腦膠質瘤表觀擴散系數與腫瘤分級及IDH1突變的關系

閆新亭 宋雙雙 盧 潔

(首都醫科大學宣武醫院放射科與核醫學科 磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室, 北京 100053)

腦膠質瘤是指起源于神經膠質細胞的腫瘤，是最常見的原發性顱內腫瘤，占所有原發性腦惡性腫瘤的70%，病死率和致殘率均較高[1]。膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，Ⅰ、Ⅱ級為低級別，Ⅲ、Ⅳ級為高級別，級別越高則惡性程度增高[2-4]。膠質瘤主要亞型包括星形細胞瘤(astrocytoma, AC)、少突膠質細胞瘤(oligodendroglioma, OD)及膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme, GBM)等，不同級別及不同亞型膠質瘤的臨床治療方式不同，生存期差異也較大，Ⅱ級膠質瘤5年生存率為60%，Ⅲ級中位生存期為2～5年，Ⅳ級中位生存期為14.6個月[2]。2016世界衛生組織(World Health Organization, WHO)[3]中樞神經系統腫瘤修訂版根據分子型對膠質瘤亞型進行分類，其中異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變作為重要的分子標志物將膠質瘤分為突變型和野生型,IDH突變發生于70%～80%的Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤和90%的繼發性膠質母細胞瘤，是目前臨床公認的能夠預測膠質瘤預后及生物行為的指標,IDH突變型又可分為IDH1和IDH2突變，其中以IDH1突變為主，約占IDH突變的80%～90%。因此，術前準確判定膠質瘤級別及IDH基因型對選擇臨床治療方式、評估患者預后至關重要。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是腦膠質瘤術前診斷、制定治療計劃、治療效果評估及隨訪中的重要檢查方法，其中擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)具有重要價值，可以無創地為膠質瘤的診斷提供信息。DWI是一種對水分子擴散運動敏感的成像技術，可提供活體組織內微觀水分子運動的信息，其定量指標表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient, ADC)反映水分子自由擴散的速度和范圍，可反映腫瘤異質性、侵襲性以及治療效果[5-6]。本研究探討ADC值在膠質瘤分級、分型及預測IDH1突變狀態的應用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取首都醫科大學宣武醫院2014年4月至2019年5月經病理證實為腦膠質瘤的患者82例為研究對象，其中，男性42例，女性40例，年齡15～74歲，平均年齡為(51.4±13.9)歲。

納入標準：①病理學證實為Ⅱ～Ⅳ級膠質瘤；②頭顱MRI為術前1個月內完成，術前或放射治療聯合化學藥物治療(以下簡稱放化療)前進行平掃和增強檢查；③腫瘤發生于幕上;④于檢查前均簽署知情同意書。排除標準：①圖像存在運動偽影等影響觀察；②腫瘤內有大面積出血、壞死、囊變。

1.2 儀器與方法

所有患者均采用德國西門子公司生產的MRI (3.0T Verio或3.0T Trio) 進行頭顱掃描，取仰臥位，采用顱腦8通道專用線圈。掃描序列包括橫軸位及矢狀位圖像，T1WI(TR 160 ms，TE 3.05 ms) 、 T2WI (TR 3 800 ms，TE 93.0 ms)、T2-FLAIR(TR 8 000 ms，TE 94.0 ms) ; 橫軸位DWI參數為: TR 5 500 ms、TE 90 ms，b=0，1 000 s/mm2; 掃描層厚均為5.0 mm，視野(field of view，FOV) 240 mm×240 mm; 所有患者進行增強掃描，對比劑為GD-DTPA，0.1 mmol/kg，高壓注射器靜脈團注。

1.3 圖像分析

采用盲法由兩名神經影像診斷醫師對MRI數據進行分析，有分歧時經協商達成一致。ADC值測量取圓形感興趣區(region of interest, ROI)，面積20～50 mm2，根據腫瘤面積及腫瘤實性成分，每個病灶測量3～5個ROI，避開血管、壞死、囊變區，測量對側正常腦白質ADC值2次，面積約40 mm2，取2次ADC值的平均值(圖1)。病灶所有ROI中最小ADC值的平均值為最小ADC(minimum ADC，ADCmin)，所有ROI的平均ADC值的平均值為平均ADC(mean ADC，ADCmean)，ADCmin與對側正常腦白質ADC值的比值為相對最小ADC(relative minimum ADC values，rADCmin)，ADCmean與對側正常腦白質ADC值的比值為相對平均ADC(relative mean ADC，rADCmean)。

圖1 病灶ROI區劃圖Fig.1 ROI mapping of lesionsROI: region of interest.

