多模态功能MRI评估脑胶质瘤IDH1突变状态的研究

朱 巍 高 燕 王培军

脑胶质瘤是最常见的颅内原发性恶性肿瘤，约占中枢神经系统恶性肿瘤的80%［1］，具有高死亡率、高致残率及低治愈率的特征。随着肿瘤分子生物学的不断发展，有研究［2］发现，在WHOⅡ-Ⅳ级胶质瘤患者中均可发生异柠檬酸脱氢酶1（isocitrate dehydrogenase-1，IDH1）突变，且Ⅱ级或Ⅲ级胶质瘤IDH1突变型较野生型的侵袭性减低。有研究［3-4］显示，IDH1基因在肿瘤细胞和血管生成与代谢中所发挥的作用显著，与IDH1野生型胶质瘤相比，IDH1突变型胶质瘤对化疗敏感性和生存预后有积极作用。常规MRI是胶质瘤术前诊断的主要影像学方法，但目前功能MRI影像学特征与IDH1表型间的关系尚不明确。本研究通过分析功能MRI包括弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、弥散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography，DTT）和磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）的影像学特征与IDH1突变情况的关系，旨在寻找可反映胶质瘤IDH1表达特征的功能MRI影像学标志，从而为胶质瘤的临床诊断、治疗及预后评估提供重要参考。

方 法

1.临床资料

收集2018年11月—2020年8月在同济大学附属同济医院就诊的脑胶质瘤患者。纳入标准：①所有患者术前除行常规MRI扫描（平扫+增强）检查外，还进行功能MRI检查，包括DWI、ASL、DTI、DTT、SWI序列扫描；②术后病理诊断为胶质瘤；③术后均通过基因检测获得IDH1突变状态。排除标准：①图像伪影重，以致无法分析；②病变内部坏死或出血范围大；③MRI检查前接受过其他治疗，如放化疗、手术等。最终纳入46例患者，其中WHOⅡ级14例，Ⅲ级11例，Ⅳ级21例；男性17例，女性29例；年龄18～74岁，中位年龄47.0岁。所有患者均于检查前签署知情同意书。

2.MRI检查方法

采用SIEMENSVerio 3.0T超导型磁共振扫描仪，标准16通道头部相控阵线圈。嘱患者仰卧，行常规平扫+增强扫描。序列及参数：T1加权（T1W）序列，重复时间（TR）=1 530 ms，回波时间（TE）=9 ms；T2加权（T2W）序列，TR=4 210 ms，TE=96 ms；T2加权液体抑制反转恢复（T2-FLAIR）序列，TR=5 000 ms，TE=94 ms，矩 阵256×256， 视野23 cm×23 cm，平均激发次数=1，层厚5 mm，层间隔1 mm。采用专用高压注射器，经肘静脉血管团注造影剂钆喷酸葡胺（Gd-DTPA），剂量3 ml/s。分别行轴位、冠状位和矢状位T1W增强扫描，扫描参数同前。功能MRI序列及相应的扫描参数：DWI序列，TR=5 400 ms，TE=94 ms，弥散敏感系数（b）值取0和1 000 s/mm2；3D-ASL序列，TR=3 500 ms，TE=15 ms；DTI序列，TR=13 100 ms，TE=92 ms，在30个不同方向施加弥散梯度场；SWI序列，TR=27 ms，TE=20 ms。

