脑胶质瘤表观扩散系数与肿瘤分级及IDH1突变的关系

闫新亭 宋双双 卢 洁

(首都医科大学宣武医院放射科与核医学科 磁共振成像脑信息学北京市重点实验室, 北京 100053)

脑胶质瘤是指起源于神经胶质细胞的肿瘤，是最常见的原发性颅内肿瘤，占所有原发性脑恶性肿瘤的70%，病死率和致残率均较高[1]。胶质瘤分为Ⅰ～Ⅳ级，Ⅰ、Ⅱ级为低级别，Ⅲ、Ⅳ级为高级别，级别越高则恶性程度增高[2-4]。胶质瘤主要亚型包括星形细胞瘤(astrocytoma, AC)、少突胶质细胞瘤(oligodendroglioma, OD)及胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme, GBM)等，不同级别及不同亚型胶质瘤的临床治疗方式不同，生存期差异也较大，Ⅱ级胶质瘤5年生存率为60%，Ⅲ级中位生存期为2～5年，Ⅳ级中位生存期为14.6个月[2]。2016世界卫生组织(World Health Organization, WHO)[3]中枢神经系统肿瘤修订版根据分子型对胶质瘤亚型进行分类，其中异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)突变作为重要的分子标志物将胶质瘤分为突变型和野生型,IDH突变发生于70%～80%的Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤和90%的继发性胶质母细胞瘤，是目前临床公认的能够预测胶质瘤预后及生物行为的指标,IDH突变型又可分为IDH1和IDH2突变，其中以IDH1突变为主，约占IDH突变的80%～90%。因此，术前准确判定胶质瘤级别及IDH基因型对选择临床治疗方式、评估患者预后至关重要。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是脑胶质瘤术前诊断、制定治疗计划、治疗效果评估及随访中的重要检查方法，其中扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)具有重要价值，可以无创地为胶质瘤的诊断提供信息。DWI是一种对水分子扩散运动敏感的成像技术，可提供活体组织内微观水分子运动的信息，其定量指标表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)反映水分子自由扩散的速度和范围，可反映肿瘤异质性、侵袭性以及治疗效果[5-6]。本研究探讨ADC值在胶质瘤分级、分型及预测IDH1突变状态的应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取首都医科大学宣武医院2014年4月至2019年5月经病理证实为脑胶质瘤的患者82例为研究对象，其中，男性42例，女性40例，年龄15～74岁，平均年龄为(51.4±13.9)岁。

纳入标准：①病理学证实为Ⅱ～Ⅳ级胶质瘤；②头颅MRI为术前1个月内完成，术前或放射治疗联合化学药物治疗(以下简称放化疗)前进行平扫和增强检查；③肿瘤发生于幕上;④于检查前均签署知情同意书。排除标准：①图像存在运动伪影等影响观察；②肿瘤内有大面积出血、坏死、囊变。

1.2 仪器与方法

所有患者均采用德国西门子公司生产的MRI (3.0T Verio或3.0T Trio) 进行头颅扫描，取仰卧位，采用颅脑8通道专用线圈。扫描序列包括横轴位及矢状位图像，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) ; 横轴位DWI参数为: TR 5 500 ms、TE 90 ms，b=0，1 000 s/mm2; 扫描层厚均为5.0 mm，视野(field of view，FOV) 240 mm×240 mm; 所有患者进行增强扫描，对比剂为GD-DTPA，0.1 mmol/kg，高压注射器静脉团注。

1.3 图像分析

采用盲法由两名神经影像诊断医师对MRI数据进行分析，有分歧时经协商达成一致。ADC值测量取圆形感兴趣区(region of interest, ROI)，面积20～50 mm2，根据肿瘤面积及肿瘤实性成分，每个病灶测量3～5个ROI，避开血管、坏死、囊变区，测量对侧正常脑白质ADC值2次，面积约40 mm2，取2次ADC值的平均值(图1)。病灶所有ROI中最小ADC值的平均值为最小ADC(minimum ADC，ADCmin)，所有ROI的平均ADC值的平均值为平均ADC(mean ADC，ADCmean)，ADCmin与对侧正常脑白质ADC值的比值为相对最小ADC(relative minimum ADC values，rADCmin)，ADCmean与对侧正常脑白质ADC值的比值为相对平均ADC(relative mean ADC，rADCmean)。

图1 病灶ROI区划图Fig.1 ROI mapping of lesionsROI: region of interest.