1.4 組織病理及免疫組織化學檢測

所有患者均進行腫瘤切除術或病理活檢并行術后病理檢查。82例患者病理標本均進行HE染色，高倍顯微鏡觀察，按照腦膠質瘤WHO分類方法進行分級及分型診斷，分為Ⅱ～Ⅳ級，其中Ⅱ級為低級別膠質瘤，Ⅲ、Ⅳ級為高級別膠質瘤，Ⅱ～Ⅲ 級膠質瘤病理亞型為AC、OD，Ⅳ級膠質瘤為GBM；所有標本均采用免疫組織化學檢查方法檢測IDH1突變狀態，根據腫瘤標本與檢測腦膠質瘤中IDH1基因點突變的單克隆抗體結合情況判定，IDH1表達陽性為IDH1突變組(IDH1 mutant,IDH1mut)，IDH1表達陰性為IDH1野生組(IDH1 wide-type,IDH1wild)。

1.5 統計學方法

2 結果

2.1 WHO分級情況

82例腦膠質瘤中WHO Ⅱ級27例(32.9%)、Ⅲ級22例(26.8%)、Ⅳ級33例(40.3%)，其中Ⅱ級為低級別膠質瘤共27例(32.9%),Ⅲ、Ⅳ級為高級別膠質瘤共55例(67.1%)。Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤病理亞型為AC及OD, AC共26例(56.5%),其中，Ⅱ級16例，Ⅲ級10例；OD共23例(43.5%),其中，Ⅱ級11例，Ⅲ級12例。Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤中IDH1mut28例(57.1%),其中，Ⅱ級17例，Ⅲ級11例;IDH1wild21例(42.9%),其中，Ⅱ級10例，Ⅲ級11例。

2.2 膠質瘤MR表現

病灶多位于額顳頂葉，Ⅱ級膠質瘤信號均勻，T1WI呈等、稍低信號，T2WI/FLAIR呈稍高信號， DWI上可呈低、等、高信號，ADC呈高信號，邊界較清晰，未見明顯瘤周水腫，增強后未見明顯強化；Ⅲ級膠質瘤信號不均勻， T1WI呈等、稍低混雜信號，T2WI/FLAIR呈等、稍高信號，內多見囊變、壞死，DWI上呈等、稍高信號，ADC上呈斑片狀低信號，部分呈高信號，大部分腫瘤邊界不清，瘤周輕度水腫多見，增強后腫瘤可見結節狀、小環狀、斑片狀強化；Ⅳ級膠質瘤部分可見跨中線生長，信號混雜、明顯不均勻，壞死、囊變、出血多見，實性部分DWI上呈稍高、高信號，ADC上呈低信號，腫瘤邊界不清，瘤周水腫明顯，增強后腫瘤可見片狀、花環狀強化。

2.3 各級別膠質瘤ADC值的比較

病灶對側正常腦白質平均ADC值為(0.769±0.676)×10-3mm2/s；Ⅱ～Ⅳ級膠質瘤的ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean組間差異均有統計學意義(P<0.001)，其中ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean在Ⅱ級膠質瘤與Ⅳ級之間、Ⅲ級膠質瘤與Ⅳ級之間比較差異均有統計學意義(P均<0.05)，在Ⅱ級膠質瘤與Ⅲ級之間比較差異均無統計學意義(P>0.05)(表1)。進一步對高、低級別膠質瘤進行統計分析，ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean鑒別高、低級別膠質瘤差異均有統計學意義(P=0.023、0.029、0.024、0.035，表2)。ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean在高低級別膠質瘤的ROC曲線下面積分別為0.702、0.676、0.675、0.669，最佳閾值分別為0.881×10-3mm2/s、1.095×10-3mm2/s、1.202、1.387，敏感度分別為81.5%、77.8%、66.7%、77.8%，特異度分別為67.3%、65.5%、70.9%、60.0%(圖2)。

