李 煒，倪才方

隨著20 世紀90 年代基因組學研究飛速發(fā)展，人們開始意識到癌癥是一種基因疾病，并在基因水平研究人類疾病，以期根據(jù)腫瘤特定基因構成，制定出更加精準的癌癥治療方法[1]。美國前總統(tǒng)奧巴馬在2015 年國情咨文中宣布精準醫(yī)療計劃（Precision Medicine Initiative），精準醫(yī)療本質(zhì)上就是個性化醫(yī)療。為了迎合精準醫(yī)療時代全新的治療理念，診斷檢查必須做到充分、全面、多層次。這要求檢查不應局限在單個致癌缺陷上，而應涵蓋腫瘤基因與分子多樣性，以做到對某一治療的精準預測、精準指導及精準監(jiān)測。影像組學與基因組學信息可以幫助其實現(xiàn)[1-2]。

原發(fā)性肝癌（PLC）是最常見的惡性腫瘤之一，同時也是癌癥相關死亡最主要原因之一。其中，肝細胞癌（HCC）是PLC 中最常見的一種，全世界約一半PLC 新增病例及死亡發(fā)生在中國[3-5]。雖然有研究表明HCC 早期發(fā)現(xiàn)并接受手術治療可獲得較好結局，尤其是＜2 cm 早期HCC，5 年生存率遠高于腫瘤較大者，但由于缺乏明顯的早期癥狀和特異性生物標記物，HCC 常難以早期診斷[4]。

目前HCC 治療方法繁多，除了傳統(tǒng)外科切除和肝移植外，還包括消融治療、經(jīng)導管動脈化療栓塞術（TACE）等多種介入治療手段[6]。然而基于分子標記物的HCC 分類方案尚未常規(guī)應用于手術病理和臨床治療[7]，大大限制了對HCC 的精準治療。

隨著醫(yī)學成像技術、影像分析技術進步及高通量算法發(fā)展，影像學研究將迎來嶄新一頁。影像組學和基因組學相結合的影像基因組學（radiogenomics），勢必會在HCC 診治過程中發(fā)揮重要作用，通過構建并驗證影像基因組學模型實現(xiàn)更優(yōu)化的患者分層管理，制訂個體化治療方案，預測治療反應[8]。

1 HCC 異質(zhì)性

瘤內(nèi)異質(zhì)性被看作是腫瘤固有特征，越來越多研究認為瘤內(nèi)異質(zhì)性是影響治療失敗和腫瘤復發(fā)的關鍵因素[9]。近期研究發(fā)現(xiàn)，HCC 是一種具有顯著異質(zhì)性的疾病，其異質(zhì)性可表現(xiàn)為不同腫瘤或同一腫瘤不同部位的生長特點、細胞構成及分化程度不同。除了形態(tài)學與分化程度異質(zhì)性，HCC 異質(zhì)性還表現(xiàn)在免疫組化標記物與基因表達不同[10-11]。此外，HCC 瘤內(nèi)異質(zhì)性與分化程度和增殖活動相關。有研究發(fā)現(xiàn)，瘤內(nèi)異質(zhì)性與腫瘤大小存在明顯關聯(lián)，在直徑為3～5 cm HCC 中瘤內(nèi)異質(zhì)性發(fā)生率為64%，而在直徑＜2 cm HCC 中瘤內(nèi)異質(zhì)性比例為25%～47%[12-13]。

Friemel 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，瘤內(nèi)異質(zhì)性主要表現(xiàn)在形態(tài)學、免疫表型、CTNNB1 與TP53 的基因突變3 個方面。該研究在87%（20/23）腫瘤中觀察到了形態(tài)學異質(zhì)性，在39%（9/23）腫瘤中觀察到免疫組化標記物表達異質(zhì)性，且伴有形態(tài)學異質(zhì)性；僅22%（5/23）腫瘤具有基因異質(zhì)性，同時伴有形態(tài)學和免疫表型異質(zhì)性。該研究進一步證實，隨著腫瘤生長，瘤內(nèi)異質(zhì)性程度也會增加。

