基于对比增强T1WI直方图分析预测多形性胶质母细胞瘤IDH1突变状态

陈鑫，张国琴，阮秀杭，魏新华

图1 ROI勾画方法。a)平扫T1WI，示右侧顶枕叶囊实性病灶；b)对比增强T1WI，在强化的肿瘤实质区域勾画ROI。

胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)是最常见的颅内原发肿瘤之一，预后差。即使采用标准治疗方案(手术切除和辅助替莫唑胺化疗)，患者的中位生存时间仅15个月左右[1]。临床因素如年龄、KPS、肿瘤切除范围和治疗方法是胶质瘤的重要预后因素[2,3]。最近发现分子标志物如异柠檬酸脱氢酶1(isocitrate dehydrogenase，IDH1)突变、甲基-鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT)基因启动子甲基化、1p19q共缺失、肿瘤蛋白P53(TP53)基因、端粒酶逆转录酶(TERT)基因和X连锁地中海贫血/智力低下综合征基因(ATRX)与胶质瘤预后密切相关，其中，IDH1突变是一个关键的与预后相关的分子标志物[4-6]。因此，治疗前精确预测IDH1突变有重要的临床意义。目前IDH1突变状态的检测主要依赖于手术后病理组织学检查，但该方法有创且可能出现标本误差。磁共振成像是GBM患者最常用的检查方法，有研究表明，利用扩散张量成像(diffusion tensor image，DTI)和氨基质子转移成像可用于预测高级别胶质瘤的IDH1突变状态[7-8]，但DTI和氨基质子成像均属于磁共振功能成像，在临床中应用少且额外增加患者的检查时间和费用。直方图分析通过分析不同灰度强度值的分布情况，可挖掘更多的图像信息，有研究者发现灰度直方图分析可用于儿童后颅窝肿瘤的鉴别诊断[9]。因此，本研究旨在探讨基于增强后T1WI的直方图参数在预测GBM的IDH1突变状态中的价值。

材料与方法

1.一般资料

搜集我院2010年1月-2018年12月经手术病理确诊为GBM的116例患者的MRI和临床资料。其中IDH1野生型组96例，男57例，女39例，年龄21～77岁，平均(57.1±11.3)岁；突变型组20例，男10例，女10例，年龄24～68岁，平均(39.9±14.2)岁。排除标准：增强后T1WI上有明显伪影影响图像分析者；未做IDH1突变状态检测的患者。

2.检查方法

使用Siemens Verio 3.0T或Philips Achieva 1.5T MR扫描仪进行头颅MRI扫描，分别使用12通道和8通道的头颅线圈。采集序列包括横轴面T1WI、T2WI、FLAIR和对比增强T1WI。Siemens MR机扫描参数：T1WI，TR 2000 ms，TE 9 ms；T2WI，TR 6000 ms，TE 95 ms；FLAIR，TR 7000 ms，TE 90 ms，TI 2200 ms。Philips MR机扫描参数：T1WI，TR 499 ms，TE 15 ms；T2WI，TR 3551 ms，TE 100 ms；FLAIR，TR 6000 ms，TI 2000 ms，TE 120 ms，层厚6.0 mm，层数18，视野230 mm×230 mm。对比增强增强T1WI扫描，对比剂为Gd-DTPA，剂量0.1 mmol/kg，注射流率2.0 mL/s，扫描参数同平扫T1WI。

3.图像分析

从PACS中导出DICOM格式的头颅常规MR图像，并采用白条纹法[10]对图像对比度做标准化处理。以平扫T1WI为参考，由两位分别具有5年和15年神经影像诊断经验的初级和高级医生使用Image J软件，在强化的肿瘤实质部分手动勾画ROI(图1)，获得ROI的直方图参数，包括均值(mean)、标准差(standard divided，SD)、最小值(minimum)、最大值(maximum)、中位数(median)、峰度(kurtosis)和偏度(skewness)。

4.IDH1突变检测

使用免疫组织化学分析和肽核酸阻断聚合酶链反应(PCR)检测IDH1-R132H突变。采用单克隆抗体H09用于免疫组化分析，上述两种检测方法中有一项为阳性，即认为IDH1-R132H染色阳性，当患者IDH1-R132H免疫组化结果为阴性时，通过肽核酸阻断PCR方法来确定IDH1和IDH2状态，包括有无除IDH1-R132以外的罕见突变类型。

图2 四个直方图参数的ROC曲线。

5.统计学分析

两位测量者测量的各项直方图参数值的一致性评估使用组内相关系数(intra-class correlation coefficients，ICC)方法，当ICC>0.75时，认为测量者间一致性好。采用Kolmogorov-Smirnov方法检验各个直方图参数值是否符合正态分布，若符合正态分布，数据以平均数±标准差表示，IDH1突变组和野生型组的直方图参数比较采用独立样本t检验；如不符合正态性分布，则采用中位数(上、下四分位数)表示。使用Mann-WhitneyU检验比较两组间直方图参数值的差异。另外，对差异有统计学意义的直方图参数，绘制其受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线，并计算其诊断敏感度和特异度。所有统计学分析均使用SPSS 20.0软件。当P<0.05时认为差异有统计学意义。

