肿瘤内微环境的酸碱平衡而被作为乏氧的内源性标志。当氧分压小于20 mmHg时其表达反映了中、高等级的乏氧程度。Vordemark 等[14]有过报道，CA9在乏氧后6 h表达，再氧合的至少96 h内处于稳定。因而把CA9在肿瘤中表达视为即时或之前出现长期乏氧的标志[15，16]。研究中涉及的DCE-MRI半定量及定量参数分别包括T1 on set、TTP、平均坡度及Ktrans、ve、kep。实验证明：定量、半定量参数均与乏氧探针探测得分为4的区域有着相关性，其中与其关系有显著统计学意义的参数包括Ktrans，kep，T1 on set和TTP。而在得分为1～4的区域中，参数与乏氧间也存在相关性，但未达到统计学意义。

结合以上实验室研究结果，我们可以意识到DCE-MRI为肿瘤乏氧的诊断开辟了1条新的道路。局部进展的肿瘤中，乏氧的分布存在着明显的不同，这将影响放疗的敏感性和远处转移的发生[17～20]。而肿瘤细胞之所以出现乏氧是因为其组织中的氧供需不平衡，因此乏氧最主要的决定因素是肿瘤中血管的构成、功能以及血管生成的程度[21]。目前对乏氧的直接测量方法通常需要进行一些对人体有侵入性的步骤，如极谱描记电极的插入。这些带有侵入性的方法也易受到空间和时间的制约，仅限于相对少量的测量物在某一特定时间到达易进入的肿瘤。因此，人们将诊断乏氧的目光投向了分子功能影像手段。MRI能在高分辨率的基础上对肿瘤脉管系统及其生理形态提供独特的结构、功能信息，DCE-MRI则更加能提供肿瘤内微环境的血流灌注信息。这不仅能为其他影像手段提供补充，而且测量的参数也能表明肿瘤乏氧和脉管系统之间的关系。若能有效判断肿瘤内乏氧区域的空间分布，就能获得一系列关于预后的信息，进而指导放疗中局部剂量的分布。目前对于DCE-MRI诊断乏氧的能力已得到普遍认可，但具体参数的应用尚需更多的基础研究及进一步大量的临床证实。

[1] Quintero M，Mackenzie N，Brennan PA.Hypoxia - inducible factor 1 (HIF- 1) in cancer〔J〕.Eur J Surg Oncol，2004，30(5):465.

[2] Moeller BJ，Cao Y，Li CY，et al.Radiation activates HIF - 1 to regulate vascular radiosensitivity in tumors:role of reoxygenation，free radicals，and stress granules〔J〕.Cancer Cell，2004，5 (5):429.

[3] Semenza GL.Intratumoral hypoxia，radiation resistance，and HIF - 1〔J〕.Cancer Cell，2004，5(5):405.

[4] Weinmann M，Marini P，Jendrossek V，et al.Influence of hypoxia on TRAIL- induced apoptosis in tumor cells〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2004，58 (2):386.

[5] Zahra MA，Tan LT，Priest AN，et al.Semiquantitative and quantitative dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging measurements predict radiation response in cervix cancer〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2009，74(3):766.

[6] National Cancer Institute，National Institutes of Health.NCI CIP MR workshop on translational research in cancer.Recommendations for MR measurement methods at 1.5-Tesla and endpoints for use in Phase 1/2a trials of anti-cancer therapeutics affecting tumor vascular function.Available at:http://imaging.cancer.gov/reports and publications/Reports and Presentations/Magnetic Resonance.Accessed August 20，2008.

[7] Tofts PS，Brix G，Buckley DL，et al.Estimating kinetic parameters from dynamic contrast-enhanced T(1)-weighted MRI of a diffusable tracer:standardized quantities and symbols〔J〕.J Magn Reson Imaging，1999，10(3):223.

[8] Ceelen W，Smeets P，Backes W，et al.Noninvasive monitoring of radiotherapy-induced microvascular changes using dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) in a colorectal tumor model〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2006，64(4):1188.

[9] Cho H，Ackerstaff E，Carlin S，et al.Noninvasive multimodality imaging of the tumor microenvironment:registered dynamic magnetic resonance imaging and positron emission tomography studies of a preclinical tumor model of tumor hypoxia〔J〕.Neoplasia，2009，11(3):247.

[10] Egeland TA，Gaustad JV，Vestvik IK，et al.Assessment of fraction of radiobiologically hypoxic cells in human melanoma xenografts by dynamic contrast-enhanced MRI〔J〕.Magn Reson Med，2006，55(4):874.

[11] Vestvik IK，Egeland TA，Gaustad JV，et al.Assessment of microvascular density，extracellular volume fraction，and radiobiological hypoxia in human melanoma xenografts by dynamic contrast-enhanced MRI〔J〕.J Magn Reson Imaging，2007，26(4):1033.

[12] Newbold K，Castellano I，Charles-Edwards E，et al.An exploratory study into the role of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging or perfusion computed tomography for detection of intratumoral hypoxia in head-and-neck cancer〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2009，74(1):29.

[13] Raleigh JA，Chou SC，Arteel GE，et al.Comparisons among pimonidazole binding，oxygen electrode measurements，and radiation response in C3H mouse tumors〔J〕.Radiat Res，1999，151(5):580.

[14] Vordemark D，Kaffer A，Riedl S，et al.Characterization of carbonic anhydrase IX (CA IX) as an endogenous marker of chronic hypoxia in live human tumor cells〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2005，61(4):1197.

[15] Koukourakis MI，Giatromanolaki A，Sivridis E，et al.Hypoxia-regulated carbonic anhydrase-9(CA-9) relates to poor vascularization and resistance of squamous cell head and neck cancer to chemoradiotherapy〔J〕.Clin Cancer Res，2001，7(11):3399.

[16] Lal A，Peters H，St Croix B，et al.Transcriptional response to hypoxia in human tumors〔J〕.J Natl Cancer Inst，2001，93(17):1337.

[17] Chaudary N，Hill RP.Hypoxia and metastasis in breast cancer〔J〕.Breast Dis，2006-2007，26:55.

[18] Hockel M，Schlenger K，Mitze M，et al.Hypoxia and radiation response in human tumors〔J〕.Semin Radiat Oncol，1996，6(1):3.

[19] Vaupel P，Mayer A，Briest S，et al.Hypoxia in breast cancer:role of blood flow，oxygen diffusion distances，and anemia in the development of oxygen depletion〔J〕.Adv Exp Med Biol，2005，566:333.

[20] Menon C，Fraker DL.Tumor oxygenation status as a prognostic marker〔J〕.Cancer Lett，2005，221(2):225.

[21] Neeman M，Provenzale JM，Dewhirst MW.Magnetic resonance imaging applications in the evaluation of tumor angiogenesis〔J〕.Semin Radiat Oncol，2001，11(1):70.