基于MRI及CT的细胞外体积在恶性肿瘤中的应用与研究进展

王艺洁，杨亚英，魏博，陈海静，曹朝阳

0 前言

细胞外基质（extracellular matrix, ECM）为身体所有组织和器官中普遍存在的非细胞成分，由多种蛋白、蛋白多糖、透明质酸及其细胞受体等组成[1]。在实体瘤中，活化的成纤维细胞及免疫细胞等协同作用，构成了ECM 的主要来源[2]。ECM 除了为细胞和组织提供机械结构[3]来维持正常的生理功能外，还参与细胞增殖分化、组织学形态发生、迁移和侵袭等[4-5]。

细胞外体积（extracellular volume, ECV）也称为细胞外容积或细胞外容积分数，是血管外-细胞外间隙和血管内空间分数的总和，可以反映微血管密度及基质纤维化程度[6]，可作为ECM 的量化因子[7]。活检是评估ECM 的金标准，但是活检有创、主观性强且可重复性低，目前应用较少，而基于MRI 和CT 得到的ECV 无创便捷且可重复性高[8]，目前临床应用较为广泛，且被证实与活检具有相似的诊断价值[9]。随着肿瘤微环境的深入研究，ECV 可以量化部分恶性肿瘤的决定性因素。因此，本文就目前基于MRI 及CT 的ECV 在恶性肿瘤中的应用展开综述，旨在推动ECV 在恶性肿瘤方面的临床应用与发展。

1 应用原理

ECV可以量化ECM，肿瘤ECM表现为不同程度的纤维化、细胞外基质沉积及炎性细胞浸润等而导致ECV不尽相同。ECV 包括细胞外-血管外体积分数和血管内体积分数，平衡期时对比剂相对均匀的分布于血管内和血管外-细胞外间隙而几乎不进入细胞内，此时，根据经红细胞压积值校正后的对比剂量可以得到相应的ECV值。基于MRI的ECV值计算见公式（1），基于CT的ECV 值计算见公式（2）或（3）。其中，T1blood.post及T1blood.pre 分别为增强后及增强前同层面腹主动脉或髂外动脉的T1 值；ΔHU 肿瘤及ΔHU 血池分别为肿瘤实性部分及病灶所在层面主动脉平衡期CT值与其平扫期CT 值的差值；ID 为碘浓度，由能谱CT获取。

2 ECV在恶性肿瘤中的应用

2.1 ECV在恶性肿瘤诊断及鉴别诊断中的应用

胰腺纤维化是胰腺癌发生的独立危险因素，ECV可用于定量评估胰腺纤维化程度，FUKUI 等[10]应用增强CT将ECV应用到胰腺癌中，结果表明ECV可作为胰腺癌的成像标志物，高ECV 与胰腺癌的发生相关，当ECV 临界值为32.8%时，诊断胰腺癌发生的敏感度为61.0%，特异度为85.1%，但是需要进一步后续研究确定高ECV值的患者是否可能发展为胰腺癌。其次，这是一项单中心、回顾性、观察性研究，需要多中心的前瞻性研究来确定ECV在胰腺癌早期检测中的有用性。郑文霞等[7]研究发现，基于光谱CT 的ECV 可用于鉴别结肠癌组织和正常肠壁，结直肠癌组织的ECV高于正常肠壁组织（P＜0.05），其中静脉期、延迟期ECV 诊断结直肠癌的ROC 曲线下面积（area under the curve,AUC）分别为0.962、0.975，但该研究仅纳入结直肠癌患者，使结果有一定局限性，后续可通过增加腺瘤等良性肿瘤样本量来进行相关研究。纵向弛豫时间定量技术T1 mapping得到的ECV值[11]可用于鉴别胸腺癌与胸腺瘤，胸腺癌的ECV值高于高级别和低级别胸腺瘤[48.6 （38.4，57.8） vs.27.6 （24.5， 33.0） vs.31.1 （26.0, 36.4），P=0.002]。除了区分肿瘤良恶性[12]，CHANG等[11]的研究还可以用来鉴别胸腺上皮肿瘤中淋巴细胞丰富和稀疏程度，临界值为36.0%时，诊断的AUC为0.97，敏感度为92.3%，特异度为94.4%。

