酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移加權(quán)和擴(kuò)散峰度成像對(duì)直腸癌化療和未化療的定量對(duì)比研究

董宛，劉愛(ài)連*，陳安良，陳麗華，王家正

1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116011；2.飛利浦醫(yī)療臨床科學(xué)部，北京 100000；*通信作者 劉愛(ài)連liuailian@dmu.edu.cn

結(jié)直腸癌是世界癌癥相關(guān)死亡的主要原因之一[1]，治療晚期直腸癌通常采用術(shù)前輔助化療[2]。評(píng)估直腸癌化療效果的“金標(biāo)準(zhǔn)”是術(shù)后病理，但其為侵入性檢查，且術(shù)后病理不便重復(fù)，不利于復(fù)查和隨診。MRI是術(shù)前評(píng)估化療反應(yīng)的重要方法，但由于新輔助化療所導(dǎo)致的纖維化和炎癥反應(yīng)，常規(guī)MRI判斷準(zhǔn)確率低，主觀性強(qiáng)，判定一致性差。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移加權(quán)（amide proton transfer-weighted，APTw）成像和擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是兩種不同的新型MRI技術(shù)。APTw是一種內(nèi)源性化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemical exchange saturation transfer，CEST）成像技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)內(nèi)源性移動(dòng)蛋白或酰胺質(zhì)子與水質(zhì)子之間的交換評(píng)估細(xì)胞內(nèi)蛋白濃度和pH的變化，已應(yīng)用于不同疾病和器官的研究[3-5]。DKI是在擴(kuò)散張量成像的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，用于測(cè)量各向異性受限環(huán)境中水的擴(kuò)散，已應(yīng)用于子宮、直腸、顱腦等部位的初步探索[6-8]。目前采用APTw和DKI定量評(píng)估直腸癌化療效果的研究較少，本研究擬探討采用這兩種技術(shù)評(píng)估直腸癌化療和未化療病灶顯像差異的可行性，初步探索直腸癌化療效果評(píng)估技術(shù)，為臨床提供術(shù)前預(yù)測(cè)直腸癌化療效果的可能輔助工具。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性收集2019年4月—2020年11月于大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院行直腸3.0T MRI檢查的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)（同時(shí)滿足以下2項(xiàng)）：①經(jīng)組織病理學(xué)診斷為直腸腺癌，MRI檢查前未做任何治療（未化療組）；或經(jīng)組織病理學(xué)診斷為直腸腺癌，行XELOX化療方案或卡培他濱單藥化療，化療1個(gè)周期以上且末次化療結(jié)束后10周內(nèi)行MRI檢查（化療組）；②MRI序列包括常規(guī)序列及APTw、DKI序列，圖像完整且質(zhì)量?jī)?yōu)。排除標(biāo)準(zhǔn)（滿足以下任意1項(xiàng)）：①圖像偽影較重，影響直腸癌病灶的觀察及測(cè)量；②病灶過(guò)小（＜5 mm），不能清楚地勾畫(huà)感興趣區(qū)（ROI）；③直腸癌確診，但行手術(shù)治療后復(fù)查者。最終納入直腸癌患者45例，其中化療組14例，男性7例，年齡28～75歲；未化療組31例，男性21例，年齡41～83歲。本研究經(jīng)過(guò)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（審批號(hào)：PJ-KS-KY-2019-49），免除受試者知情同意。

1.2 儀器與方法 采用飛利浦3.0T MR掃描儀（Ingenia CX）進(jìn)行直腸MR掃描，16通道腹部線圈，掃描前4～6 h囑患者禁食水，取仰臥位。掃描序列包括APTw、DKI序列及T1WI、T2WI、擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）、動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)MRI（DCE-MRI）等常規(guī)MRI序列，掃描參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 直腸MRI各掃描序列的掃描參數(shù)

