DWI多b值水通道蛋白分子成像在脑星形细胞瘤分级诊断的初步研究

段筱璠，张辉，王效春，谭艳，秦江波，王乐，张磊

DWI多b值水通道蛋白分子成像在脑星形细胞瘤分级诊断的初步研究

段筱璠1，张辉2*，王效春2，谭艳2，秦江波2，王乐2，张磊2

目的探讨DWI多b值水通道蛋白分子成像在脑星形细胞瘤分级诊断的价值。材料与方法搜集经手术病理证实的52例脑星形细胞瘤患者，术前均行常规MRI扫描及多b值DWI扫描，其中低级别组(WHO Ⅰ～Ⅱ级) 24例，高级别组(WHO Ⅲ～Ⅳ级) 28例。测量肿瘤实质区的AQP-ADC值、常规ADC值。采用独立样本t检验分析AQP-ADC值、常规ADC值在高低级别脑星形细胞瘤中是否具有统计学差异，ROC曲线分析比较AQP-ADC值与常规ADC值的诊断效能。结果高级别组肿瘤实质区的AQP-ADC值高于低级别组，高级别组肿瘤实质区的常规ADC值明显低于低级别组；肿瘤实质区AQP-ADC值、常规ADC值在脑星形细胞瘤高低级别间有明显的统计学差异(P＜0.01)，AQP-ADC值、常规ADC值对脑星形细胞瘤分级的ROC曲线下面积：AQP-ADC值为0.891，常规ADC值为0.778。结论AQP-ADC值可以鉴别高低级别脑星形细胞瘤，且优于常规ADC值。

星形细胞瘤；脑；弥散磁共振成像

段筱璠, 张辉, 王效春, 等. DWI多b值水通道蛋白分子成像在脑星形细胞瘤分级诊断的初步研究. 磁共振成像, 2017, 8(1): 13-16.

神经胶质瘤是中枢神经系统最常见的原发性脑肿瘤，其中脑星形细胞瘤约占75%，高级别星形细胞瘤具有生长速度快、侵袭能力强、无边界浸润及术后易复发等特性[1-2]，因此术前对脑星形细胞瘤级别的评估对于治疗方案的选择及临床预后的评估具有重要意义。MRI功能成像可以提供肿瘤病理生理学信息，是常规MRI的重要补充。

MRI水分子扩散加权成像技术可以反映活体水分子分布、运动的特征信息[3-4]。传统观念认为水分子是以自由扩散的方式通过细胞膜的，1993年Agre等[5]对水通道蛋白的发现，对传统的这种观念提出了挑战。水通道蛋白(aquaporine, AQP)是细胞膜上能选择性地高效转运水分子的膜内在蛋白，能显著增加细胞膜对水的通透性，参与水的分泌、吸收及细胞内外水平衡的调节[5-6]。研究发现，胶质瘤细胞AQP1、4、9表达明显增高，而且与肿瘤级别呈相关性[7-10]。李加慧等[11]研究发现采用水扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中高值(b＞1500 s/mm2)时，能够检测到通过红细胞膜AQP扩散的水分子，从而间接获得AQP在细胞膜的分布、活性和数量信息。

目前，应用DWI多b值水通道蛋白分子成像进行脑星形细胞瘤分级诊断的研究报道极少，其是否有临床应用价值有待进一步研究，在此我们探讨DWI多b值水通道蛋白分子成像对脑星形细胞瘤分级诊断的价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料

搜集我院2014年4月至2016年5月经手术病理证实的脑星形细胞瘤52例。根据WHO 2007年中枢神经系统肿瘤分类标准分为两组：低级别组(WHOⅠ～Ⅱ级)24例；高级别组(WHO Ⅲ～Ⅳ级)28例。排除标准：MRI检查前行放化疗的患者；复发患者。

1.2 检查方法

使用GE 3.0 T MRI仪，采用八通道头颈联合拓扑相控阵线圈，患者术前行常规T1WI、T2WI、T2WI-液体衰减反转恢复序列(T2WI-FLAIR)及多b值DWI扫描，最后行T1WI增强扫描。

1.2.1 常规序列参数

(1)梯度回波(GRE) T1WI：TR 195 ms，TE 4.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，层厚 6.0 mm；(2)快速自旋回波(TSE) T2WI：TR 5900 ms，TE 98 ms，FOV 24 cm×24 cm，层厚 6.0 mm；(3) T2WI-FLAIR：TR 8000 ms，TE 95 ms，FOV 24 cm× 24 cm，层厚 6.0 mm。Gd-DTPA (0.1 mmol/kg)用于T1WI增强扫描。