鑒于腫瘤異質(zhì)性存在，臨床實踐中對不同腫瘤或同一種腫瘤不同個體，甚至同一個體腫瘤發(fā)展不同階段，均應采用不同治療方案。能否獲得可全面反映腫瘤生物學行為和分子特征的信息，成為影響治療效果的關鍵。為了尋找更加合適的腫瘤標記物，從而實現(xiàn)腫瘤早期診斷、更好地預測預后和治療效果，以基因表達為主的分子層次信息與影像學方法相融合的影像基因組學應運而生。

2 影像基因組學的發(fā)展

2.1 發(fā)展過程

“Radiogenomics”一詞最早于2002 年出現(xiàn)在《Radiotherapy ＆ Oncology》期 刊[14]，2003 年 歐 洲放射治療與腫瘤學學會（ESTRO）年會上被再次提出[15]。最初，影像基因組學主要指涉及患者遺傳基因與其對放射治療敏感性間關系的研究。之后，Segal 等[16]學者將影像基因組學定義為一種建立基因表達譜數(shù)據(jù)與影像學特征相關聯(lián)的新技術。

盡管影像組學（radiomics）與影像基因組學名稱上十分相近，但兩者研究內(nèi)容大不相同。影像組學主要是從醫(yī)學圖像中提取定量信息，而影像基因組學主要涉及影像學特征與基因信息相關聯(lián)研究[17]。

影像基因組學標志著影像學從最初的解剖水平向基因水平的深入。影像基因組學研究中影像學圖像反映了基因和分子水平變化結果，因此從影像學圖像處理分析獲得信息也可反映組織潛在表型和基因特征。影像基因組學主要研究對象是關聯(lián)影像學特征與基因表達信息、基因突變及其它基因特征，深入了解腫瘤生物學性質(zhì)并把握腫瘤固有的異質(zhì)性，其最終目的是獲得預測預后的影像學生物標記物，作為基因檢測的替代物[18]。

2.2 研究過程

影像基因組學研究過程主要可分為3 個基本方面：①影像組學部分，包括圖像采集、腫瘤分割、影像特征提??；②基因組學部分，包括基因組數(shù)據(jù)量化與分析；③計算部分，包括建立數(shù)據(jù)庫、關聯(lián)基因組與圖像特征、驗證結果[19]。

在影像組學部分，第一步需要獲得用于診斷和評估的高質(zhì)量和標準化影像學圖像。為獲得更理想的分析結果，選擇病例時應避免過于異質(zhì)性。同時采集圖像應盡量選擇相同型號或相同類型掃描設備，并選擇合理的掃描參數(shù)，如層厚、像素、管電壓等[20-21]；第二步腫瘤分割，指利用現(xiàn)有手動、半自動和自動方法分割感興趣區(qū)（ROI）。目前常用分割算法有圖形切割法、活動輪廓法、區(qū)域生長法和水平集法等[21]。雖然放射診斷醫(yī)師手動勾畫ROI 可能存在觀測者間差異，且人力成本和時間投入相對較高，但其仍被視為勾畫ROI“金標準”[22-24]。

分割完成后，需從ROI 提取影像學特征數(shù)據(jù)?；诮y(tǒng)計劃分，這些數(shù)據(jù)通常分為紋理特征、形態(tài)特征和語義特征。紋理特征指由一幅圖像導出的特征，通過各種數(shù)學方法提供圖像不同灰度級相對位置信息，從而量化腫瘤異質(zhì)性[25]；形態(tài)特征指通過計算ROI 描述腫瘤特征（常用的有緊密度、三維直徑、球形不均勻度、球形度、表面積、體積等），主要提供腫瘤三維大小和形狀等相關信息，并不涉及腫瘤異質(zhì)性；語義特征指常用于描述ROI的相關詞匯，如尺寸、形狀、位置、血管分布、毛刺和壞死等[21-22]。