1.4 组织病理及免疫组织化学检测

所有患者均进行肿瘤切除术或病理活检并行术后病理检查。82例患者病理标本均进行HE染色，高倍显微镜观察，按照脑胶质瘤WHO分类方法进行分级及分型诊断，分为Ⅱ～Ⅳ级，其中Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤，Ⅱ～Ⅲ 级胶质瘤病理亚型为AC、OD，Ⅳ级胶质瘤为GBM；所有标本均采用免疫组织化学检查方法检测IDH1突变状态，根据肿瘤标本与检测脑胶质瘤中IDH1基因点突变的单克隆抗体结合情况判定，IDH1表达阳性为IDH1突变组(IDH1 mutant,IDH1mut)，IDH1表达阴性为IDH1野生组(IDH1 wide-type,IDH1wild)。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 WHO分级情况

82例脑胶质瘤中WHO Ⅱ级27例(32.9%)、Ⅲ级22例(26.8%)、Ⅳ级33例(40.3%)，其中Ⅱ级为低级别胶质瘤共27例(32.9%),Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤共55例(67.1%)。Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤病理亚型为AC及OD, AC共26例(56.5%),其中，Ⅱ级16例，Ⅲ级10例；OD共23例(43.5%),其中，Ⅱ级11例，Ⅲ级12例。Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤中IDH1mut28例(57.1%),其中，Ⅱ级17例，Ⅲ级11例;IDH1wild21例(42.9%),其中，Ⅱ级10例，Ⅲ级11例。

2.2 胶质瘤MR表现

病灶多位于额颞顶叶，Ⅱ级胶质瘤信号均匀，T1WI呈等、稍低信号，T2WI/FLAIR呈稍高信号， DWI上可呈低、等、高信号，ADC呈高信号，边界较清晰，未见明显瘤周水肿，增强后未见明显强化；Ⅲ级胶质瘤信号不均匀， T1WI呈等、稍低混杂信号，T2WI/FLAIR呈等、稍高信号，内多见囊变、坏死，DWI上呈等、稍高信号，ADC上呈斑片状低信号，部分呈高信号，大部分肿瘤边界不清，瘤周轻度水肿多见，增强后肿瘤可见结节状、小环状、斑片状强化；Ⅳ级胶质瘤部分可见跨中线生长，信号混杂、明显不均匀，坏死、囊变、出血多见，实性部分DWI上呈稍高、高信号，ADC上呈低信号，肿瘤边界不清，瘤周水肿明显，增强后肿瘤可见片状、花环状强化。

2.3 各级别胶质瘤ADC值的比较

病灶对侧正常脑白质平均ADC值为(0.769±0.676)×10-3mm2/s；Ⅱ～Ⅳ级胶质瘤的ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean组间差异均有统计学意义(P<0.001)，其中ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean在Ⅱ级胶质瘤与Ⅳ级之间、Ⅲ级胶质瘤与Ⅳ级之间比较差异均有统计学意义(P均<0.05)，在Ⅱ级胶质瘤与Ⅲ级之间比较差异均无统计学意义(P>0.05)(表1)。进一步对高、低级别胶质瘤进行统计分析，ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean鉴别高、低级别胶质瘤差异均有统计学意义(P=0.023、0.029、0.024、0.035，表2)。ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean在高低级别胶质瘤的ROC曲线下面积分别为0.702、0.676、0.675、0.669，最佳阈值分别为0.881×10-3mm2/s、1.095×10-3mm2/s、1.202、1.387，敏感度分别为81.5%、77.8%、66.7%、77.8%，特异度分别为67.3%、65.5%、70.9%、60.0%(图2)。

表1 82例不同级别胶质瘤ADC值比较

表2 高低级别胶质瘤的ADC值比较

图2 各ADC值在高低级别胶质瘤的ROC曲线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 胶质瘤亚型AC与OD的ADC值的比较

胶质瘤亚型AC共26例(53.1%)；其中，Ⅱ级15例，Ⅲ级11例。OD共23例(46.9%)；其中，Ⅱ级12例，Ⅲ级11例，AC组与OD组 ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值，详见表3。AC组各ADC值均高于OD组，其中ADCmin、rADCmin、rADCmean差异有统计学意义。利用ROC曲线评估ADCmin、rADCmin、rADCmean的诊断效能，曲线下面积分别为0.640、0.664、0.635，最佳阈值分别为0.772×10-3mm2/s、1.059、1.301，敏感度分别为92.3%、92.3%、88.5%，特异度分别为43.5%、43.5%、39.1%(图3)。

表3 AC与OD的ADC值比较

图3 各ADC值在AC与OD的ROC曲线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级胶质瘤IDH1mut与IDH1 wildADC值比较

IDH1mut胶质瘤28例(57.1%)，其中，Ⅱ级17例，Ⅲ级11例；IDH1wild胶质瘤21例(42.9%)，其中，Ⅱ级10例，Ⅲ级11例。IDH1mut与IDH1wild各ADC值，详见表4。IDH1mut与IDH1wild胶质瘤组间ADC值比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。

表4 IDH突变型及IDH野生型胶质瘤ADC值比较

3 讨论

DWI是一种对水分子扩散运动敏感的成像技术，可提供活体组织内微观水分子运动的信息，DWI信号受多种因素影响，如扩散敏感系数、T2穿透效应及组织的各向异性，还受多种生理因素的影响，如运动、呼吸、灌注等，ADC值反映DWI图上不同方向水分子自由扩散的速度和范围，是组织在扩散梯度作用下水分子扩散的定量指标，与细胞数目、大小、排列、核质比、细胞外间隙及微循环血流灌注等因素有关[7]。本研究测量肿瘤实质的ADC值，采用多点选取ROI，避开肿瘤内大血管、囊变、坏死及出血区，这样能避免肿瘤细胞在瘤体中分布不均匀造成的测量偏差，更好地反应瘤体实际的情况，相对ADC值为病灶ADC值与对侧正常脑白质ADC值的比值，能消除个体生理因素、机型、扫描参数以及序列对ADC值的影响，使ADC值标准化。

