王佳，胡粟，胡春洪

腦膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的原發(fā)性腫瘤，約占所有中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的27%，原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤的80%[1]。近年來，腫瘤診斷正從組織學(xué)層面轉(zhuǎn)向分子遺傳學(xué)層面。2016年世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤分類、分級標(biāo)準(zhǔn)修改版[2]仍將腦膠質(zhì)瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，但首次將基因型納入腦腫瘤的診斷中，并根據(jù)分子特征對腫瘤進行分型，如異檸檬酸脫氫酶基因(isocitrate dehydrogenase，IDH)突變狀態(tài)將組織學(xué)上相似的彌漫性膠質(zhì)瘤劃分為基因和臨床表現(xiàn)上截然不同的亞型，伴IDH野生型腫瘤更具有侵襲性和基因異質(zhì)性，無論其WHO等級如何。TP53和1p/19q狀態(tài)在IDH突變型星形細(xì)胞瘤和少突細(xì)胞瘤中的意義也逐漸獲得認(rèn)可[3]。這都改變了長久以來基于光鏡的組織學(xué)分類準(zhǔn)則，增加了臨床診斷的客觀性，對指導(dǎo)個體化治療和預(yù)后評價具有重大意義。

相較于組織學(xué)分類，基因可能是與治療和預(yù)后相關(guān)的一些分子標(biāo)志物改變的更為關(guān)鍵的預(yù)測因子。一些分子遺傳學(xué)標(biāo)志物(包括IDH1/2突變、TP53突變、MGMT啟動子甲基化、1p/19q共缺失等)在腫瘤發(fā)生過程中起著重要作用。不斷涌現(xiàn)的磁共振成像和圖像分析技術(shù)，不僅提供了非侵襲性的診斷和評估腫瘤的方法，并且提供了實驗室檢查無法得到的瘤周區(qū)域特征以及瘤體內(nèi)部的基因異質(zhì)性[4-5]，從而讓臨床工作者獲得更為全面的腫瘤信息。本文將從幾種常見的膠質(zhì)瘤基因分子標(biāo)志物方面就膠質(zhì)瘤影像基因組學(xué)研究進展予以綜述。

1 MRI成像評估IDH基因突變

IDH基因突變是膠質(zhì)瘤發(fā)生過程中的早期事件，由Parons等[6]于2008年首先報道，主要發(fā)生在低級別膠質(zhì)瘤和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，IDH突變型膠質(zhì)瘤患者的預(yù)后明顯好于野生型患者，提示IDH基因突變對膠質(zhì)瘤患者診斷及預(yù)后有重要的臨床預(yù)測價值[7]。IDH1基因突變使IDH與底物結(jié)合能力下降，突變型IDH1與野生型競爭底物形成二聚體造成α-KG含量下降，細(xì)胞缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-mducible factor，HIF)穩(wěn)定性增加，HIF信號通路激活，最終導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。

有文獻(xiàn)報道了磁共振解剖成像對不同IDH基因型膠質(zhì)瘤生長特點的分析。Qi等[8]發(fā)現(xiàn)IDH突變型膠質(zhì)瘤患者生存期的延長主要是與腫瘤的位置和MRI特征所對應(yīng)的低度侵襲性的生物學(xué)行為有關(guān)。突變型腫瘤在常規(guī)MRI上主要位于一側(cè)腦葉，如額葉、顳葉或者小腦，而極少位于間腦或腦干，并且更傾向于單側(cè)生長，邊緣清晰銳利，密度均一，增強幾乎無強化。

