多模态磁共振功能成像评估脑胶质瘤IDH1基因状态的研究进展

李安琪 综述 丁爽 审校

脑胶质瘤是中枢神经系统(central nervous system，CNS)最常见的肿瘤，胶质瘤占所有中枢神经系统肿瘤的比例将近28%，占恶性肿瘤的80%左右，其发病率仍有逐年上升的趋势[1]。

2008年，Parsons等[2]发现异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突变对脑胶质瘤的诊断、治疗及预后判断有着非常重要的意义。2016年版 WHO中枢神经肿瘤分类将IDH作为新分类标准的条件之一，列入肿瘤分类的关键要素[3]。大量研究表明，IDH1突变与胶质瘤预后有着非常密切的关系[4]；随后，Leu等[5]研究发现IDH1突变胶质瘤的预后明显好于IDH1野生型胶质瘤，认为IDH1突变可能成为新治疗靶点。而且近年来随着药物的不断研发，IDH1相关靶向药物取得较好的进展[6-7]，通过评估肿瘤的IDH1突变状态，能更好地指导外科医生进行个体化治疗。因此在术前评估胶质瘤的IDH1突变状态对治疗方案的设计及预后评价具有重要意义。

MRI是脑胶质瘤诊断的常用影像学检查方法。由于部分高、低级别胶质瘤在MRI常规序列上有着相似的影像学表现，相关研究报道10%～20%的低级别胶质瘤会表现出强化，10%～38 %的高级别胶质瘤不强化或轻度强化，说明肿瘤强化程度与恶性程度并不完全一致，故应用常规MRI序列对不同级别胶质瘤进行分级诊断的准确度不高[8-10]，因此需要应用多模态磁共振功能成像。多模态磁共振功能成像可从解剖水平、功能水平以及分子水平对脑肿瘤进行更加全面、系统和精准的评价。在临床工作中，常用的多模态磁共振功能技术包括扩散加权成像(diffusion-weighted Imaging，DWI)、扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)、灌注加权成像(perfusion-weighted imaging，PWI)、磁共振波谱成像(MRI spectroscopy，MRS)等。

DWI

DWI通过施加扩散敏感梯度场，可以用于评估活体组织在生理或病理状态下的水分子布朗运动(即扩散运动)情况。当活体组织发生病理改变时，其中的水分子扩散速率也将发生不同程度改变，从而使DWI上的信号发生改变。因此，DWI可无创性评估组织细胞密度，预测组织细胞增殖活性。DWI定量指标为表观扩散系数(apparent diffusion coefficients，ADC)。相关研究表明，较低的ADC值偏向于高级别胶质瘤的诊断，而较高的ADC值则倾向于低级别胶质瘤的诊断[11]，但此关系并非绝对，由于高级别胶质瘤常伴有多种组织学形态特征改变，如水肿、坏死、出血、囊性变或黏液变等也可影响水分子扩散程度，并且瘤周大面积水肿引起的组织受压也可引起肿瘤ADC值降低。尝试利用ADC值来评估IDH突变状态较其他功能性检查具有更大的临床意义和实用性。

Thust等[12]对非强化的WHOII/III级胶质瘤进行研究，通过标准化工具对肿瘤单层最大截面和整体肿瘤容积进行了ADC分析，结果表明ADC值有助于识别未强化的胶质瘤的分型，IDH1野生型胶质瘤的ADC 值低于 IDH1突变型肿瘤，他们提出ADC比值≤1.8可以作为非强化胶质瘤新的诊断标准之一。Leu等[13]探讨了DWI信号能否识别胶质瘤IDH分子亚群：IDH1野生型胶质瘤、IDH1突变1p19q完整型以及IDH1突变1p19q联合缺失型；结果表明在三个不同的基因亚型中，ADC值具有很高的判别性，特别是在IDH1突变型与IDH1野生型之间。总的来说，上述结果表明ADC值测量是一种简单而强大的分子分型方法，与组织学特征相比，DWI可以较好地区分肿瘤基因分型，可用于非强化型胶质瘤的分子分型，特别适用于鉴别 IDH1野生型肿瘤。

DTI

DTI是基于DWI技术上新的磁共振成像技术，通过施加6个以上方向的扩散敏感梯度场，从而在三维空间内能更全面地获得体素内水分子的各向异性程度及扩散情况；定量研究的主要参数有表观扩散系数(apparent diffusion coefficients，ADC)、各向异性分数(fractional anisotropy，FA)、相对各向异性(relative anisotropy，RA)及评价各向同性的平均扩散率(mean diffusivity，MD)[14]。

