DCE-MRI 定量分析评价直肠癌血管生成的研究现状

李 玉，张凤翔，张 芳，苏云龙

（1.内蒙古科技大学包头医学院，内蒙古 包头 014000；2.内蒙古鄂尔多斯市中心医院影像科，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

2020 年全世界约有193 万结直肠癌新发病例及94 万死亡病例，其中，直肠癌约占1/3。直肠癌新生血管与肿瘤生长行为、浸润深度、淋巴结转移、直肠系膜筋膜状态、壁外血管浸润及疗效评价等多个方面紧密相关［1］。组织免疫学检测是判断肿瘤血管生成情况的金标准，但要求取材准确，且为有创性检查，难以重复进行；CT 灌注成像可用于评估肿瘤血流动力学信息，但缺点是电离辐射较大、软组织分辨力较低；PET/CT 可反映肿瘤的代谢及功能信息，但价格昂贵，空间分辨力低；动态增强MRI（DCE-MRI）图像清晰，其定量分析可评价肿瘤组织的灌注情况及渗透特性，进而无创、准确评估肿瘤微血管生成程度和侵袭性［2］。本文就DCE-MRI 定量分析的原理、定量分析与直肠癌血管生成生物标志物的相关性，以及直肠癌术前诊断、疗效评估等方面予以综述。

1 直肠癌血管生成的特点

肿瘤血管生成的程度反映了直肠癌的进展情况，新生血管为直肠癌的发展和局部转移提供氧气和营养［3］。当肿瘤仅由宿主血管供血时，可保持有限的大小缓慢生长；当肿瘤血管生成增多时，肿瘤组织进一步生长。其中，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）及其受体可加速血管内膜增生及新生血管生成，有望成为肿瘤的治疗靶点［4］。肿瘤微血管密度（microvessel density，MVD）可定量评估血管生成活跃程度，是评价肿瘤发展的重要标准。Yeh 等［5］研究表明，所有结直肠癌变组织中VEGF和VEGFR 水平均高于非癌变组织，分化程度低的癌变组织中VEGF 及VEGFR 表达水平高于分化程度高的癌变组织。刘少平等［6］研究结直肠癌血清microRNA-497 与血管生成关系时发现，血清VEGF含量及癌组织中的MVD 均显著高于正常组织，且VEGF 含量与MVD 呈正相关。

2 DCE-MRI 定量分析概况

DCE-MRI 选用小分子顺磁性钆类复合物为对比剂，并在静脉注射对比剂前后，选用T1WI 连续采集对比剂通过组织时引起的信号强度变化，动态且连续监测对比剂在组织中的分布情况；经后处理获得的定量及半定量参数能够反映肿瘤血管的灌注特性。DCE-MRI 数据分析有半定量分析与定量分析2 种。半定量分析直接描述TIC 特征，可提供组织之间的对比。半定量分析因无需基础模型，在临床中广泛应用，但结果易受检查设备、注射技术及对比剂的影响，且该方法获得的描述性参数无法评价肿瘤血管的生理特性，因此，其逐渐被定量分析所取代［7］。

定量分析依靠药代动力学模型反映组织中对比剂浓度的变化，目前已建立了Toft 标准药代动力学模型、Brix 模型和快门速度模型用于DCE-MRI 数据的定量分析。Tofts 标准药代动力学模型适于分析人类DCE-MRI 数据［8］，其由血管内空间和血管外空间2 个组织区间构成，根据血流和血管通透特性，小分子量的对比剂可从毛细血管渗透至血管外空间，随着组织对比剂浓度的增加，血管外空间中的对比剂扩散回毛细血管，达到平衡状态后拟合浓度-时间曲线［9］。每个隔室的对比剂浓度随时间变化，可使用以下关系导出定量指标：kep=Ktrans/Ve。其中kep（min-1）是指转移速率常数，描述了对比剂从血管外细胞外间隙至血浆室的回流，反映肿瘤微血管的生长状态；Ktrans是体积转移常数，描述了对比剂从血浆转移至组织的速率，反映肿瘤局部微血管血流状态及通透表面积；Ve（%）是指从血管外细胞外间隙渗透至血浆室中的部分体积，其大小代表血管外空间中对比剂的容量，反映肿瘤细胞的增殖及坏死情况［10］。最近，北美放射学会定量成像生物标志物联盟（QIBA）公布了DCE-MRI 的标准化采集和分析协议，这也将进一步巩固和推进其在临床实践中的应用［11-12］。