1.2.2. 多b值DWI

采用平面回波序列(EPI)，TR 3000 s，TE 115.5 s，层厚6.0 mm，层距1.0 mm，NEX为3，FOV 24 cm×24 cm，矩阵128×128，b=0、20、50、100、200、400、800、1200、1800、2500、3000、3500、4000 mm2/s，共13个b值。

1.3 数据处理

在GE Adavantage Workstation 4.4工作站使用AQP软件及ADC软件进行后处理，分别获得AQPADC参数图及常规ADC图(图1，2)，在各参数图上采用手绘法在肿瘤实质区(强化区域)勾画感兴趣区(region of interest，ROI)，ROI的面积大小范围为20～40 mm2，肿瘤实质区需避开囊变、坏死、出血、大血管和钙化等，然后分别测量同一肿瘤实质区的AQP-ADC值及常规ADC值，每个ROI重复测量3次，取平均值。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 高低级别组肿瘤实质区AQP-ADC值及常规ADC值比较

高低级别组肿瘤实质区的AQP-ADC值及常规ADC值如表1所示。结果显示高级别组肿瘤实质区的AQP-ADC值明显高于低级别组(P＜0.05)，高级别组肿瘤实质区的常规ADC值明显低于低级别组(P＜0.05)。

2.2 脑星形细胞瘤肿瘤实质区ROC曲线分析

脑星形细胞瘤肿瘤实质区AQP-ADC值、常规ADC值鉴别高低级别脑星形细胞瘤的ROC曲线下面积(AUC)分别为0.891、0.778，界值分别为0.120、1.012，敏感性及特异性分别为96.2%、85.4%及88.5%及81.5% (图3)。

图1 男，25岁，星形细胞瘤, WHO Ⅰ级。A：右侧颞叶轻度异常强化影；B：常规ADC图，肿瘤实质区常规ADC值为1.073；C： AQP-ADC图，肿瘤实质区AQP-ADC值为0.116 图2 女，56岁，星形细胞瘤, WHO Ⅲ级。A：右侧丘脑不规则环状异常强化信号影；B：常规ADC图，肿瘤实质区常规ADC值为0.864；C：AQP-ADC图，肿瘤实质区AQP-ADC值为0.138Fig. 1 Male, 25 years old with WHO Ⅰ grade astrocytoma. A: Slight enhanced lesion in the right temporal lobe. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 1.073. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.116. Fig. 2 Female, 56 years old with WHO Ⅲ grade astrocytoma. A: Irregular ring like enhanced lesion in the right thalamus. B: Conventional ADC map. The conventional ADC value of tumoral solid part was 0.864. C: AQP-ADC map. The AQP-ADC value of tumoral solid part was 0.138.

图3 AQP-ADC值及常规ADC值对脑星形细胞瘤分级的ROC曲线Fig. 3 Receiver operating characteristic (ROC) curves of AQP-ADC value and conventional ADC value of the cerebral astrocytoma.

3 讨论

1993年，Agre等[5]学者对AQP的发现，创立了水在细胞膜主动转运的全新理论，对传统的水以自由扩散的方式通过细胞膜的理论提出了挑战。从Stejskal等提出采用双极梯度进行DWI机制，到双指数的IVIM模型，再到IVIM模型基础上的拉伸指数模型和DKI模型，都没有考虑到细胞膜的分子结构，以及水分子在组织和细胞中运动的分子生物学机理[12]。建立在水通道蛋白理论基础上的AQP分子成像技术，使扩散加权成像(DWI)多b值水通道蛋白分子成像技术显示其分子信息成为可能[5-6，13]。

表1 脑星形细胞瘤肿瘤实质区AQP-ADC值及常规ADC值比较(×10-3mm2/s)Tab. 1 The comparison of AQP-ADC value and conventional ADC value of the tumoral solid part of the cerebral astrocytoma (×10-3mm2/s)

李加慧 等[11]报道 采用乙 酰 唑胺抑 制AQP1、AQP4进行MR分子成像，作者发现采用水扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI) 中低b值具有很好的组织特异性，高b值能够(b＞1500 s/mm2)提供AQP信息，从而间接获得AQP在细胞膜的分布、活性和数量信息；李秋菊等[14]对肝纤维化大鼠的初步研究表明，DWI多b值成像能够显示肝脏组织细胞中水分子的血流灌注相、组织内扩散相以及跨细胞膜转运相的图像信息，尤其高b值下ADC值变化与肝脏细胞膜上AQP表达相关，可以间接反映AQP分子信息；吕水清等[13]应用DWI多b值水通道 蛋 白分子成像技术对AQP在帕金森病患者不同脑区的MRI表现进行了初步研究；白岩等[12]应用DWI多b值水通道蛋白分子成像技术获得胶质瘤图像，发现其可以反映胶质瘤分级。