Tan等[15]通过对112例胶质瘤患者进行回顾性分析，发现肿瘤的DTI指标包括最大FA、rmFa、最小ADC和rmADC，有可能区分IDH1突变的胶质瘤与未突变的Ⅱ级和Ⅲ级肿瘤。IV级肿瘤中的最小ADC值和rmADC有助于区分IDH1突变的胶质母细胞瘤与未突变的胶质母细胞瘤。rmADC是无创检测不同肿瘤等级突变的最佳指标。后续有学者对90例少突胶质细胞瘤患者进行了回顾性研究，研究结果表明最大FA值和最小ADC值是区分有与无IDH1突变的少突胶质细胞瘤的有效DTI参数。IDH1突变的少突胶质细胞瘤的FA值明显低于无IDH1突变的少突胶质细胞瘤。因此，他们认为DTI可以为无创性评估肿瘤的IDH状态提供一种新的方法。并且DTI指标的定量分析为IDH1突变导致少突胶质细胞瘤中肿瘤增殖和血管生成改变的观点提供了支持[16]。

DKI

DKI是DTI在技术上的延伸，用于探查水分子的非高斯扩散特性。与DTI技术相比，DKI可以提供更多组织微观结构的信息。DKI技术的常用参数包括平均峰度(mean kurtosis，MK)、峰度各向异性(kurtosis anisotropy，KA)、轴向峰度(axial kurtosis，AK)、径向峰度(radial kurtosis，RK)等[17]。MK是应用最为广泛的DKI参数，可以反映组织结构的复杂程度，如肿瘤组织内细胞异型性、细胞核的多形性越明显，间质中血管增生越丰富，则MK值越高[18-19]。

Hempel等[20]对50例经组织病理学证实的胶质瘤患者进行标准化平均峰度(Normalized mean kurtosis，MKn)和平均扩散率(Normalized mean diffusivity，MDn)测量，结果显示IDH1突变的肿瘤的MKn值明显低于IDH1野生型肿瘤，原发性胶质母细胞瘤的MKn值明显高于星形细胞瘤和少突胶质瘤。MK可用于深入了解有关IDH1突变状态的胶质瘤。考虑到这些分子标记的诊断和预后意义，他们认为MK是一种有潜力的胶质瘤体内生物标记物。Zhao等[21]应用DKI和DTI综合评价胶质瘤肿瘤分级、IDH1突变状态和肿瘤增殖率，他们认为与DTI相比，DKI在胶质瘤术前综合评价方面具有很大优势,多变量Logistic模型分析进一步提高了胶质瘤分级的诊断价值；在所有参数中，KA(敏感度74%，特异度75%，曲线下面积0.72)对胶质瘤分级、IDH1突变状态和细胞增殖率的诊断价值最高，是一个有应用前景的影像学指标。

PWI

PWI是利用示踪剂显示脑血管系统信号变化的成像方法，示踪剂可以是内源性(动脉血)或外源性大分子对比剂(钆对比剂)。动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)是使用动脉血作为示踪剂的内源性PWI方法，动态磁敏感性对比加权成像(dynamic susceptibility sontrast,DSC)和动态对比增强灌注(dynamic susceptibility enhancement,DCE)则是外源性PWI方法。

DSC利用团注顺磁性对比剂首次通过血管时，引起血管周围磁场的变化，缩短相应的T2*弛豫时间，实现对脑肿瘤微血管密度、血管新生程度和血管生成活性的准确评估。定量指标脑血容量(cerebral blood volume，CBV)、脑血流量(cerebral blood flow，CBF)和平均通过时间(mean transit time，MTT)是DSC常用的血流动力学参数，并被广泛用于胶质细胞瘤的术前分级、分子分型和预后评价。

Tan等[22]通过回顾性研究WHO Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级胶质瘤，发现IDH1突变型胶质瘤与 IDH1野生型胶质瘤患者的rCBV值差异有统计学意义。研究表明，DSC磁共振成像提供的rCBV比值可能是检测胶质瘤中IDH1基因类型的潜在成像特征。利用rCBV值作为DSC磁共振成像的一个特征，用于评价不同级别肿瘤细胞中 IDH基因的状态。IDH1野生型胶质瘤的rCBV 值均高于同一WHO级别的IDH1突变型胶质瘤，这一结论与Xing等[23]、Kickingereder等[24]的结论一致。因此应用DSC评估胶质瘤IDH突变状态是有意义的。

DCE灌注法在一个时间过程中通过细胞外钆对比剂来评估T1WI信号的相关性变化，并可通过动力学的双室腔模型来量化[25]。DCE灌注参数Ktrans、Ve值在低度与高度胶质瘤之间差异有统计学意义[26]。Hilario等[27]通过对弥漫性胶质瘤进行研究来评价DCE诊断高、低度恶性肿瘤的准确性，通过ROC曲线分析Ktrans和Ve在胶质瘤分级中的意义，此外高度恶性IDH1突变型肿瘤的ktrans值较低。

Brendle等[28]研究认为，DCE和ASL在鉴别胶质瘤中是互补的，两者结合可以提高诊断效能，ASL无需对比剂即可观察脑灌注。ASL灌注脑血流量可以区分星形细胞瘤IDH1突变型和IDH1野生型，敏感度为0.75，特异度为0.88，并且倾向于区分星形胶质细胞瘤，少突胶质细胞瘤的IDH突变，因此ASL具有区分突变型与野生型的潜力，ASL和DCE灌注技术之间除了技术上的差异，两种技术更为互补，ASL灌注更多地反映在IDH突变引起的新生血管上，而DCE灌注更明确地反映在血管通透性分级上。