完成對影像學特征數(shù)據(jù)提取后，這些數(shù)據(jù)將會編譯至一安全、可發(fā)掘的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由高通量微陣列分析獲得，并與基因組學數(shù)據(jù)相關聯(lián)。通過機器學習和統(tǒng)計分析建立影像學特征與基因組數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)間對應，進而建立影像基因組學模型。應用該模型預測特定圖像信息的基因表達譜，進而對患者進行危險分層，制定個體化治療方案，預測治療反應。

3 影像基因組學在HCC 中的應用

目前關于影像基因組學在腦膠質(zhì)瘤、肺癌、腎癌等腫瘤中應用的報道較多，但在HCC 中應用的報道仍較少[26-28]。Segal 等[16]2007 年報道發(fā)現(xiàn)PLC 許多基因表達譜均與其影像學特征密切關聯(lián)，28 個影像學特征不同組合可反映出包含細胞增殖、肝臟合成功能和患者預后等信息的大部分基因表達情況；還發(fā)現(xiàn)預測任意一個基因表達變化平均需要3 個影像學特征，而任何情況下均不會需要超過4 個影像學特征。在此基礎上，可通過非侵入影像學手段反映人類HCC 基因活動，使無創(chuàng)、連續(xù)且快速的分子分析應用于個體化醫(yī)療實踐。

早前有研究也證實微血管侵犯（microvascular invasion, MVI）是與HCC 切除或肝移植后早期復發(fā)有關的主要危險因素[29]。目前診斷MVI 主要依靠組織病理學手段，臨床應用較局限[30]。因此，早期針對HCC 影像基因組學的研究重點是應用影像學方法檢測MVI。Segal 等[16]在研究中共發(fā)現(xiàn)91 個與血管侵犯相關基因和2 個關鍵影像學特征。此外，研究者們還將腫瘤侵襲能力、基因組數(shù)據(jù)和定性影像特征聯(lián)系在一起[16,31-32]。通過傳統(tǒng)增強CT 獲取的圖像可反映HCC 基因表達，影像基因組學手段應用使得腫瘤影像學特征與其基因表達形成對應[33]。Banerjee 等[31]提出一基于增強CT 的影像學標記物——影像基因?qū)W靜脈侵犯（radiogenomic venous invasion, RVI），與病理學MVI 相對應。RVI 影像學特征主要包括內(nèi)部動脈血供、環(huán)形低密度影以及腫瘤與鄰近肝實質(zhì)過渡區(qū)域，這些特征在以往研究中被證實與血管侵犯基因相關聯(lián)。在該研究中，RVI 可準確預測病理學MVI，且術前增強CT 圖像中出現(xiàn)RVI 與術后總體生存期較差和早期復發(fā)密切相關。

此外，Peng 等[34]通過采集增強CT 動脈期和門靜脈期圖像特征成功構建影像組學刻線圖，用于術前預測乙型肝炎病毒相關HCC 是否存在MVI，并在訓練集與測試集中均獲得較高的準確度。Bakr 等[35]也肯定增強了CT 動脈期和門靜脈期圖像特征在預測MVI 中的作用。Zhou 等[36]則通過增強CT 圖像中提取的影像學特征建立影像組學標簽，其預測HCC 切除術后早期復發(fā)的靈敏度、特異度分別為0.794、0.699；進一步研究發(fā)現(xiàn)將這一標簽與臨床因素結合，可顯著提高預測的敏感度和特異度。由此可見，增強CT 圖像中提取的特征可作為一種無創(chuàng)、可重復的影像學生物標記物用于預測MVI 和治療效果，但仍需要大樣本研究進一步驗證。

