影像基因组学在结直肠癌肝转移诊疗中的应用进展

王云，殷小平

(1.河北大学附属医院，河北 保定 071000;2.河北大学临床医学院，河北 保定 071000)

癌症在世界范围内影响着人体健康，是人口死亡的主要原因[1]，而结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是常见的恶性肿瘤之一。据有关研究统计，近年来其发病率及病死率不断上升，在中国的恶性肿瘤中均居前5位[2]。因为肝脏独特的血流循环特点使得肝脏成为结直肠癌血行转移最常见的器官，近半数的结直肠癌患者在疾病进展过程中会发生肝脏转移[3]，影响患者预后的因素之一就是结直肠癌肝转移瘤(colorectal liver metastasis，CRLM)的治疗。有文献[4]报道，患者5 年生存率中完全切除肝转移灶者比肝转移灶未经治疗者高约40%。因此，改善结直肠癌患者预后的关键之一就是尽早发现肝转移灶并治疗。

1 影像组学在结直肠癌肝转移中的诊疗进展

近年来，医学图像分析领域快速发展，模式识别工具的进展促进了定量特征提取过程的开发，这种将图像转换为可挖掘数据并通过分析数据以辅助决策支持的技术被称为影像组学[5]。影像组学通过从影像图像中提取大量的影像定量特征从而详尽地解析图像信息，在肿瘤的诊断、分级分期、疗效评估和预后预测等方面相对于传统影像诊断明显提高[5-7]，能为临床提供专业指导，提高患者的生存质量。

1.1 影像组学在结直肠癌肝转移诊断中的应用

随着影像技术的进步，常规影像检查技术对于肿瘤较大、表现典型的CRLM均能有效检出，但因肝脏血流动力学的复杂性以及肝实质背景在人群中的差异性，对于不典型或微小肝转移瘤，各种影像检查方法表现不尽相同，现有的影像检查方法发现部分微转移灶或隐匿转移灶难度较高，能够及早发现患者有无肝转移瘤是临床工作中的重点及难点。有学者对29例结直肠癌患者的无病肝实质的CT增强门静脉期图像进行纹理分析[8]，按无肝转移情况、同时性肝转移情况及18个月内的异时性肝转移情况将所有病例分为3组，结果发现同时性肝转移组的部分纹理特征与无肝转移组的纹理特征有统计学意义。Ganeshan等[9]研究了结直肠癌有肝转移瘤及无肝转移瘤患者的肝脏CT平扫图像，发现两者的熵值及均匀度存在差异。

1.2 影像组学在结直肠癌肝转移疗效评估中的应用

CRLM患者中初始可切除的肝转移患者不到所有肝转移患者的30%，部分无法手术切除转移灶的患者经过转化治疗后，在手术前的肝脏影像图像中可消失，但是术中仍能探及部分转移灶，且其中约半数病灶含有活性的肿瘤细胞[10]。正因为影像组学方法可以深入地挖掘肿瘤治疗前后相关特征的细微变化，使得CRLM患者能获得精准有效疗效评估。

Dohan等[11]对230例结直肠癌肝转移患者(训练组120例、验证组110例)化疗前和化疗2个月后的CT门静脉期图像进行纹理分析，建立一个疗效预测模型，该模型与化疗6个月的实体瘤疗效评价标准结果相同，可见影像组学特征能比实体瘤疗效评价标准更早地评价肿瘤的化疗效果。Dercle等[12]用治疗放射学特征预测结直肠癌肝转移患者对伊立替康、5-氟尿嘧啶和亚叶酸(FOLFIRI化疗方案)单独或联合西妥昔单抗的肿瘤敏感性，发现该特征在提供治疗敏感性的早期预测方面优于KRAS突变状态和肿瘤收缩率等，并可用于指导西妥昔单抗治疗的持续决策，放射学反应特征可以作为整体生存的中间替代标记。张菁等[13]应用影像组学分析了82例结直肠癌肝转移接受化疗联合靶向治疗的患者治疗前的CT门静脉期图像，根据疗效评价标准将病例分为反应组和无反应组，发现2组在治疗前的CT图像中的熵、方差、偏度和百分位数95th等均有统计学意义。胡飞翔等[14]研究了34 例结直肠癌肝转移患者的132 枚转移瘤病灶，根据化疗效果分为治疗缓解组和非缓解组，通过直方图纹理参数分析治疗前 CT 门静脉期图像，发现这2组的均值、偏度、方差和百分位数间差异有统计学意义。