本研究采用高b值(1800～4000 s/mm2)，通过AQP后处理软件得到AQP图像，并测量肿瘤实质区的AQP-ADC值，结果显示高级别组肿瘤实质区的AQP-ADC值明显高于低级别组。造成这种结果的原因目前尚无定论，分析可能与不同级别的脑胶质瘤组织细胞表达AQP的程度不同有关。研究发现，胶质瘤细胞AQP1、4、9 表达明显增高，而且与肿瘤级别呈相关性[8]。近年来发现AQP不仅能够选择性高效转运水分子，还可促使水分子快速进入细胞板状伪足，增强肿瘤细胞迁移和侵袭能力、调节胶质瘤细胞需氧酵解导致局部微环境的改变、膜电位的维持、细胞有丝分裂卵裂沟的形成及细胞骨架的重构等[8-9]。而且文献报道AQP的表达程度与肿瘤级别呈正相关，这些高表达的AQP引起胶质瘤组织内水代谢增高[12]，表现为高级别组的AQP-ADC值不同程度高于低级别组；而且，我们的研究结果显示，与常规ADC值相比，其对脑星形细胞瘤分级的诊断效能更高。

综上所述，本研究结果初步表明通过AQP MRI分子成像技术可以鉴别高低级别脑星形细胞瘤，是采用一种无创的方式来对脑星形细胞瘤的恶性程度进行预测，并对临床治疗方案的选择提供参考。但是，本研究尚存在一些不足之处，首先，总体病例数相对较少，缺乏一定的代表性，仍需病例数较多的实验来进行反复验证，并确定准确率较高的界值；其次，本研究没有进行AQP表达的测定，AQP的表达与否缺乏免疫组化的支持，但是，大量文献报道胶质瘤组织细胞中AQP表达升高，而且与病理级别呈相关性，在接下来的研究中，我们会进行AQP表达的测定，使结果更具说服力。

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The preliminary study of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of cerebral astrocytoma

DUAN Xiao-fan1, ZHANG Hui2*, WANG Xiao-chun2, TAN Yan2, QIN Jiang-bo2, WANG Le2, ZAHNG Lei21Medical Imaging Department of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
2Department of Radiology, First Clinical Medical College, Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
*

Zhang H, E-mail: zhanghui_mr@163.com
Received 22 Sep 2016, Accepted 19 Nov 2016
ACKNOWLEDGMENTSThis study was supported by grants from the National Natural Science Foundation (No. 81471652) to Hui Zhang; the Natural Science Foundation of Shanxi Province to Yan Tan (No. 201601D021162).

Objective:To investigate the value of aquaporins function with multi b-values diffusion weighted magnetic resonance imaging in the grading diagnosis of astrocytoma.Materials and Methods:Fifty-two patients with cerebral astrocytoma underwent conventional MRI scanning and multi b value DWI scanning before surgery, of which the low-grade group (WHOⅠ—Ⅱgrade) were 24 cases, the highgrade group (WHO Ⅱ—Ⅳgrade) were 28 cases. Measuring the AQP-ADC values and conventional ADC values in tumoral solid part. Using independent sample t-test to compare AQP-ADC values and conventional ADC values between the lowgrade group and high-grade group, ROC curve was used to compare the diagnostic performance of AQP-ADC values and conventional ADC values.Results:The AQP-ADC value in tumoral solid part of high-grade group was higher than those of low-grade group, and the conventional ADC value in tumoral solid part of highgrade group was lower than those of low-grade group, the AQP-ADC value and conventional ADC value of tumoral solid part had significant differences between the groups (P＜0.01). The area under the ROC curve (AUC) of AQP-ADC value and conventional ADC value was 0.891, 0.778 respectively.Conclusions:AQP-ADC value in tumoral solid part could be used to identify low grade astrocytoma from high grade astrocytoma, and was better than conventional ADC value.

Astrocytoma; Brain; Diffusion magnetic resonance imaging

国家自然科学基金面上项目(编号：81471652)，山西省自然科学基金(编号：201601D21162)

1. 山西医科大学医学影像学系，太原030001

张辉，E-mail：zhanghui_mr@163. com

2016-09-22

R445.2；R730.264

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.01.004

2. 山西医科大学第一医院影像科，太原 030001

接受日期：2016-11-19