目前，國內(nèi)外對于IDH1基因的非侵襲性研究主要有兩種方法。第一種方法是建立在IDH1基因突變可使三羧酸循環(huán)中間物α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥基戊二酸(2-hydroxyglutarate，2-HG)的理論基礎(chǔ)上的。由于IDH1基因突變造成的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)依賴性還原反應(yīng)被催化，使得α-KG 變成2-HG。腫瘤細(xì)胞內(nèi)過量2-HG累積的影響尚不完全明確，但眾多研究者的成果表明，2-HG在改變IDH突變型腫瘤的基因及代謝圖譜進而促使細(xì)胞增殖和惡變中起到了重要作用。IDH突變型膠質(zhì)瘤內(nèi)2-HG濃度范圍為5～35 mmol/L，而在體磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)檢測代謝物的靈敏度閾值約為1 mmol/L，并且在正常腦組織中不存在2-HG濃度背景[9]。因此，理論上MRS成像可實現(xiàn)在體評估2-HG的水平。但2-HG波譜易與谷氨酸和谷氨酰胺等代謝峰重疊，傳統(tǒng)的1D-MRS很難實現(xiàn)對2-HG的檢測。研究人員通過改良2D-MRS成像參數(shù)及波譜解析技術(shù)，解決了波譜重疊問題，成功實現(xiàn)了2-HG的在體評估[10]。

盡管多數(shù)研究者認(rèn)為2-HG是一種理想的評估IDH突變的標(biāo)志物，并且MRS十分適用于2-HG的非侵襲性研究，然而一方面由于耗時過長，操作復(fù)雜等原因，MRS并不是臨床常規(guī)使用的成像技術(shù)，另一方面其技術(shù)本身仍存在局限性。既往文獻(xiàn)報道的MRS對于不同級別膠質(zhì)瘤的IDH1基因診斷的截斷值不盡相同，同時，2-HG的檢測效果還受到腫瘤體積的影響，對于體積小于3.4 ml的腫瘤，MRS的靈敏度僅有8%[11]。

部分學(xué)者轉(zhuǎn)向第2種方法即多模態(tài)影像分析技術(shù)。IDH基因的突變改變了IDH與底物的親和力，導(dǎo)致三羧酸循環(huán)能量代謝異常，從而使腫瘤微結(jié)構(gòu)和代謝產(chǎn)物發(fā)生改變。多模態(tài)MRI通過分析與這些微結(jié)構(gòu)和代謝改變相關(guān)的定量或半定量影像特征以達(dá)到在體無創(chuàng)評價膠質(zhì)瘤IDH基因表型的目的。Kickingereder等[12]證明IDH基因突變對HIF-1α和血管生成等生物學(xué)功能的抑制作用。因此，IDH1/2突變型患者相對腦血容量較野生型患者下降，提示突變型腫瘤細(xì)胞增殖程度低，新生血管生成少，與其較好的預(yù)后相一致。Eichinger等[13]依靠腫瘤體積和擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)紋理信息預(yù)測WHO Ⅱ和Ⅲ級膠質(zhì)瘤的IDH基因狀態(tài)。他們建立的一模型在實驗組和驗證組中的精確度分別達(dá)到了92%和95%。Zhang等[14]從T1WI、T2WI、T1WI增強和ADC圖中提取的2970個影像特征與臨床數(shù)據(jù)整合產(chǎn)生的模型在實驗組和驗證組中也分別達(dá)到了86%和89%的準(zhǔn)確度，其中預(yù)測價值最高的是患者年齡、參數(shù)強度、紋理和形態(tài)特征。Yamashita等[15]從TIWI增強和DWI圖像中選取了6種參數(shù)，在這6種參數(shù)值中絕對腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、相對CBV、壞死面積、增強病變中跨層壞死面積百分比在突變型和野生型IDH腫瘤中的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線的曲線下面積(area under the curve，AUC)為0.74～0.87。

總之，目前無創(chuàng)檢測腫瘤IDH狀態(tài)的方法中應(yīng)用廣泛的是通過MRS技術(shù)來探測由IDH基因突變所導(dǎo)致的2-HG累積，但是IDH基因突變引發(fā)的代謝和微結(jié)構(gòu)的改變?yōu)槎鄥?shù)DWI，灌注加權(quán)成像(perfusion-weighted imaging，PWI)和血氧水平依賴等獲得反映腫瘤細(xì)胞密度、微血管密度、血管通透性及氧代謝等影像標(biāo)記提供了分子學(xué)和病理學(xué)基礎(chǔ)。多模態(tài)影像分析因大量定量/半定量特征的優(yōu)點在IDH研究中可獲得進一步應(yīng)用。