3 DCE-MRI 定量分析参数与直肠癌血管生成的相关性

陈照宏等［13］分析直肠癌血流灌注与血管生成因子相关性，结果显示Ktrans及kep与VEGF、MVD 两者均呈正相关，表明观察定量灌注参数与VEGF、MVD的相关性能有效评估直肠癌血管的生成情况。Kim等［14］利用直方图分析乳腺癌定量灌注参数与MVD的相关性，结果显示MVD 和Ve50之间的相关性最强（r=0.33）。MVD 与Ktrans50和Ve75也有较好的相关性（r=0.25，0.26）。Li 等［15］通过对 比DCE-MRI 灌注与体素内不相干运动成像（intravoxel incoherent motion，IVIM）参数在直肠癌中的诊断效能发现，DCEMRI 灌注参数比IVIM 参数具有更高的诊断准确性，并认为恶性程度高的肿瘤组织新生血管结构和功能严重受损，导致通透性和血流量增加，Ktrans及kep值随之升高；且Ktrans为提高诊断准确率的最佳参数。Gaustad 等［8］研究了贝伐珠单抗（一种针对VEGF-A的人源化单克隆抗体）和舒尼替尼（一种可针对VEGF受体的酪氨酸激酶抑制剂）等药物的抗肿瘤细胞增殖及抑制血管生成情况，该治疗通过减少血液灌注造成肿瘤细胞的缺氧状态，从而抑制肿瘤的发展；结果显示，治疗后肿瘤组织的Ktrans值明显降低，由此证明DCE-MRI 定量灌注成像能无创监测化疗药物抗血管生成的疗效。

4 DCE-MRI 定量分析在直肠癌术前诊断及治疗评价中的应用价值

4.1 定量分析在直肠癌病理分级（肿瘤分化程度）中的应用 DCE-MRI 综合形态学和血流动力学变化，可进一步评估肿瘤的分化程度［16］。汤琅琅等［17］在研究DCE-MRI 定量分析与直肠癌病理分级相关性中发现，Ktrans、kep值随病理等级升高而升高；而Ve值与组织病理分级呈负相关。恶性程度高的肿瘤因组织缺氧严重，刺激血管再生，灌注量增加，血管渗透面积增大，血浆对比剂外渗等，导致Ktrans、kep值增加。Li等［15］分析了98 例直肠癌患者发现，Ktrans（AUC 77.5%，敏感度85.4%，特异度63.2%）和kep（AUC 71.0%，敏感度92.7%，特异度49.1%）可显著区分低分化和中等分化的直肠癌，且Ktrans值的相关性最显著（P＜0.01）。这可能是由于肿瘤血管生成改变了血管通透性，分化差的肿瘤有更多处于分裂期的细胞，需要更多的营养和血液供应；此外，分化差的肿瘤在细胞形态和组织学上表现出更大的异质性，细胞密度更高，间质更小，因此Ktrans值更高；这与Gaustad 等［8］研究结果一致，表明Ktrans值在能在一定程度上评估直肠癌的分化程度。

4.2 定量分析在直肠癌壁外血管侵犯中的应用 壁外血管侵犯是影响肿瘤细胞复发和预后不良的主要因素之一，是指肿瘤细胞出现在固有肌层以外的血管内，约31%的直肠癌患者存在壁外血管侵犯。Yu等［18］分析了定量DCE-MRI 对直肠癌壁外血管浸润的预测效能，发现直肠癌壁外血管侵犯阳性组的Ktrans和Ve值显著高于壁外血管侵犯阴性组（P=0.02）。Chen 等［19］研究发现，由于kep值主要取决于毛细血管的通透性和通透表面积，肿瘤血管内存在大量肿瘤细胞降低了通透表面积，因此壁外血管侵犯阳性患者的kep值降低；具有侵袭性的肿瘤细胞群由于通透表面积的减少，导致相应区域的血液供应减少，组织缺氧和微观坏死的程度增加，Ve值升高；而壁外血管侵犯阳性组的Ktrans值降低趋势并不明显，这可能是因为Ktrans值还受到心输出量、脉压及循环等的影响，有更大的个体化差异，而kep仅由肿瘤血管外空间中对比剂浓度和体积分数决定，可更准确地反映毛细血管通透性。国内外关于DCE-MRI 定量参数与直肠癌壁外血管侵犯的相关性研究报道较少，还需更大的样本量验证。

4.3 定量分析在直肠癌T 分期中的应用 近年来部分国内学者对DCE-MRI 定量参数与直肠癌T 分期的相关性进行了研究。季立标等［20］通过分析77 例直肠癌患者的定量分析参数发现，直肠癌T1～2期Ktrans、kep值显著小于T3～4期，且Ktrans的诊断效能最高，当Ktrans的最佳阈值为0.53/min 时，敏感度为80.4%，特异度为77.4%，AUC 为0.813，这与倪建等［21］观点相类似，即随着肿瘤恶性程度增高、对周围组织侵犯加重，肿瘤新生血管结构不完整、血管通透性增加，Ktrans、kep值也随之增高。苟文枭等［22］分析了55 例直肠癌患者的灌注参数，结果发现在T1～3期患者中T分期与Ktrans值成正比，且对鉴别T2与T3期直肠癌诊断效能最高；而T4期Ktrans值略低于T3期，可能是因为晚期肿瘤出血、坏死增多导致的测量不准确。