分析以上结果，肿瘤相关的癌细胞刺激肿瘤血管生成扩张导致微血管密度的增加及血管通透性增加，可引起恶性肿瘤的ECV 值相对增加；其次细胞成分的类型、密度、排列方式及细胞外基质沉积等均会引起ECM 的结构改变，从而导致ECV 之间的差异。因此根据以上研究，我们也可以将基于ECV的研究应用在更多不同类型肿瘤的良恶性诊断与鉴别诊断中，且可以进行多中心、多种成像方式的验证研究。

2.2 ECV在恶性肿瘤分化程度及分型中的应用

术前准确评估肿瘤的病理类型及分化程度，对临床治疗方式的选择及预后评估具有重要意义。高分化（高级别）肝癌细胞与肝细胞之间的异质性小，间质的变化也小，在崔凤娇等[13]的研究中，基于CT 的ECV 值可用于评估肝细胞癌的分化程度，高分化组的ECV 较低分化组高，当诊断阈值为28.56%时，敏感度和特异度分别为71%、90%。纤维化增加与肾透明细胞癌（clear cell renal cell carcinoma, CRCC）的生长和侵袭相关[14]，理论上分化良好（低分级）CRCC肿瘤细胞较大，细胞外间隙狭窄，细胞外基质无沉积，表现为低ECV。有研究[6]表明CRCC 高分级组增强CT 的ECV 值高于低分级组，预后差。在ADAMS 等[15]研究中，基于MRI 的T1 mapping 技术探讨了MRI 源性ECV 与CRCC 病理分级的相关性，结果表明低分级组CRCC 患者的ECV 明显较低，但样本量较小，仍需扩大样本量进一步验证。

与非小细胞肺癌相比，小细胞肺癌细胞密集，纤维成分少，导致细胞外空间较小[16]。鳞癌细胞体积大，易中央坏死引起细胞外间隙扩大，鳞癌和腺癌不同生长方式及坏死程度、血管密度也可导致ECV存在差异。杨咏青[16]通过MRI 和CT 获取肺癌的ECV，并与其病理类型进行对照分析，发现鳞癌及腺癌的MRI源性及CT 源性ECV 均大于小细胞肺癌（均P＜0.01），并且MRI 较CT 具有较高的敏感度、特异度及准确率（89.8%、92.3%、90.3% vs.73.5%、84.6%、75.8%）；而鳞癌的MRI源性及CT源性ECV虽然大于腺癌，但CT源性ECV差异无统计学意义（P＞0.05）。同样在WANG等[17]的研究中发现，宫颈腺癌患者的MRI 源性ECV 分数也略高于宫颈鳞状细胞癌者（43.81% vs.43.33%），但差异仍然无统计学意义。二者均表明鳞癌与腺癌的细胞成分不同，可导致细胞外间质的ECV值存在一定差异，但需要更多的样本量及进一步深入分析不同类型细胞成分之间差异是否具有统计学意义。

总体来说，MRI 及CT 源性ECV 已较多应用在恶性肿瘤分化程度及分型中，但是研究相对少且局限。随着MRI性能提高和各种成像序列的快速发展，可以在减轻运动伪影的同时缩短检查时间；扫描前进行B1 磁场校正可以提高组织T1 值的精确性，基于T1 mapping 的ECV 可以获得更加稳定的定量指标；故而基于MRI 的ECV 将有更加广泛的应用，可供临床医生及患者选择最优成像方式。今后还可以通过扩大样本量及开展多种类型肿瘤的不同影像检查方法对比研究来证实MRI 源性ECV 是否较CT 源性ECV 具有更高的诊断价值。

2.3 ECV在恶性肿瘤转移及神经脉管侵犯中的应用

癌症相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts, CAFs）对ECM 重塑起着重要作用，基质变硬则肿瘤更容易侵袭周围组织或发生转移[18]，预后不佳[3]，早期准确预测肿瘤的转移或周围浸润可以优化治疗方案，改善预后，ECV 发挥着重要价值。结直肠癌中微血管密度增加、粘连增生是预后不良的独立危险因素[19]。邵瑞丽[20]研究表明，结肠癌肝转移组CT 源性的ECV 明显高于无肝转移组，诊断的AUC 为0.807（95%CI：0.715～0.898）；同时当肿瘤组织ECV临界值为27.5%时，诊断淋巴结转移组患者的敏感度为92.0%，但该研究却未纳入对血管、淋巴管、神经侵犯的研究。正常淋巴结的淋巴细胞密集分布[21]导致相对较小的血管外-细胞外间隙，甲状腺乳头状癌的转移淋巴结将导致血管成分增加，同时，弥散的肿瘤细胞可能会破坏淋巴结的正常结构，从而导致血管内和血管外-细胞外间隙扩大，ECV 值增加[22]。ZHOU等[23]同时纳入光谱CT 和传统CT 进行了对比研究，结果证明转移性淋巴结的光谱CT及传统CT的ECV值均显著高于非转移性淋巴结（P＜0.01），光谱CT 的ECV较传统CT 而言不仅可获得最佳诊断效果（AUC：0.813 vs.0.793），且对于受颈根伪影影响的淋巴结也显示出良好的诊断效能（AUC=0.756）。