表1 82例不同級別膠質瘤ADC值比較

表2 高低級別膠質瘤的ADC值比較

圖2 各ADC值在高低級別膠質瘤的ROC曲線Fig.2 ROC curve of all ADC values at high grade and low grade glioma ROC: receiver operating characteristic; ADC: apparent diffusion coefficient； ADCmin: minimum ADC; ADCmean: mean ADC; rADCmin: relative minimum ADC; rADCmean: relative mean ADC.

2.4 膠質瘤亞型AC與OD的ADC值的比較

膠質瘤亞型AC共26例(53.1%)；其中，Ⅱ級15例，Ⅲ級11例。OD共23例(46.9%)；其中，Ⅱ級12例，Ⅲ級11例，AC組與OD組 ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值，詳見表3。AC組各ADC值均高于OD組，其中ADCmin、rADCmin、rADCmean差異有統計學意義。利用ROC曲線評估ADCmin、rADCmin、rADCmean的診斷效能，曲線下面積分別為0.640、0.664、0.635，最佳閾值分別為0.772×10-3mm2/s、1.059、1.301，敏感度分別為92.3%、92.3%、88.5%，特異度分別為43.5%、43.5%、39.1%(圖3)。

表3 AC與OD的ADC值比較

圖3 各ADC值在AC與OD的ROC曲線Fig.3 ROC curve of all ADC values at astrocytoma and oligodendrogliomaAC: astrocytoma; OD: oligodendroglioma; ROC: receiver operating characteristic; ADC: apparent diffusion coefficient； ADCmin: minimum ADC; ADCmean: mean ADC; rADCmin: relative minimum ADC; rADCmean: relative mean ADC.

2.5 Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤IDH1mut與IDH1 wildADC值比較

IDH1mut膠質瘤28例(57.1%)，其中，Ⅱ級17例，Ⅲ級11例；IDH1wild膠質瘤21例(42.9%)，其中，Ⅱ級10例，Ⅲ級11例。IDH1mut與IDH1wild各ADC值，詳見表4。IDH1mut與IDH1wild膠質瘤組間ADC值比較，差異均無統計學意義(P>0.05)。

表4 IDH突變型及IDH野生型膠質瘤ADC值比較

3 討論

DWI是一種對水分子擴散運動敏感的成像技術，可提供活體組織內微觀水分子運動的信息，DWI信號受多種因素影響，如擴散敏感系數、T2穿透效應及組織的各向異性，還受多種生理因素的影響，如運動、呼吸、灌注等，ADC值反映DWI圖上不同方向水分子自由擴散的速度和范圍，是組織在擴散梯度作用下水分子擴散的定量指標，與細胞數目、大小、排列、核質比、細胞外間隙及微循環血流灌注等因素有關[7]。本研究測量腫瘤實質的ADC值，采用多點選取ROI，避開腫瘤內大血管、囊變、壞死及出血區，這樣能避免腫瘤細胞在瘤體中分布不均勻造成的測量偏差，更好地反應瘤體實際的情況，相對ADC值為病灶ADC值與對側正常腦白質ADC值的比值，能消除個體生理因素、機型、掃描參數以及序列對ADC值的影響，使ADC值標準化。

3.1 ADC值與腦膠質瘤分級

惡性腫瘤細胞增生速度快，細胞密度高，細胞外間隙小，限制了水分子的運動，DWI上信號增高，ADC值減低，反之則ADC值升高。本研究顯示，隨腫瘤級別的升高，ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean均呈下降趨勢，高級別膠質瘤與低級別膠質瘤的上述ADC值比較，差異均有統計學意義(P<0.05)。