2 MRI成像評估染色體1p/19q共缺失

1p/19q共缺失是指1號染色體短臂(1p)和19號長臂(19q)同時缺失。目前研究認(rèn)為1p/19q共缺失與少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤高度相關(guān)，是其診斷性分子標(biāo)志物[16]。2016年，WHO分型指出1p/19q共缺失與IDH1基因突變可共同作為少突及星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤進一步分類的重要分子標(biāo)準(zhǔn)。1p/19q相關(guān)基因的丟失使得其他抑癌基因、癌基因或耐藥基因發(fā)生激活或者功能下降，從而使伴1p/19q共缺失型少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤通常對放化療更為敏感，預(yù)后更為良好。

研究表明，少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤發(fā)生部位與1p/19q共缺失狀態(tài)存在一定關(guān)系，額葉和枕葉多為共缺失型而島葉和顳葉多為非缺失型[17]。Zlatescu等[18]在間變性少突膠質(zhì)瘤患者群體中得出同樣的結(jié)論，并且他們發(fā)現(xiàn)共缺失型往往具有雙邊生長的特點。對此，研究人員認(rèn)為癌基因轉(zhuǎn)變事件僅僅發(fā)生在特定細(xì)胞來源或腦區(qū)域時才會有效，從而使得不同前體細(xì)胞來源的腫瘤表現(xiàn)出不同的影像學(xué)和病理學(xué)特點。少突膠質(zhì)瘤MRI圖像特征同樣與1p/19q共缺失狀態(tài)存在一定關(guān)系。共缺失型腫瘤T1WI和T2WI信號較混雜，邊緣模糊[19]。Jenkinson等[20]對33例少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤患者及53例星形細(xì)胞瘤患者腫瘤生長特征和基因型與MRI表現(xiàn)的研究表明，浸潤性生長在1p/19q未缺失型膠質(zhì)瘤中更為常見。同時，1p/19q未缺失型與共缺失型腫瘤相比，腫瘤邊緣更為光滑或銳利，但不同基因型瘤體細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影像學(xué)邊緣并無明顯差異。

文獻(xiàn)報道的1p/19q共缺失狀態(tài)與灌注和擴散成像參數(shù)之間的關(guān)系尚存爭議。有研究[21]表明1p/19q共缺失型腫瘤rCBV值更高，將ROC曲線閾值設(shè)為1.59時敏感性和特異性分別為92%和76%。與1p/19q未缺失型伴低rCBV值和1p/19q共缺失型伴高rCBV值相比，1p/19q未缺失型伴高rCBV值的膠質(zhì)瘤患者預(yù)后更差。該作者的另一項研究[22]表明，1p/19q未缺失型腫瘤的最大ADC值及ADC直方圖更高。然而Fellah等[23]認(rèn)為1p/19q未缺失型和共缺失型腫瘤的DWI、PWI及MRS表現(xiàn)并無顯著差異，但他們發(fā)現(xiàn)結(jié)合MRS，共缺失狀態(tài)可有效判斷低級別少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤的間變性，在不伴共缺失的膠質(zhì)瘤患者中，Cho/Cr＞2.4往往與間變的出現(xiàn)有關(guān)。相反，在伴共缺失的腫瘤患者中，當(dāng)Cho/Cr＞2.4時沒有觀察到間變性。

有學(xué)者通過對常規(guī)MRI圖像的紋理分析等方法來預(yù)測1p/19q 狀態(tài)。Zhou等[24]發(fā)現(xiàn)由T1WI、T2WI、T2 FLAIR以及T1WI增強序列所獲得的MRI紋理特征對165例低級別星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)瘤的共缺失狀態(tài)預(yù)測的靈敏度和特異度達(dá)到0.90%和89%。Rui等[25]基于T2 FLAIR的紋理分析也證實了少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤、IDH突變和共缺失之間影像特征的聯(lián)系。

