多模态MRI评估宫颈癌缺氧及缺氧治疗的研究进展

段志青，方少伯，王绍武*

宫颈癌是女性生殖系统的恶性肿瘤，发病率呈上升趋势且发病趋于低龄化，严重威胁女性的健康和生命[1]。缺氧是许多恶性肿瘤的共同特征，在评估宫颈癌等多种肿瘤的生长、侵袭和转移中发挥重要作用[2-3]。缺氧使肿瘤细胞对常规的放化疗具有抵抗力，增加肿瘤治疗失败的风险[4]。由于缺氧机制的复杂性及其重要的临床意义，如何评估宫颈癌病人的肿瘤缺氧一直是科学研究的热门话题。

目前宫颈癌缺氧状态的评估方法包括：①有创方法，包括使用极谱电极法直接测量组织氧分压（pO2）[5]、病理组织检查方法测定内源性缺氧相关蛋白或基因标志物（缺氧诱导因子、碳酸酐酶9、葡萄糖转运蛋白1、骨桥蛋白、乳酸脱氢酶A等）[6]和外源性标志物（哌莫硝唑、EF5等）[5]、电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR）技术[7]；②无创方法，包括PET及MRI等。

由于MRI具有无创性、高软组织分辨力与可重复测量的优势，在反映宫颈癌病人肿瘤内缺氧状态方面取得了一定进展。通过MRI进行的缺氧成像集中在几个间接的多模态成像技术上，包括基于血氧水平依赖MRI（blood oxygenation level-dependent MRI,BOLD-MRI）、组织氧水平依赖MRI（tissue oxygen level dependent MRI，TOLD-MRI）、动态对比增 强MRI（dynamic contrast enhanced MRI，DCEMRI）、扩散加权成像（DWI）。这些技术虽然不能直接反映肿瘤缺氧状态，但分别与血液氧分压、细胞间质氧分压、血流灌注、水分子扩散相关，均有助于揭示缺氧对宫颈癌影响的病理机制。本文对多模态MRI反映宫颈癌肿瘤内缺氧状态及评估宫颈癌缺氧治疗的疗效和预后的研究进展予以综述。

1 缺氧对宫颈癌的影响和临床治疗价值

在宫颈癌组织中，由于微循环紊乱和缺陷，导致氧气供应与代谢需求不相匹配，其结果是一个相对无血管的缺氧微环境[8]。缺氧可以导致肿瘤组织发生双向的变化。一方面，由于肿瘤血管系统紊乱、不规则，在运输氧气和其他营养物质方面效率较低，导致细胞的凋亡或坏死[5]；另一方面，轻度缺氧状态能促进肿瘤细胞发生对环境的适应性反应，通过调控多种下游靶基因的表达，促进肿瘤的发生和发展[9]。目前，已知的调节因子包括缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）、碳酸酐酶9、血管内皮生长因子、P53蛋白、促红细胞生成素和血小板源性生长因子-β等。其中HIF是一种转录因子，最受研究者关注。在肿瘤细胞中，HIF诱导能量代谢的变化，并阻止缺氧诱导的细胞坏死[10]。

缺氧是宫颈癌的一个熟知的特征，也是一个既定的治疗靶点。现已有多种策略靶向宫颈癌缺氧，包括增加肿瘤内氧气输送（如输血和注射促红细胞生成素）、减少肿瘤的氧耗（如双胍类药物）、应用缺氧特异性放射增敏剂和细胞毒素、热疗以改善肿瘤内微循环与氧合[4]。测量和靶向宫颈癌组织缺氧是未来研究的重要领域。

2 多模态MRI有助于反映宫颈癌病人肿瘤内缺氧状态

2.1 BOLD-MRI T2*弛豫时间是指由自旋-自旋弛豫和磁场不均匀性共同引起的横向磁化矢量衰减的特征时间，是磁化率加权成像、灌注MRI和功能MRI等许多MR成像技术应用的基础，可以用于反映病变和组织中的顺磁性脱氧血红蛋白、高铁血红蛋白或含铁血黄素[11]。