Murakami等[8]分析50例膠質瘤患者ADC值，得出ADCmin值與膠質瘤內最高級別點相對應，隨膠質瘤級別升高ADC值依次減低。Xu等[9]分析49例膠質瘤患者rADCmean值，得出高級別膠質瘤rADCmean比低級別膠質瘤低，取值1.497時診斷敏感度、特異度、陽性預測值及陰性預測值最高 (分別為86.2%、85.0%、89.3%及81.0%)，均與本研究結果一致。本研究顯示Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤之間ADC值比較，差異無統計學意義。Zhang等[10]將WHO 分級Ⅲ級膠質瘤根據不同分子表達分為低風險組和高風險組，其中低風險組的臨床、分子特征更接近WHO分級 Ⅱ級，而高風險組更接近于WHO Ⅳ級，Ⅱ級與Ⅲ級膠質瘤在組織類型表現方面有一定交叉，這可能為導致本研究Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤ADC值差異無統計學意義的原因之一。本研究發現以ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值為0.881×10-3mm2/s、1.095×10-3mm2/s、1.202、1.387鑒別高低級別膠質瘤，敏感度分別為81.5%、77.8%、66.7%、77.8%，特異度分別為67.3%、65.5%、70.9%、60.0%。

3.2 膠質瘤亞型AC與OD的ADC值的差異

AC與OD常規MRI影像相似，難以將其明確區分，但其治療方法卻有著明顯不同，OD對化療敏感預后較好，因此術前明確區分AC與OD有重要的臨床意義。本研究中AC組ADC值較OD組高，這與腫瘤組織病理是相對應的。少突膠質細胞瘤經典病理表現為中等細胞密度、核圓、大小一致、核周空暈，還常見微鈣化、黏液囊性變以及由密集的分支狀毛細血管組成的“雞爪狀”血管網；少突膠質細胞瘤在皮質內腫瘤細胞形成繼發結構，如神經元周圍衛星現象，瘤細胞圍繞在血管周圍和軟腦膜下[11],這些結構使水分子擴散受阻。星形細胞瘤病理表現為腫瘤細胞密度中等，鈣化少見，輕至中度核異型性，核分裂少見，異常增生血管輕微等[12]。二者在細胞密度、微血管分布密集度及瘤體實質組成成分上的不同導致ADC值上的差異，Latysheva等[13]對71例AC和OD的ADC值分析，得出OD的ADC值較AC低，與本研究結論相一致。本研究發現以ADCmin、rADCmin、rADCmean值分別為0.772×10-3mm2/s、1.059、1.301鑒別AC與OD，敏感度分別為92.3%、92.3%、88.5%，特異度分別為43.5%、43.5%、39.1%。

3.3 IDH1突變狀態與膠質瘤ADC值的關系

IDH突變是能夠預測膠質瘤患者預后及生物行為的分子生物學指標，目前檢測基因型的方法包括免疫組化法和基因測序法，都需要獲取組織標本，屬于有創性檢測。DWI水分子擴散受限反映細胞密度大，對應腫瘤增生快及侵襲性高，對膠質瘤診斷價值較大[14-17]。文獻[18-22]報道ADC值與IDH基因型間存在關系，IDH野生型ADC值低于IDH突變型，也有發現IDH野生型和突變型的ADC值差異無統計學意義。本研究49例Ⅱ～Ⅲ級膠質瘤行IDH1基因檢測，IDH1野生組的ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值較IDH1突變組低，但差異均無統計學意義(P>0.05)，原因主要為以下幾點：本研究采用多點選取ROI不能全面反映腫瘤異質性；活檢部位選取不準確導致偏差；基因水平檢測是IDH有無突變的金標準。研究[23-24]顯示IDH突變型膠質瘤內存在亞組(約占總IDH突變型膠質瘤的12%)，其ADC值低且總生存率低,與IDH野生型膠質瘤相似。ADC值主要反映腫瘤細胞密度，IDH突變和ADC值間的相關性還不確定，有待擴大樣本量進一步探究。

總之，本研究結果顯示術前ADC值可量化膠質瘤分級及分類，隨腫瘤級別增高，ADC值減低，高級別膠質瘤ADC值低于低級別膠質瘤且具有診斷價值； OD的ADC值較AC低，這與其組織病理相對應；膠質瘤的發生機制仍需進一步研究，IDH突變是其發生中的早期事件，術前ADC值不能完全預估IDH1突變狀態。