MRS

MRS是一种利用磁共振现象和化学位移作用进行特定原子核及化合物分析的方法，是目前唯一能对活体组织代谢、生化变化、化合物进行定量分析的无创技术。1H在体内丰度最大,目前1H-MRS应用也最为广泛，能检测到N-乙酰天门冬氨酸(N-Acetyl Aspartate，NAA)、胆碱(Choline,Cho)、肌酸/磷酸(Creatine/Phosphocreatine，Cr/PCr)、谷氨酸复合物(Glutamine，Glx)、乳酸(Lactate，Lac)、脂质(Lipids，Lip)、肌醇(Myo-inositol，MI)等。高分辨魔角旋转磁共振波谱(high-resolution magic angle spinning MR spectroscopy，HRMAS MRS)是近年来出现的离体磁共振波谱技术，其场强高，能获得活体所无法显示的更多代谢物信息，检测如甘油磷酸胆碱(Choline glycerophosphatide，GPC)、磷酸胆碱(Phosphocholine，PCho)、甘氨酸(Glycine，Gly)、牛磺酸(Taurine，Tau)、丙氨酸(Alanine，Ala)、Lac 等化合物。

IDH1基因突变改变生物酶功能，消耗α-酮戊二酸和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP)而产生致癌代谢物2-羟基戊二酸(2-hydroxyglutarate,2-HG),IDH突变导致非常高水平的降解物D-2HG的积累。相关研究表明IDH1突变型肿瘤的降解产物D-2HG水平明显高于IDH1野生型肿瘤，并被认为是一种新的肿瘤代谢物[29]。

Pope等[30]通过对原发性神经胶质瘤患者(27例)进行光谱磁共振成像，以研究MRS检测2-HG 产生的能力。采用标准的单体素短回波点分辨率空间选择(point-resolved spatial selection,PRESS)序列检测体内2-HG，其TE值为30ms,使用LC模型软件对MRS数据中的2-HG 水平进行量化。切除的肿瘤通过基因组DNA测序、Ki-67免疫组织化学增殖指数、2-HG和其他代谢物浓度的液相色谱-质谱法(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)分析IDH1突变状态。MRS检测结果显示，与野生型IDH1相比，有IDH1突变的神经胶质瘤的2-HG水平升高。MRS检测的体内2-HG水平与LC-MS检测的相应肿瘤标本的体外2-HG水平显著相关。与野生型肿瘤相比，IDH1突变型胶质瘤组织中的胆碱含量升高，谷胱甘肽含量降低。由此他们得出结论，1H-MRS 为脑胶质瘤中2-HG的检测提供了一种非侵袭性的方法，并可作为IDH1突变型脑肿瘤患者的潜在生物标志物。除了2-HG，MRS测定的其他几种代谢物的改变也与IDH1突变状态相关。

Andronesi等[31]发现2-HG可以在胶质瘤患者中使用光谱编辑和二维相关磁共振光谱技术(Two-dimensional correlation spectroscopy,2D COSY)MRS方法检测到，体内测量与体外高分辨魔角旋转(HR-MAS)2DMRS 和胶质瘤活检样品的液相色谱-质谱(LC-MS)进行比较。采用一维光谱编辑和二维相关MRS技术对2-HG 进行无创性检测是可行的，可以根据 IDH1基因突变对患者进行分层。后续Emir等[32]通过使用超高场强(≥7.0T)质子磁共振波谱(1H-MRS)采集方案来非侵入性地检测2-HG，定量测量足以区分人脑肿瘤中突变的胞浆IDH1和线粒体IDH2。高质量的光谱可以定量分析肿瘤和健康组织体素中包含至少8种代谢物的神经化学成分，其中包括2-HG、谷氨酸、乳酸盐和谷胱甘肽。在超高场强(≥7.0T)下，体内1H-MRS代谢物的检测受益于较高的信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)和光谱分辨率的提高，能够检测小体积感兴趣的代谢物水平的细微变化和比3T具有更高的特异性。因此，在超高场强下1H-MRS检测2-HG和相关代谢产物，不仅在脑肿瘤的早期鉴别诊断中具有重要价值，更重要的是在协助研究疾病进展和治疗反应方面，这是其他方法无法完成的。

随着对胶质瘤不断的深入研究，IDH1基因突变的发现无疑是胶质瘤分子水平研究的重大突破。通过多模态磁共振功能成像获得反映肿瘤水分子扩散程度、2-HG含量、细胞密集度、微血管密度、血管通透性和氧代谢等影像学生物标记，可以无创性地对胶质瘤的IDH1基因表型进行评估，为脑胶质瘤的诊断提供了分子病理学基础，为临床精准治疗提供更加准确的影像学信息，并且可以对分子靶向药物进行疗效评价，进一步提高脑胶质瘤的临床综合诊疗水平。