盡管在各型膠質(zhì)瘤中的診斷作用并不完全一致，但共缺失狀態(tài)卻是評估放化療效果的有力指標(biāo)。研究證實，對比增強和瘤周水腫等影像學(xué)特征可有效預(yù)測伴共缺失型間變性少突膠質(zhì)瘤的預(yù)后[26]。臨床試驗也證實伴共缺失型間變性膠質(zhì)瘤患者在接受了放療和或烷化劑化療后的生存期更長[27]。

3 MRI成像評估TP53突變

TP53為腫瘤抑制基因，其編碼產(chǎn)物為P53蛋白，后者通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)下游的靶基因而發(fā)揮調(diào)節(jié)細(xì)胞周期阻滯、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、抑制血管生成、調(diào)節(jié)能量代謝作用，從而阻止DNA損傷和有絲分裂后異常染色體分布細(xì)胞的存活，抑制腫瘤形成、生長[28]。TP53基因突變發(fā)生在膠質(zhì)瘤形成早期，陽性率達(dá)到了47.5%，且與腫瘤的惡變進程有關(guān)，高級別膠質(zhì)瘤的陽性率顯著高于低級別膠質(zhì)瘤[29]。

TP53基因突變與特定腫瘤解剖位置有一定的相關(guān)性。突變型低級別膠質(zhì)瘤多位于雙側(cè)顳葉和島葉，而野生型腫瘤多位于額葉。這一解剖位置的特異性對腫瘤的預(yù)后可能也有影響，左內(nèi)顳葉和右前顳葉與P53的高表達(dá)高度相關(guān)，而位于這些區(qū)域的腫瘤的無進展生存期明顯差于其他區(qū)域[30]。但突變型高級別膠質(zhì)瘤多發(fā)生在側(cè)腦室前角周圍額葉區(qū)[31]。

不同的微血管密集度導(dǎo)致的水腫程度在MRI上表現(xiàn)為T2WI信號的差異。周東海等[32]分析了星形細(xì)胞瘤瘤周水腫MRI評分與腫瘤組織P53蛋白的相關(guān)性。他們發(fā)現(xiàn)隨著瘤周水腫MRI評分的增高，P53陽性細(xì)胞率亦隨之增加，因此MRI瘤周水腫表現(xiàn)可反映腫瘤組織P53蛋白的表達(dá)程度。Li等[33]從常規(guī)MRI圖像中提取影像組學(xué)數(shù)據(jù)建立的模型對低級別膠質(zhì)瘤的TP53狀態(tài)的預(yù)測精確度達(dá)到了80%和70.7%，較單個影像特征的預(yù)測效果有明顯優(yōu)勢。這些研究結(jié)果都符合TP53突變型腫瘤具有更高的微血管計數(shù)和血管內(nèi)皮生長因子過表達(dá)的病理學(xué)特征。

4 MRI成像評估MGMT啟動子甲基化

MGMT是一種DNA修復(fù)蛋白，可移除DNA上鳥嘌呤氧6位點致突變的烷基加合物，使受損的鳥嘌呤恢復(fù)，從而能夠保護細(xì)胞免受烷化劑的損傷。因此，MGMT的高表達(dá)會影響烷化劑的療效，這也是細(xì)胞對烷化劑類藥物產(chǎn)生耐藥的分子基礎(chǔ)。甲基化狀態(tài)有助于預(yù)測腫瘤治療效果，但是關(guān)于MGMT在腦膠質(zhì)瘤中的陽性表達(dá)與腫瘤病理的關(guān)系仍有爭議。Yuan等[34]認(rèn)為高級別膠質(zhì)瘤中MGMT的陽性率顯著低于低級別膠質(zhì)瘤，另一部分學(xué)者得到相反的結(jié)果[35]。