BOLD成像定量参数T2*及R2*可以用于表征宫颈癌的缺氧状态。由于BOLD序列对血管内及灌注血管周围的pO2非常敏感，在局部耗氧量增加时，顺磁性脱氧血红蛋白随之增加，引起局部磁场不均匀，使组织的T2*减小或R2*（1/T2*）值增加，即在T2WI上的组织信号强度减低[12]。使用高浓度氧，如碳源气体（95%O2/5%CO2）或100%氧气作为高氧对比剂进行BOLD成像得出的T2*变化（ΔT2*）既可以增大缺氧信号对比，又可以反映组织对氧含量变化的敏感度。Hallac等[13]研究了宫颈癌病人使用高氧气体进行BOLD检查的可行性，共9例病人在吸入氧气之前和期间分别进行了BOLD-MRI检查，结果发现肿瘤中BOLD信号强度出现变化，且随着高氧气体的吸入，R2*不同程度地增加。近些年来其他基于T2*成像的序列也被证明可以反映宫颈癌缺氧状态，如Zhang等[14]研究中分析54例宫颈癌病人R2*mapping定量指标R2*，并对切除的肿瘤进行免疫组化染色，结果显示HIF-1α表达与R2*呈中度相关，由此可见功能MRI序列参数R2*可以提供肿瘤缺氧情况信息。

2.2 TOLD-MRI未配对电子可赋予物质适度的纵向弛豫时间（T1），但对于未加干预的组织，氧分子浓度较小，无法仅从T1中识别出缺氧肿瘤。当组织摄入氧气，一部分氧气用于满足局部线粒体的氧供需求，其余过量的氧气溶解在血浆和组织液中，会导致R1（1/T1）值的明显增加，此变化与肿瘤组织氧合水平直接相关。这种技术即TOLD-MRI，又称为氧增强MRI[15]。与评估血氧的BOLD-MRI不同，TOLDMRI用于评估组织氧合。对于肿瘤组织，由于其血管不成熟，因此与BOLD信号相比，TOLD信号可能在反映肿瘤缺氧状态中更有价值[16]。O’Connor等[17]对2例宫颈癌和8例其他腹部癌症病人进行TOLD-MRI研究，对比病人吸氧前后，结果发现2例宫颈肿瘤和6例其他肿瘤的信号强度显著增加，表明该方法对吸入高氧气体具有敏感性。然而，在宫颈癌中TOLD信号与肿瘤内缺氧程度的相关性、TOLD与BOLD相比谁更能反映宫颈癌缺氧情况，仍需在临床研究中进一步探讨。

2.3 DCE-MRI DCE-MRI定量分析引入药物代谢动力学模型，可以更准确、直观地描述肿瘤组织血流灌注、毛细血管渗透性等微循环信息[18]。目前已经开发了Tofts标准药代动力学模型、Brix模型和快门速度模型来分析DCE-MRI数据。Tofts标准药代动力学模型主要定量参数包括Ktrans、ve及kep等。有研究者[19-20]根据宫颈癌组织的哌莫硝唑染色标记获得的缺氧分数，并获取了术前DCE-MRI信息，发现Ktrans值可以反映肿瘤缺氧，而ve值与缺氧分数无关。Li等[21]应用DCE-MRI评估宫颈癌HIF-1α表达，发现Ktrans、kep、ve值与HIF-1α表达独立相关。总之，所有相关研究均证实Ktrans与宫颈癌缺氧状态呈负相关。另外，Brix模型参数也可用于反映宫颈癌缺氧。Fjeldbo等[22]研究表明DCE-MRI的生物标志物ABrix与缺氧相关基因具有强相关性。

对肿瘤缺氧部位与缺氧程度的可视化是近年来MRI研究的重点。Hompland等[23]提出基于氧消耗和供应（consumption and supply-based hypoxia，CSH）的缺氧成像算法，可通过常规影像学方法可视化肿瘤缺氧的范围。Hillestad等[24]在Hompland等[23]研究的基础上，通过DCE-MRI参数ve和Ktrans，利用CSH和降维算法为每个像素分配耗氧量和供氧量的加权信息，获得了反映宫颈癌肿瘤缺氧范围及严重程度的影像，成功地将影像与哌莫硝唑染色标记部位与缺氧基因表达水平建立了相关性，表明这种工具不仅能够可视化宫颈癌缺氧部位，还能反映缺氧的程度，证实了DCE-MRI影像对预测预后方面的价值。

DCE还可以应用于监测肿瘤抗血管生成治疗过程中的缺氧情况。Hauge等[25]对2种源自病人的宫颈癌异种移植模型进行贝伐单抗抗血管生成治疗并进行DCE-MRI，用哌莫硝唑作为肿瘤缺氧的标志物，研究发现未治疗与治疗组肿瘤的中位Ktrans值与肿瘤的缺氧部分之间均存在强相关性。

2.4 DWI DWI以水分子的扩散特性为基础，用于肿瘤缺氧状态研究的影像方法主要包括单指数DWI、体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）DWI、扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）和扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）等。