4.4 定量分析在直肠癌淋巴结转移中的应用 淋巴结转移是检测远处转移的重要指标，良恶性淋巴结的评判在MRI 中具有一定困难。虽然大小是评估结直肠癌淋巴结状况的重要指标，但因良恶性淋巴结之间大小存在重叠，其诊断价值有限。相关研究发现，与常规MRI 检测≥5 mm 的转移性直肠系膜淋巴结敏感度（71%）及特异度（70%）相比，半定量DCE-MRI灌注的敏感度（86%）和特异度（90%）明显升高［23］。目前国内外有关直肠癌良恶性淋巴结定量参数值分析的报道尚少见，且研究结果有一定差异。Yang 等［24］研究发现，Ktrans在一定程度上反映了淋巴结的微血管系统；在短轴直径＜5 mm 的区域淋巴结中，其在区分良恶性淋巴结方面有中等评价效能；在直肠癌患者中，恶性淋巴结的Ktrans值低于良性淋巴结，但kep和Ve在2 组间差异无统计学意义。而谢宗源等［25］在短径＞5 mm 的淋巴结研究中指出，恶性淋巴结Ktrans、Ve、kep值较良性淋巴结升高（均P＜0.05）。分析原因可能是当淋巴结较小时，天然血管的营养支持尚可满足肿瘤细胞的需求，无需诱导新血管生成。因此，血管通透性和通透表面积在这个阶段不会改变，小的恶性淋巴结细胞增殖及坏死不明显，良恶性淋巴结之间kep及Ve差异均无统计学意义；随着肿瘤细胞侵入淋巴结的毛细血管，该节点的血流速度减慢，导致Ktrans值下降［25］；而当淋巴结逐渐增大时，其生长主要依靠发育不成熟的新生微血管，因此Ktrans、Ve、kep值升高。

4.5 定量分析在直肠癌新辅助治疗后疗效评价中的应用 局部晚期直肠癌新辅助放化疗（neoadjuvant chemoradiotherapy，NCRT）主要通过杀死癌细胞、抗肿瘤血管生成等发挥抗癌功效，在减少肿瘤细胞的同时，也将造成细胞间质纤维化与血管结构的改变。形态学MRI 仅能检测到肿瘤大小、体积和信号强度的变化，无法充分预测肿瘤组织对NCRT 的反应。韦明炯等［26］利用DCE-MRI 定量分析对比发现NCRT有反应患者比治疗无反应患者的Ktrans值更低，认为Ktrans值的变化可评估患者肿瘤血管生成情况及NCRT 疗效。Pham 等［27］结合DCE-MRI 与肿瘤异质性分析发现，Ktrans值降低与NCRT 反应良好或完全反应有关，Ktrans值升高表明血管生成增加是NCRT治疗的一个阻力。Ciolina 等［28］研究发现，NCRT 前后测得灌注参数Ve明显增高，这可能与细胞密度较低有关，在NCRT 期间，坏死细胞增多，存活细胞减少，细胞密度减低，因而Ve值增高；Ktrans值高的肿瘤组织血管网络更通透，血管通透性增加能够更好地递送化疗药物。多项研究显示，Ktrans是预测和评价直肠癌NCRT 疗效最重要的定量参数［26-28］。

5 总结与展望

DCE-MRI 定量分析具有一定的临床试验基础，其通过血流动力学和微血管特性推断组织结构信息，在评估肿瘤发展、表达肿瘤特征及预测治疗反应等方面表现优异，越来越多的抗血管生成药物被用作常规治疗的辅助手段。定量分析与组织学活检不同，它可通过无创的方式对整个癌变区域重复取样［29］，因此灌注和渗透参数的影像学评估可能会发展为血管生成的无创生物标志物。但定量分析因缺乏统一化标准，在临床中的应用仍然有限：DCE-MRI 定量分析对扫描要求更高，高时间分辨力和足够长的采集时间才能得出对灌注渗透参数的一致评估；DCE-MRI参数的采集可能因扫描仪型号、后处理软件，以及模型选择的不同而不同。基于影像的无创生理诊断系统是一个新的发展趋势，DCE-MRI 标准化采集和分析为实现这一目标提供了方向。