3.1 ADC值与脑胶质瘤分级

恶性肿瘤细胞增生速度快，细胞密度高，细胞外间隙小，限制了水分子的运动，DWI上信号增高，ADC值减低，反之则ADC值升高。本研究显示，随肿瘤级别的升高，ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean均呈下降趋势，高级别胶质瘤与低级别胶质瘤的上述ADC值比较，差异均有统计学意义(P<0.05)。

Murakami等[8]分析50例胶质瘤患者ADC值，得出ADCmin值与胶质瘤内最高级别点相对应，随胶质瘤级别升高ADC值依次减低。Xu等[9]分析49例胶质瘤患者rADCmean值，得出高级别胶质瘤rADCmean比低级别胶质瘤低，取值1.497时诊断敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值最高 (分别为86.2%、85.0%、89.3%及81.0%)，均与本研究结果一致。本研究显示Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤之间ADC值比较，差异无统计学意义。Zhang等[10]将WHO 分级Ⅲ级胶质瘤根据不同分子表达分为低风险组和高风险组，其中低风险组的临床、分子特征更接近WHO分级 Ⅱ级，而高风险组更接近于WHO Ⅳ级，Ⅱ级与Ⅲ级胶质瘤在组织类型表现方面有一定交叉，这可能为导致本研究Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤ADC值差异无统计学意义的原因之一。本研究发现以ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值为0.881×10-3mm2/s、1.095×10-3mm2/s、1.202、1.387鉴别高低级别胶质瘤，敏感度分别为81.5%、77.8%、66.7%、77.8%，特异度分别为67.3%、65.5%、70.9%、60.0%。

3.2 胶质瘤亚型AC与OD的ADC值的差异

AC与OD常规MRI影像相似，难以将其明确区分，但其治疗方法却有着明显不同，OD对化疗敏感预后较好，因此术前明确区分AC与OD有重要的临床意义。本研究中AC组ADC值较OD组高，这与肿瘤组织病理是相对应的。少突胶质细胞瘤经典病理表现为中等细胞密度、核圆、大小一致、核周空晕，还常见微钙化、黏液囊性变以及由密集的分支状毛细血管组成的“鸡爪状”血管网；少突胶质细胞瘤在皮质内肿瘤细胞形成继发结构，如神经元周围卫星现象，瘤细胞围绕在血管周围和软脑膜下[11],这些结构使水分子扩散受阻。星形细胞瘤病理表现为肿瘤细胞密度中等，钙化少见，轻至中度核异型性，核分裂少见，异常增生血管轻微等[12]。二者在细胞密度、微血管分布密集度及瘤体实质组成成分上的不同导致ADC值上的差异，Latysheva等[13]对71例AC和OD的ADC值分析，得出OD的ADC值较AC低，与本研究结论相一致。本研究发现以ADCmin、rADCmin、rADCmean值分别为0.772×10-3mm2/s、1.059、1.301鉴别AC与OD，敏感度分别为92.3%、92.3%、88.5%，特异度分别为43.5%、43.5%、39.1%。

3.3 IDH1突变状态与胶质瘤ADC值的关系

IDH突变是能够预测胶质瘤患者预后及生物行为的分子生物学指标，目前检测基因型的方法包括免疫组化法和基因测序法，都需要获取组织标本，属于有创性检测。DWI水分子扩散受限反映细胞密度大，对应肿瘤增生快及侵袭性高，对胶质瘤诊断价值较大[14-17]。文献[18-22]报道ADC值与IDH基因型间存在关系，IDH野生型ADC值低于IDH突变型，也有发现IDH野生型和突变型的ADC值差异无统计学意义。本研究49例Ⅱ～Ⅲ级胶质瘤行IDH1基因检测，IDH1野生组的ADCmin、ADCmean、rADCmin、rADCmean值较IDH1突变组低，但差异均无统计学意义(P>0.05)，原因主要为以下几点：本研究采用多点选取ROI不能全面反映肿瘤异质性；活检部位选取不准确导致偏差；基因水平检测是IDH有无突变的金标准。研究[23-24]显示IDH突变型胶质瘤内存在亚组(约占总IDH突变型胶质瘤的12%)，其ADC值低且总生存率低,与IDH野生型胶质瘤相似。ADC值主要反映肿瘤细胞密度，IDH突变和ADC值间的相关性还不确定，有待扩大样本量进一步探究。

总之，本研究结果显示术前ADC值可量化胶质瘤分级及分类，随肿瘤级别增高，ADC值减低，高级别胶质瘤ADC值低于低级别胶质瘤且具有诊断价值； OD的ADC值较AC低，这与其组织病理相对应；胶质瘤的发生机制仍需进一步研究，IDH突变是其发生中的早期事件，术前ADC值不能完全预估IDH1突变状态。