恶性肿瘤新生血管丰富且不成熟，血管脆性大易破损，因此血流量、血容量及血管通透性明显增加，导致对比剂进入组织间隙增多引起ECV变化。郑文霞等[7]研究发现基于双层探测器光谱CT 延迟期碘密度量化的ECV可以反映结直肠癌患者的神经、血管及淋巴管浸润情况，诊断的AUC分别为0.759、0.798、0.838。出现淋巴血管间隙侵犯（lymphovascular space invasion, LVSI）的宫颈癌患者易发生远处转移及复发，WANG 等[17]在79 例宫颈癌术后患者的研究中，将基于T1 mapping 的ECV 与动态对比增强MRI（dynamic contrast-enhanced MRI, DCE-MRI）相比，发现LVSI 组的ECV 分数明显高于无LVSI 组（52.86%vs.36.77%），差异具有统计学意义（P＜0.05），且基于T1 mapping 的ECV 鉴别LVSI 能力优于DCE-MRI 的容量转运常数（volume transfer constant, Ktrans）。

以上研究均表明ECV 可以用于预测肿瘤远处转移、淋巴结转移或周围组织侵犯，但大多为单中心的回顾性初步研究，纳入的病例数相对较小，未来研究中将进一步扩大样本量完善研究，进而得出具有说服力的结果。我们也可以创新地将ECV 应用在乳腺癌及胰腺癌转移相关方面的应用，因为除外微血管密度，CAFs 在外泌体中分泌因子也可促进乳腺癌细胞转移[24]，胰腺纤维化和癌症相关的粘连形成影响胰腺实体瘤的形成与转移[25]等均可导致ECV 不同。与单纯评估T1 mapping相比，ECV的优势在于它不依赖于场强、成像参数和对比剂剂量，而且是生理上直观的测量单位，有较高的应用价值。而在CT中，研究创新性使用碘浓度来定量反映病灶灌注，同时计算标准化碘浓度排除患者个体差异、血管因素及对比剂总量等的影响，为双层探测器光谱CT 多参数及ECV更好地应用于肿瘤研究提供了新思路，未来也可以将更多影像检查的ECV应用于肿瘤方面的研究。

2.4 ECV在恶性肿瘤预后及疗效评估中的应用

胰腺纤维化和细胞外基质沉积，是胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）的重要病理生理特征之一，影响着肿瘤进展、治疗耐药性和新血管的形成[26]。CAFs 在胰腺癌的纤维化中起着关键作用[27]，浸润增加是胰腺癌的不良预后指标[28]。PDAC 预后不佳，疗效不一，因此，迫切需要可靠的生物预测标志物[29]。FUKUKURA 等[30]利用多期增强CT 研究PDAC 的疗效，发现较低的肿瘤ECV 值是患者无进展生存期（progression-free survival, PFS）和总生存期（overall survival, OS）降低的独立预测因子，ECV在预测接受化疗的Ⅳ期PDAC患者的生存率中也有较高的诊断价值[31]。IWAYA等[32]研究虽表明CT 源性的ECV 分数是胰腺癌OS 的独立预测因子（P=0.012），ECV 较低的胰腺腺癌与化疗后患者生存率降低相关，但该研究未专门评估肿瘤ECV与治疗反应之间的关系，后续需进行相关方面的研究。WANG 等[17]的研究同样使用了增强CT 扫描，最终结果虽表明原发PDAC的ECV是PFS的独立预测因子（P=0.003），但未发现原发性PDAC的ECV是OS的预测因子。上述研究结果表明，ECV可作为PDAC患者预后评价的无创成像指标，高ECV值与局部晚期或转移性PDAC患者的化疗反应、疾病控制和改善PFS相关。除了PDAC，多期增强CT的ECV不仅是胰腺神经内分泌肿瘤中PFS及OS的独立预测因子[32]，还可以用于预测局部晚期直肠癌新辅助放化疗后的病理完全反应[33]。基于T1 Mapping 的ECV测量也为不良预后因素和对宫颈鳞状细胞癌患者进行术前风险评估提供更多无创定量指标[12]。