3.图像分析

由1名从事神经影像诊断工作超过15年的诊断医师采用盲法独立进行图像分析和处理，常规MRI平扫+增强用来判断病灶有无强化、坏死、囊变及出血等。DWI的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）图、ASL的脑血流量（cerebral blood flow，CBF）图、DTI的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）图和DTT图在扫描完成后在Siemens Syngo.via工作站（Siemens公司，德国）上通过标准软件包进行图像后处理获得。诊断医师结合各个序列进行综合分析后尽可能避开囊变、出血、坏死、脑沟等区域，在肿瘤实性成分（由FLAIR和T1W增强界定）和对侧相应正常脑白质中分别选取相同大小的感兴趣区（region of interest，ROI），分别测量出ADC值，并计算两者之间的比值得到相对ADC（relative ADC，rADC）值，以减少误差。另外获得肿瘤实性成分中ROI的ADC最小值，记为ADCmin值，并获得其与对侧相应正常脑白质中ROI的比值，记为标准化ADC（normalized ADC，nADC）值。rADC值及nADC值不受ROI大小影响，但ADCmin值可能受ROI大小影响，因此在分析所有图像后，将ROI大小均设定为25 mm2。在FA图和CBF图中用获取rADC值同样的方法计算得到相对FA（relative FA，rFA） 值和相对CBF（relative CBF，rCBF）值，ROI大小同样均设定为25 mm2。另外，在CBF图上测量肿瘤实性成分中ROI的CBF最大值记为CBFmax值，并获得其与对侧相应正常脑白质中ROI的比值，记为标准化CBF（normalized CBF，nCBF）值。以上所有序列中每个ROI的数值均为测量3次后的平均值。DTT采用连续示踪法，由同一位影像诊断医师选择肿瘤最大层面和对侧相应层面脑白质纤维束为ROI。采用国内通用标准［5］对纤维束状态进行判断：推移、浸润和破坏中断。与对侧正常纤维束相比，推移表现为肿瘤一侧纤维束仅有位置改变，纤维束外部形态未见明显改变；浸润表现为肿瘤一侧纤维束形态紊乱，部分被破坏甚至中断；中断为肿瘤一侧纤维束完全被破坏因而发生断裂。SWI序列扫描完成后，后处理工作站根据强度数据和相位数据，由计算机自动重建获得相位图及最终的SWI图像，同时生成最小信号投影图，层厚为2 mm。以SWI最小信号投影图显示的胶质瘤内磁敏感效应为基准来进行SWI序列的半定量分析，同时与相位图结合进行分析判断。肿瘤内磁敏感信号（intratumoral susceptibility signal，ITSS）定义为在SWI最小信号投影图像上，胶质瘤内不聚集或聚集的细线状或点状低信号。在进行ITSS半定量评分前，需结合CT图像或相位图来排除胶质瘤内的钙化成分。根据胶质瘤内ITSS的不同表现分为4个等级［6］：①0级，无ITSS；②1级，1～5个细线状或点状ITSS；③2级，6～10个细线状或点状ITSS；④3级，11个或11个以上细线状或点状ITSS。

4.基因检测

所有手术切除病灶的术后病理检查标本均采用基因测序法检测IDH1突变状态，将IDH1表达阳性定为IDH1突变型组，IDH1表达阴性定为IDH1野生型组。

5.统计学分析

采用SPSS 22.0软件进行统计学分析。呈偏态分布的计量资料以M（P25，P75）表示，2组间比较采用Mann-WhitneyU秩和检验。计数资料以例数（百分数）表示，2组间比较采用卡方检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.胶质瘤患者流行病学特征和功能MRI表现特征

根据2007年WHO中枢神经系统胶质瘤分级标准，术后病理分为WHOⅡ级14例，Ⅲ级11例，Ⅳ级21例。基因分型中IDH1野生型26例，突变型20例。功能MRI中，DWI的rADC、ADCmin、nADC值分别为1.59（1.32，1.86）、901.00（777，1 200） ×10-6mm2/s、1.33（1.08，1.65）。ASL的rCBF值、nCBF值分别为1.57（1.26，1.79）、2.65（2.21，3.35）。DTI的rFA值为0.44（0.37，0.54）。DTT图显示纤维束改变情况：推移7例；浸润12例；中断27例。SWI序列的ITSS等级显示：0级10例，1级12例，2级11例，3级13例。IDH1突变型和野生型胶质瘤患者MRI平扫、增强及功能成像的影像特征比较见图1、2。

图1 IDH1突变型病例（45岁女性，右侧额叶星形细胞瘤，WHOⅡ级）

2.IDH1突变状态与多模态功能MRI序列参数的相关性

在胶质瘤的DWI序列中，胶质瘤实质部分nADC值在IDH1野生型和突变型之间的差异有统计学意义（P＜0.05），IDH1突变型胶质瘤具有更高的nADC值（P=0.012），而胶质瘤实质部分rADC值、ADCmin值在IDH1野生型和突变型之间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。在ASL序列中，胶质瘤实质部分nCBF值在IDH1突变型和野生型之间差异有统计学意义（P＜0.05），IDH1野生型胶质瘤具有更高的nCBF值（P=0.032），而胶质瘤实质部分rCBF值在IDH1突变型和野生型之间的差异无统计学意义（P＞0.05）。在DTI序列中，胶质瘤实质部分rFA值在IDH1突变型和野生型之间的差异无统计学意义（P＞0.05）。详见表1。

表1 IDH1野生型组和突变型组胶质瘤患者功能MRI定量参数的比较M（P25，P75）

在胶质瘤的DTT图中，瘤周纤维束状态在IDH1突变型和野生型之间的差异无统计学意义（P＞0.05）。在SWI序列中，胶质瘤ITSS等级在IDH1基因野生型和突变型之间的差异有统计学意义（P＜0.05），IDH1野生型胶质瘤出现3级ITSS的比例明显高于IDH1突变型胶质瘤（P=0.023）。详见表2。

表2 IDH1野生型组和突变型组胶质瘤患者功能MRI半定量参数及定性特征的比较例（%）

图2 IDH1野生型病例（56岁女性，左侧额叶胶质母细胞瘤，WHOⅣ级）

讨 论

肿瘤血管增殖是恶性脑胶质瘤的重要组织学特性［7］。研究［8］显示，胶质瘤IDH1发生突变时可以更好地抑制肿瘤的血管生成。功能MRI不仅能反映胶质瘤的形态学特征，还可以体现肿瘤组织的功能、血流动力学及代谢等变化，不同IDH1突变状态的脑胶质瘤功能MRI表现也各有特征。