已报道的大部分研究都是基于CT图像，也有部分专家研究了MRI图像，同样发现影像组学特征可以预测肝转移瘤疗效。Zhang等[15]研究26例结直肠癌肝转移患者化疗前全肝MRI中的T2加权图像，提取5个直方图特征和5个灰度共生矩阵特征，最终发现方差和角二矩阵(ASM)的预测性能最好。

1.3 影像组学在结直肠癌肝转移预后预测中的应用

结直肠癌肝转移患者经过积极的手术切除、射频和化疗靶向治疗等主要手段治疗，有些患者可获得长达10年的高质量的生存期，也有部分患者仅获得短的无瘤生存间期。个体差异使得个体化治疗尤为重要，识别风险因素可以使临床医生为复发风险更高的患者制定监测策略。国内外学者对于CRLM不同肿瘤负荷患者的评分分层及预测预后，提出了诸多评分系统[16]，但效果也是不尽相同。而影像组学可以深度发现个体图像的纹理差异，使得预测预后成为可能。梁和月等[17]搜集了对治疗后短期复发与无复发患者的全肝MRI 门静脉期图像，对数据进行强化率直方图分析，证实了在肝转移瘤患者中肝实质背景存在异质性。Miles 等[18]在研究结直肠癌患者的肝脏增强 CT 门静脉期图像和灌注CT图像时发现，与灌注定量参数相比，门静脉期影像的纹理特征能更好地预测患者的生存期。

但也有学者应用影像组学并未发现相关特征能够预测患者预后。Lee等[19]搜集了29例CRLM患者(在CT检测到的肝转移灶前的最后一次扫描)及60例无肝转移的结直肠癌患者，应用影像组学的方法分析肝脏CT门静脉图像，并未找到差异有统计学意义的纹理特征。

2 影像基因组学在结直肠癌肝转移中的诊疗进展

影像基因组学是将影像学特征(如病灶大小、形状、密度、强化特点、纹理特征等)与基因组学的数据整合，并深度开采两者之间的关联信息，发现能够反映基因表达或多态的影像特征，从而深刻认识疾病的发生、发展状态[20]，影像基因组学有望通过无创、常规的影像学检查方法了解疾病的基因表达谱。随着技术的不断进步，近几年影像基因组学在全身疾病中得到了广泛研究。许多学者对肺癌影像组学特征与EGFR突变[21-23]、ALK重排[24-25]的相关性都做了研究报道。在乳腺癌的诊疗中，不少学者发现乳腺癌在基因序列水平[26]、基因表达水平[27]及分子亚型水平[28]均与影像特征相关联。张旭婷等[29]对15例Xpll.2/TFE3基因融合相关性肾癌患者的影像图像进行分析，发现该类型肾癌的CT及MRI图像中存在一定的特征性表现。而影像基因组学在前列腺癌方面的研究也取得了一些进展[30]。

结直肠癌是一种异质性肿瘤，它的发生、发展由多种因素共同作用影响。人类的生活习惯如高脂肪饮食等是增加结直肠癌发病的重要危险因素[31]，而除了外界因素影响，也受内在遗传基因的影响[32]。朱晓丽等[33]研究认为，获知结直肠癌中基因突变情况能有效地为临床制定治疗方案和判断预后提供方向，从而为患者制定复发监视策略。

2.1 结直肠癌肝转移中关于KRAS/NRAS/BRAF突变的影像基因组学研究

2.1.1 结直肠癌肝转移中的KRAS/NRAS/BRAF突变临床意义

KRAS基因与结直肠癌的发病和进展有关[34-35]。其突变可造成患者对EGFR抑制剂耐药，肿瘤对分子靶向药物的反应较差[36]。林奇等[37]研究了139例同时性结直肠癌肝转移患者的病理资料，发现如果结直肠癌患者的原发灶中存在KRAS 突变，则肝转移灶中发生该基因的突变率就很高。

NRAS基因突变可使细胞无序的恶性增殖和促进转移[38]，在现有报道中结直肠癌中NRAS基因突变的情况并不多见。

BRAF基因突变可致药物效果变差，使癌细胞凋亡效果降低，从而加重细胞扩散患者的病情，有研究[39]发现，肿瘤分化程度较低的患者BRAF基因突变率较高。转移性结直肠癌患者癌组织中常见BRAF基因V600E突变[40]。