有研究者[21,26]对宫颈癌进行了单指数DWI研究，结果表明表观扩散系数（ADC）值及ADC直方图的各项指标与乏氧并无相关性，因此DWI不能反映宫颈癌肿瘤缺氧。由于缺氧对肿瘤造成凋亡与增殖的双向影响，导致肿瘤内水分子扩散表现并不一致[27]，因此非高斯DWI模型（IVIM、DKI等）成为近年来反映组织缺氧状态的研究重点。IVIM是双指数模型，它可以同时量化水分子在活体组织中的扩散和微循环灌注，该模型可以更好地评估组织的微观结构复杂性[28]。Li等[21]应用多模态成像技术评估宫颈癌HIF-1α表达，结果发现IVIM参数单纯扩散系数（D）和灌注分数（f）值与HIF-1α表达独立相关。DKI模型量化了组织扩散与高斯行为的偏差。Li等[29]探讨了DKI参数与软组织肉瘤中HIF-1α表达的相关性，结果表明平均扩散系数（mean diffusion，MD）与HIF-1α表达呈负相关，平均扩散峰度（mean kurtosis，MK）与HIF-1α表达呈正相关。但目前并无DKI显示宫颈癌肿瘤缺氧状态方面的研究。

3 多模态MRI有助于评估宫颈癌缺氧治疗的疗效和预后

3.1 评估疗效 目前有许多针对宫颈癌缺氧的治疗措施。放射治疗是通过电离辐射产生自由基，与细胞内的氧分子发生反应并不可逆地破坏DNA[30]。扩展这一概念，治疗期间肿瘤缺氧的变化也可能预测治疗反应[31]。宫颈癌缺氧是一个既定的治疗靶点，针对宫颈癌缺氧的药物也可以通过作用于缺氧诱导的耐药机制提高抗癌治疗的功效[4]。基于这些原理，宫颈癌缺氧MRI被越来越多地用于评估放化疗与缺氧靶向治疗中的疗效。Gaustad等[19]研究发现，在接受辐射的宫颈癌和异种移植物的Ktrans和细胞存活率之间具有很强的相关性，而在ve和细胞存活率之间的相关性较弱或无相关性，结果表明Ktrans可以反映宫颈癌辐射响应能力。Georg等[32]对宫颈癌病人放化疗之前和治疗开始后的第2、5、19周进行DWI并分析了肿瘤ADC值，结果表明宫颈癌中的平均ADC值随着时间的推移而增加。

3.2 评估预后 氧浓度作为宫颈癌病人远处转移与存活率的预后意义已得到研究证实[33]。当肿瘤缺氧时，放化疗在肿瘤破坏中的效率会降低，形成放化疗抵抗。因此，宫颈癌缺氧MRI也被应用于预测病人的预后[34]。Lee等[35]对92例同步放化疗前接受BOLD-MRI检查的病人进行研究，结果表明肿瘤R2*值是无进展生存期（progression-free survival，PFS）和癌症特异性生存期（cancer-specific survival，CSS）的独立预测因素。Fjeldbo等[36]研究证实了DCE-MRI生物标志物ABrix与缺氧相关基因之间的强相关性，并构建基于成像和基因的组合二分类生物标志物，结果发现在更多和更少缺氧的肿瘤病人之间的PFS有很大差异，表明其可改善对放化疗疗效预测。Hillestad等[24]研究发现利用DCE-MRI参数图（ve和Ktrans）的组合得出的缺氧分数（hypoxic fraction of MRI，HFMRI）与哌莫硝唑染色标记获得的缺氧分数（HFPimo）具有很大的相似性，以HFMRI=0.01为阈值可有效预测宫颈癌病人的PFS，高于该水平的病人预后更差。

4 局限性与展望

MRI可用于揭示宫颈癌缺氧机制，并表征自然状态下及治疗中的缺氧状态；同时，缺氧成像也可用于监测疗效及预测预后。然而，在临床应用中仍然存在一些局限性，包括了解这些成像生物标志物的采集和分析的准确性、可重复性和再现性。因此，如何优化MRI成像序列与建模方法，使其准确性与精度提高，并确定表征缺氧状态的规范化扫描技术，增加其可重复性是目前用MRI表征宫颈癌缺氧状态方面亟待解决的问题。另外，应用MRI精确识别及标准化肿瘤内缺氧部位仍是一项难题。在未来用于指导放疗剂量的选择、评估缺氧靶向治疗中的缺氧状态等临床实践中具有重要意义。