4 影像基因組學在HCC 介入治療中的應用前景

介入分子影像學作為分子影像學的重要分支，在分子影像學與靶向治療間起到了重要的橋梁作用，有助于實現(xiàn)疾病精準靶向和個體化治療[37]。在此基礎上，影像基因組學方法構建模型可應用于HCC 介入治療全過程，并能發(fā)揮穿刺活檢指導、制定個體化治療方案、預測藥物反應，預測介入治療效果等重要作用。目前獲取肝內(nèi)病灶組織標本的方法主要有手術切除和穿刺活檢兩種，對失去手術切除機會患者進行腫瘤組織病理和基因檢測需要對靶病灶穿刺活檢。傳統(tǒng)穿刺取材策略重點是在腫瘤組織本身而非HCC 生物學行為。此外，組織取材時若未充分考慮腫瘤異質(zhì)性，則可能導致病理或基因檢測結果無法全面反映腫瘤細胞構成和基因表達情況[7]。為了更全面地反映腫瘤生物學行為，《原發(fā)性肝癌診療規(guī)范（2017 年版）》強調(diào)應當多點取材[6]。介入醫(yī)師依據(jù)影像基因組學模型，可以更好地區(qū)分腫瘤內(nèi)不同區(qū)域，并根據(jù)需要對特定組織選擇性取材，提高診斷陽性率。

為了明確藥物反應基因表達程序是否可與影像學特征相關聯(lián)，Kuo 等[38]選擇HCC 介入治療中最常用的阿霉素進行研究，發(fā)現(xiàn)腫瘤邊緣相關影像學特征與阿霉素反應轉(zhuǎn)錄程序、血管侵犯及腫瘤分期密切相關，較高的腫瘤邊緣評分提示阿霉素抵抗轉(zhuǎn)錄程序、廣泛血管侵犯及更差的腫瘤分期。

近來對HCC 紋理分析的關注度逐漸增加，有研究者通過評估定量影像學特征預測TACE 療效，對患者進行分層管理。早期研究將CT 紋理特征與手術切除和TACE 治療后生存期相關聯(lián)。Park 等[39]回顧性分析132 個HCC 病灶TACE 術前CT 圖像，發(fā)現(xiàn)CT 圖像可用于預測TACE 治療HCC 效果，其中動脈期增強更明顯、灰度共生矩陣力矩更高、同質(zhì)性更低、體積更小的腫瘤更易在TACE 術后獲得完全緩解，并認為腫瘤異質(zhì)性增加可反映腫瘤形成過程中非成對血管數(shù)量和分布范圍增加。

另一項初步觀察性研究結果顯示，TACE 術后病理學組織壞死與術前造影所示腫瘤明顯強化和供血血管直徑＞0.9 mm 顯著相關[40]。還有研究通過比較TACE 術前與術后MRI 發(fā)現(xiàn),術前MRI 所示更高的表觀彌散系數(shù)（ADC）也與術后腫瘤完全緩解和部分緩解緊密相關[41]。除了傳統(tǒng)CT、MR等手段獲取圖像外，有研究者采用術前18F-氟脫氧葡萄糖（FDG） PET/CT 圖像預測接受90Y 栓塞治療后患者生存情況，發(fā)現(xiàn)18F-FDG PET/CT 中獲取的影像組學標簽可作為一獨立預測因素反映接受90Y 栓塞治療患者生存期[42]。這些研究證明影像學在優(yōu)化患者與治療方法選擇方面，具有潛在的應用價值。

5 結語

影像基因組學在腫瘤治療中具有可實時監(jiān)測腫瘤狀態(tài)并在時間與空間上更全面等優(yōu)勢。目前HCC 基因圖譜已闡明，并可通過檢測HCC 基因表達預測療效。影像基因組學可將HCC 患者影像特征、臨床分期、生物學因子等進行整合，作為一種無創(chuàng)、方便、廉價、可定量、可重復的方法應用于臨床上HCC 治療，并成為必然趨勢。隨著影像基因組學研究發(fā)展，有望在未來實現(xiàn)真正意義上的個體化治療。