2.1.2 影像学与KRAS/NRAS/BRAF突变在结直肠癌肝转移中的联合应用

Yang等[41]研究分析了117例结直肠癌患者(训练组61例、验证组56组)治疗前的CT增强门静脉期图像及KRAS/NRAS/BRAF 基因的突变，采用RELIEFF算法和支持向量机方法选择关键特征并建立放射学特征，最后发现影像组学特征与KRAS/NRAS/BRAF突变有显著相关性。何家鸿等[42]分析了58 例结直肠癌患者的治疗前18F-FDG PET 数据及其 KRAS 基因资料(其中19 例为 KRAS 基因突变型，39 例为野生型)，最终筛选出14个PET纹理参数可用于预测KRAS 基因表达状态。Lubner等[43]对77例结直肠癌肝转移患者治疗前的肝脏CT增强图像中的单个肝转移灶进行了纹理分析，发现纹理参数与肿瘤分级、血清CEA和KRAS突变状态相关，其中偏度与KRAS突变呈负相关。

2.2 结直肠癌肝转移中关于微卫星不稳定性的影像基因组学

2.2.1 结直肠癌肝转移中微卫星不稳定性临床意义

微卫星(microsatellite)是一种短串联重复序列[44]，该序列DNA复制稳定性差，容易发生错配即为发生微卫星不稳定性(microsatellite instability,MSI)。MSI能够导致正常基因突变及不断积累，从而产生多重突变，形成肿瘤基因，使得机体产生肿瘤[45]。高频微卫星不稳定(microsatellite high instability,MSI-H)指在2个或者2个以上位点发生MSI现象；低频微卫星不稳定(microsatellite low instability,MSI-L)则是MSI现象仅在一个位点发生；无位点发生MSI现象称为微卫星稳定(microsatellite stability,MSS)[46-47]。MSI对预测肿瘤恶性程度、发病机制有指导作用，还可以为临床选择治疗方案和预后判断提供方向[48]。研究[49-50]表明，MSI-H可作为生物标志物指导临床对结直肠癌肝转移患者行免疫治疗，通过免疫药物的转化治疗，使得转移灶切除手术成为可能，从而进一步延长生存期，提高患者生活质量。

2.2.2 影像学与MSI在结直肠癌肝转移中的联合应用

武敬君等[51]分析了23例MSI结直肠癌(MSI组)及46例MSS结直肠癌(MSS组)患者的能谱CT的动脉期及静脉期碘(水)图像，发现MSI组动脉期及静脉期最小值、最大值、平均值、中位值、均匀性均明显低于MSS组，MSI组静脉期的熵明显高于MSS组，ROC曲线分析显示单一参数在术前预测结直肠癌MSI状态的AUC为0.64～0.82，多参数联合的Logistic回归模型联合预测的AUC为0.83。虽然肝转移灶与原发灶有同一性，但是基于肝转移灶的纹理特征与MSI尚无相关报道。

3 小结

影像组学及影像基因组学能够以无创性、成本较低等特点在临床医学的研究中广泛应用，但其作为新兴领域，现还处于初级阶段，尚有许多局限性，例如：(1)应用影像组学的研究数据大多来自小样本、单中心，而多中心的大数据因扫描设备、扫描条件等的不同，是否能在影像组学方面广泛应用；(2) 图像勾画及分割缺乏可重复性等。

未来对于影像工作者的要求也越来越严格，(1)尽可能地数据共享，建立多中心、大数据的病例集；(2)在影像组学及影像基因组学广泛应用中，做好图像的质量控制，尽量减少甚至解决图像采集校准、采集参数和机型不同造成的差异；(3)尽可能开发出通用于所有医学图像的分割算法，从而解决图像勾画和分割缺乏可重复性的问题；(4)在结直肠癌肝转移方面，影像基因组学的研究尚不多，寻找更多的组学特征进一步指导临床工作。

尽管各位专家的研究对象缺乏一致性，研究目的不尽相同，研究结果也各有差异，但影像组学在结直肠癌肝转移中的可应用性是有目共睹的，这将支持影像组学及影像基因组学在临床肿瘤诊疗中的进一步应用。