灌注CT 或DCE-MRI 与药代动力学建模，可以反映靶组织内的微循环特征，已被用作多种癌症预后的生物标志物[34-35]。与DCE-MRI 相比，平衡增强MRI测定的ECV值可以替代DCE-MRI药代动力学参数Ktrans和Ve 来预测PDAC 患者对化疗的治疗反应，且肿瘤ECV 值与Ktrans及血管外细胞外间隙容积分数（distribute volume perunit tissue volume, Ve）呈显著正相关[29]。据报道，Ktrans与Ve 可以预测胃癌[36]、卵巢癌和骨肉瘤[37]等各种癌症患者的化疗反应或预后，Ktrans在预测下咽癌[38]辅助化疗的治疗反应方面可能具有潜在价值。基于平衡对比增强CT测定的ECV 也可用于预测局部晚期直肠癌新辅助放化疗的病理完全反应[31]，我们大胆猜测，ECV 的平衡增强MRI或CT 在鼻咽癌、胃癌、食管癌[39]等化疗中是否具有类似潜在价值，能否作为化疗后的预测因素。这需要今后的研究重点关注肿瘤微观结构变化的非侵入性方法与早期治疗反应评估之间的联系[40]。

上述研究均表明基于MRI 及CT 的ECV 可作为恶性肿瘤预后及疗效评估的成像标记物，在恶性肿瘤相关研究中具有重要意义。CT 扫描时间快，方便快捷，双层探测器光谱CT 可以提供多参数并提高数据匹配和测量的准确度；MRI 无辐射且软组织分辨率较高，定量成像技术多样，同时引入ECV 可以避免磁场强度、序列选择等技术参数的影响，获得更加稳定、准确的结果，均在肿瘤成像中有着其重要价值。DCE-MRI 图像的获取和分析主要集中在对比剂流入和流出的初始阶段，在技术上具有挑战性，难以实现常规临床应用，今后的重点可以研究ECV是否可以取代灌注CT或DCE-MRI。

3 ECV在恶性肿瘤中研究现状与展望

基于ECV 在心肌及肝脏纤维化的研究中已广泛应用[41-43]，纤维化相关疾病如慢性胰腺炎、心肌炎、系统性硬化及外周血管、甲状腺眼病中也得到进一步推广[44-46]。除了纤维化，ECV 也可以作为淀粉样沉积[47-48]的无创定量因子。

ECV 的广泛应用给学者提供了更多方向，随着对微环境的深入了解，更多的目光聚焦在恶性肿瘤中，故本文分析了ECV在恶性肿瘤的诊断、分型、预后、淋巴结转移等中的应用，但目前存在一定问题：ECV 在恶性肿瘤方面的应用尚处于一个萌芽状态、纳入研究数量较少、平衡时间尚未统一、平衡期影响因素、对比剂注射方案等尚不一致。后续可通过加大样本量、多中心对比研究、研究不同脏器延迟期扫描最优时间、标准对比剂注射方案等进行优化，还可进一步探索更长延迟时间存在的意义。除了微血管密度，血管内间隙增加[49]、间质的非纤维化扩张（水肿、急性坏死）、铁沉积、血容量等引起细胞外基质改变的因素均可纳入研究；不同成像方式的引入及对比也将成为今后研究的重点，从常规MRI 到动态增强MRI、T1 mapping、磁共振指纹技术[50]、传统CT 到光谱CT、基于列线图的CT[51]等。

综上所述，MRI 源性及CT 源性ECV 可以为临床决策提供更多指导性无创成像标记物，但MRI 及ECV 有各自的优点与不足。随着MRI 及CT 新技术不断改进和完善、更多恶性肿瘤微环境的深入研究，必将极大促进ECV在不同恶性肿瘤中的应用，基于MRI及CT的ECV将有着更加广阔的应用前景。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：杨亚英设计本研究的方案，对稿件的重要内容进行了修改；王艺洁起草和撰写稿件，获取、分析或解释本研究的数据/文献；魏博、陈海静、曹朝阳获取、分析本研究的数据，对稿件重要内容进行了修改；杨亚英获得了云南省放射与治疗临床研究中心专项基金的资助。全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。