结 果

1.测量者间的一致性评估

IDH1突变组中，均数、SD、最小值、最大值、中位数、峰度和偏度在两位测量者间的一致性均较好，ICC分别为0.88、0.79、0.91、0.85、0.89、0.87和0.76；IDH1野生型组中，上述直方图参数在两位测量者间的一致性均较好，ICC分别为0.93、0.83、0.89、0.81、0.88、0.85和0.90。所有参数的测量者间ICC值均大于0.75，表明一致性均较好。在后续数据分析中均使用第二位测量者的数据。

2.ADC直方图参数比较

两组中各项直方图参数的测量值均不符合正态分布(P<0.001)，故各项直方图参数的组间比较均使用Mann-WhitneyU检验，具体测量结果及组间比较见表1。

表1 IDH1基因突变组与野生型组直方图参数的比较

IDH1突变组的均数、最小值、最大值和中位数均大于野生型组，差异具有统计学意义(P<0.05)。两组间SD、峰度和偏度值的差异均无统计学意义(P>0.05)。

3.诊断效能

均数、最小值、最大值和中位数鉴别IDH1突变状态的ROC曲线下面积分别为0.758、0.729、0.684和0.764(图2)，其中以均数和中位数的诊断效能较好，分别以118.69和120.5为界值时，敏感度均为0.700，特异度均为0.677。

讨 论

IDH1突变在胶质瘤的发生和进展过程中有重要作用，有望成为未来治疗方法中的一个关键靶点[11]。2016年WHO将IDH1突变状态纳入到中枢神经系统肿瘤分类中，IDH1突变的胶质瘤患者的临床预后较好。IDH1基因编码的酶催化异柠檬酸氧化脱羧成α-酮戊二酸，产生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)，其在机体抗氧化损伤的防御机制中有重要作用，而IDH1突变导致α-酮戊二酸转化为D-2-羟基戊二酸，同时消耗NADPH，因此，IDH1突变的肿瘤细胞对放疗和/或化疗治疗期间的氧化损伤具有易感性，从而可被有效杀死，使得治疗效果较好，患者生存时间延长[4,12,13]。因此，确定胶质瘤的IDH1分子分型对临床决策有重要意义。本研究中利用增强后T1WI直方图参数来预测胶质母细胞瘤的IDH1突变状态，结果显示IDH1突变组和野生型组之间均数、最小值、最大值和中位数的差异有统计学意义(P<0.05)，其中均数和中位数有较好的预测价值。

图像灰度直方图分析反映了图像中某种灰度值出现的频率。本研究结果显示，IDH1突变组中增强后T1WI上病灶的直方图参数中均数、中位数、最小值和最大值的测量值均大于野生型组，说明野生型组中肿瘤的灰度值总体较突变组小，反映了IDH1突变型的肿瘤强化程度明显高于野生型肿瘤，也进一步说明IDH1野生型的肿瘤较突变型不均质。这与之前报道的IDH1突变型胶质瘤的病理生理学特征基本一致[14-15]，包括肿瘤的DNA超甲基化，肿瘤增殖、代谢活跃以及血管生成和血管化，肿瘤内坏死和微血栓减少。同时，Brendle等[16]发现动脉自旋标记成像参数中脑血流量(CBF)可预测肿瘤的IDH1突变状态。Kickingereder等[17]在一项对73例不同病理分级胶质瘤患者的研究中发现，动态磁敏感对比增强灌注加权成像参数中的脑血容量可鉴别IDH1突变型和野生型。上述研究结果表明，MR灌注成像技术具有预测脑肿瘤IDH1突变状态的潜力。

峰度和偏度是反映图像上瘤体灰度分布情况的2个特征值，峰度代表灰度值在中心的聚集程度，反映的是病变所有灰度值分布形态的陡缓程度，其值越大，表示灰度值越集中，也间接提示肿瘤较均质；偏度则用来描述特征值分布曲线的偏斜度，反映病变灰度值分布的对称性，其绝对值越大，表明肿瘤灰度值分布形态偏移程度越大[18]。已有研究表明这两个参数可用于评估宫颈癌放化疗的疗效和术前预测胶质瘤的分级[18-19]。但本研究中并未发现两者在预测GBM的IDH1突变状态中的价值，这可能由于GBM中IDH1突变的发生率较低，同时本研究的样本量小，有待扩大样本量进行进一步验证。

本研究有以下几点局限性：第一，本研究为回顾性研究，由于不同的设备和场强，MR成像参数不完全一致，本研究中采用白条纹法对图像对比度进行标准化处理，以减小图像采集参数不一致对分析结果的影响；第二，本研究中仅分析了增强后T1WI序列，在以后的研究中可前瞻性的搜集病例，探讨联合常规序列和功能成像序列在预测胶质瘤的分子分型中的价值；第三，本研究的样本量较小，检验效能有限，以后可进一步增加样本量以提高统计结果的可靠性；第四，本研究中仅分析了肿瘤最大层面的二维直方图参数，未对肿瘤整体特征进行分析，以后研究可进一步探讨三维直方图特征对IDH1突变状态的预测价值。