本研究结果显示，DWI的rADC值和ADCmin值在IDH1有无突变者之间均无统计学差异，但nADC值在IDH1有无突变者之间有统计学差异，IDH1突变型胶质瘤具有更高的nADC值（P=0.012）。肿瘤细胞增殖越活跃，细胞密度越高，自由水的弥散受限就越明显，DWI序列的ADC值越低。有研究［9］显示，胶质瘤IDH1发生突变时能进一步抑制肿瘤的增殖活性，并最终导致ADC值增高。本研究为减少误差，在ADC值的基础上使用rADC值，但并未能区分IDH1突变情况，考虑这可能是因为胶质瘤具有高度的异质性，肿瘤常伴有坏死、出血等改变，因此平均ADC值常不能够准确反映肿瘤细胞的密度和增殖情况。ADCmin值一定程度上反映了胶质瘤瘤体内增殖活性最高的区域，因此反映了胶质瘤的异质性。Xiong等［10］研究发现不同IDH1基因型少突胶质细胞瘤的ADCmin值之间存在统计学差异，本研究未能观察到这一差异，考虑这可能与本研究针对的对象是WHOⅡ-Ⅳ级胶质瘤有关。但本研究发现nADC值能区分IDH1突变情况，而nADC值是在ADCmin值的基础上进一步获得的，反映了肿瘤的异质性，因而该结果具有一定的可信度。

ASL序列的参数CBF可量化评估肿瘤内血流灌注情况。针对IDH1突变可抑制胶质瘤血管生成这一特点，本研究采用CBF值来分析胶质瘤IDH1突变情况，结果显示rCBF值无法区分IDH1突变情况，而nCBF值可以区分IDH1突变情况，IDH1野生型胶质瘤具有更高的nCBF值 （P=0.032）。Brendle等［11］的研究显示，相对于IDH1野生型星形细胞瘤，突变型星形细胞瘤CBF值更低，提示这类肿瘤可能具有较低的灌注。本研究为减小误差使用rCBF值，但没有得到类似的结果，这可能是由于ASL序列图像分辨率相对较低，因而导致ROI的选取和测量时产生一定的误差；但基于CBFmax值的nCBF值可以区分IDH1突变情况，这可能是因为CBFmax值反映的是肿瘤内血流量最为丰富的区域，因而凸显了IDH1突变型胶质瘤和IDH1野生型胶质瘤的血流差异。

DTI序列的FA值能定量反映水分子的弥散各向异性。对于脑肿瘤组织，当神经元轴突排列失去正常的完整性和方向性时，病灶区域的FA值会降低［12］。Figini等［13］的研究发现，在Ⅱ、Ⅲ级胶质瘤中，FA值在IDH1突变型和野生型胶质瘤间存在统计学差异。本研究使用基于FA值的rFA值得出的结果差异无统计学意义，考虑这可能是因为研究样本量不足，下一步需要加大样本量进一步研究。DTT图是利用DTI的FA图进行后处理得到脑白质纤维束传导图。本研究结果显示，IDH1突变情况在胶质瘤瘤周纤维束状态中无明显差异，这可能是因为胶质瘤的生长方式本身就是以浸润性生长为主，因此瘤周纤维束状态难以反映出IDH1突变情况。

SWI主要是利用不同组织的磁敏感差异产生图像对比。肿瘤内的微出血灶和小血管表现为点状和线状低信号。钙化在SWI上也是低信号，钙化是少突胶质细胞瘤较为典型的特征，通常在CT上表现为高密度，当缺少CT检查时，结合SWI的相位图可以鉴别。本研究发现IDH1突变情况在ITSS等级中有统计学差异（P=0.023），IDH1野生型胶质瘤出现3级ITSS比例明显高于突变型胶质瘤，这说明可能是胶质瘤IDH1发生突变时产生的代谢产物对低氧诱导因子和新生血管的生成具有抑制作用，降低了肿瘤的增殖能力和新生血管生成，从而使IDH1突变型胶质瘤的侵袭性低于同级别IDH1野生型胶质瘤。

综上所述，胶质瘤多模态功能MRI中DWI的nADC值、ASL的nCBF值以及SWI的ITSS等级均可评估胶质瘤IDH1突变状态，为术前评估脑胶质瘤IDH1基因型提供了无创的影像学手段。在以后的研究中还需扩大样本量以增加本研究结论的可靠性。未来联合多种功能MRI序列有望进一步提高胶质瘤IDH1基因型的诊断效能，为脑胶质瘤的诊断、疗效检测和预后评估提供更多有价值的信息。