文獻(xiàn)報道了常規(guī)影像特征如腫瘤位置、體積、增強、侵襲及水腫對MGMT甲基化的預(yù)測價值，但尚未達(dá)成共識。Kor fiatis等[36]認(rèn)為MGMT甲基化狀態(tài)與腫瘤的大小無明顯相關(guān)性，而與腫瘤的發(fā)生部位相關(guān)。甲基化腫瘤多發(fā)生于左額葉，未甲基化腫瘤多發(fā)于顳枕葉。Ellingson等[37]認(rèn)為MGMT啟動子甲基化型膠質(zhì)瘤通常位于左半球，未甲基化型多位于右半球。他們還觀察到了甲基化和未甲基化腫瘤的T2 FLAIR高信號容積具有顯著差異，甲基化腫瘤容積明顯小于未甲基化，而兩者的對比增強體積卻無明顯差異，說明甲基化腫瘤的水腫程度要小于未甲基化腫瘤。

MGMT甲基化腫瘤具有較為一致的擴散特點，其ADC值、ADC比值及最小ADC值較非甲基化腫瘤大，提示甲基化腫瘤更高的異質(zhì)性和較低的細(xì)胞結(jié)構(gòu)性[38-39]。Han等[40]的研究不僅表明ADC值比rCBV值對MGMT甲基化狀態(tài)的預(yù)測價值更高，并且聯(lián)合腫瘤位置與囊變特征可獲得更高的AUC。Kanas等[41]使用MRI 3D容積模型對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的MGMT甲基化狀態(tài)預(yù)測精確度達(dá)到了73.6%，其中水腫/壞死容積比、腫瘤/壞死容積比、水腫容積和腫瘤分布及增強特點的預(yù)測價值最高。Han等[42]使用膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的軸向MRI圖像構(gòu)建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來預(yù)測MGMT甲基化狀態(tài)，為進一步了解膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中MGMT甲基化的影響提供了新的視角。

以上結(jié)果說明，盡管MGMT啟動子甲基化在增強化療敏感性方面的作用已得到廣泛認(rèn)可，但MGMT狀態(tài)與膠質(zhì)瘤MRI成像特點關(guān)系的研究還不足，各作者的結(jié)果往往不一，有待進一步的研究。

5 MRI成像評估其他分子遺傳改變

目前還有許多與膠質(zhì)瘤相關(guān)的基因及其分子標(biāo)志物被相繼發(fā)現(xiàn)并獲得研究。ATRX基因突變通過端粒替代延長機制參與膠質(zhì)瘤的發(fā)生，其缺失通常與IDH基因突變聯(lián)合發(fā)生而與1p/19q 共缺失拮抗發(fā)生，其突變狀態(tài)可通過動脈自旋標(biāo)記成像加以分辨[43]。EGFR過表達(dá)可促使腫瘤細(xì)胞惡性侵襲。研究認(rèn)為動脈自旋標(biāo)記成像獲得的腦血流量圖與EGFR變體III狀態(tài)具有相關(guān)性[44]，中位相對腦血容量、最大腫瘤血流量和相對腫瘤血流量都與EGFR表達(dá)呈顯著正相關(guān)?；隗w素的影像組學(xué)分析對EGFR表達(dá)狀態(tài)的預(yù)測準(zhǔn)確度達(dá)到了90%[45]。

6 小結(jié)

影像基因組學(xué)是聯(lián)合應(yīng)用新型MRI成像和數(shù)據(jù)分析技術(shù)來判斷影像特征與不同分子表型之間的關(guān)系，可對膠質(zhì)瘤特異性分子遺傳學(xué)變異進行更為深入地分析。膠質(zhì)瘤分子遺傳學(xué)特性與多種影像技術(shù)的結(jié)合將是未來膠質(zhì)瘤分子診斷與治療的必然趨勢。關(guān)于膠質(zhì)瘤的影像基因組學(xué)研究尚處于起步階段，目前尚存在一些局限性，如病例數(shù)少，多為回顧性研究，基因樣本與影像指標(biāo)不能一一對應(yīng)，多采用常規(guī)MRI序列等。盡管已經(jīng)確定了大量有潛在價值的影像基因組學(xué)生物標(biāo)志物，但由于不同的儀器獲得的影像特征的一致性仍是一個重要的問題，因此需要未來進行更加廣泛的多中心驗證研究。