1.3 圖像分析 在操作平臺(tái)進(jìn)行圖像后處理，獲得APTw、DKI重建圖像，再將圖像傳至ISP（IntelliSpace Portall Version7）工作站。由兩名分別具有7年和10年工作經(jīng)驗(yàn)的住院醫(yī)師采用雙盲法進(jìn)行圖像分析和測(cè)量。首先參照直腸癌病灶在T2WI、DWI和DCE-MRI圖像上找到信號(hào)強(qiáng)度異常的軸位最大病灶實(shí)質(zhì)層面，避開(kāi)囊性、出血、壞死區(qū)，分別將3個(gè)ROI手動(dòng)放置在APTw和DKI參數(shù)圖像對(duì)應(yīng)的位置上，測(cè)量病灶的APTw值和各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）、平均擴(kuò)散系數(shù)（mean diffusivity，MD）、平均峰度（mean kurtosis，MK）值（圖1、2），并取3個(gè)ROI所測(cè)值的平均值作為該病灶的定量值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用組間相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation efficient，ICC）檢驗(yàn)兩位觀察者測(cè)得數(shù)據(jù)的一致性，ICC＜0.4為一致性差，0.4～0.75為一致性一般，＞0.75為一致性良好，若一致性良好，取兩位觀察者測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行后續(xù)分析。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的正態(tài)性，正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；偏態(tài)分布的計(jì)量資料用M（Q1，Q3）表示，采用Mann-WhitneyU檢56

56驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。應(yīng)用Logistic回歸計(jì)算APTw-DKI聯(lián)合參數(shù)的預(yù)測(cè)值。分別評(píng)估兩組APTw、DKI及聯(lián)合參數(shù)值有差異的參數(shù)受試者工作特征（ROC）曲線，獲得區(qū)分兩組的曲線下面積、敏感度、特異度和閾值。采用Delong檢驗(yàn)比較各參數(shù)ROC曲線的差異，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組病灶基本影像學(xué)表現(xiàn) 化療組與未化療組病灶均表現(xiàn)為T(mén)1WI呈等低信號(hào)，T2WI呈等高信號(hào)，DWI呈明顯高信號(hào)，動(dòng)態(tài)增強(qiáng)呈“快進(jìn)快出”強(qiáng)化方式，無(wú)法從影像表現(xiàn)上區(qū)分兩組。

2.2 兩名觀察者測(cè)量結(jié)果一致性檢驗(yàn) 兩名觀察者測(cè)量結(jié)果一致性良好（ICC均＞0.75），取兩者平均值進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

表2 兩名觀察者測(cè)得直腸癌化療組與未化療組APTw值和DKI定量參數(shù)及一致性檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 化療組與未化療組APTw定量值比較 直腸癌化療組的APTw值為1.36（1.14，1.88）%，低于未化療組的2.88（2.58，3.35）%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-4.598，P＜0.001）。

2.4 化療組與未化療組DKI定量值比較 直腸癌化療組的MD值為2.31（1.73，2.42）μm2/ms，高于未化療組的1.17（0.91，1.46）μm2/ms，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-3.923，P＜0.001）。直腸癌化療組和未化療組的FA值分別為0.28（0.25，0.30）、0.28（0.23，0.32），差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-0.392，P=0.756）；MK值分別為0.46±0.08、0.53±0.13，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=1.812，P=0.077）。

2.5 APTw、MD、APTw-MD對(duì)直腸癌化療與未化療組的鑒別效能 區(qū)分化療和未化療組病變的APTw和MD值的曲線下面積（AUC）分別為0.93和0.87。APTw聯(lián)合MD值區(qū)分兩組的AUC為0.99，敏感度為92.9%，特異度為96.8%（表3）。APTw與MD、APTw與APTw-MD之間的AUC比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=0.809、1.425，P均＞0.05）；APTw-MD的AUC大于MD，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=2.136，P=0.033），見(jiàn)圖3。

表3 各參數(shù)區(qū)分直腸癌化療組與未化療組的ROC結(jié)果

3 討論

3.1 直腸癌化療與未化療病灶的DKI定量參數(shù)比較DKI由Jensen等[9]提出，其可以提供組織的微觀結(jié)構(gòu)和病理生理信息。傳統(tǒng)DWI基于水?dāng)U散遵循高斯行為的假設(shè)，即水分子可以不受任何限制地?cái)U(kuò)散。然而在活體組織中，擴(kuò)散通常受組織微觀結(jié)構(gòu)的限制，即表現(xiàn)出非高斯現(xiàn)象[10]。DKI主要用于探查非高斯運(yùn)動(dòng)的水分子擴(kuò)散特征，與傳統(tǒng)DWI相比，其表達(dá)活體組織水分子的運(yùn)動(dòng)更準(zhǔn)確[11]。DKI參數(shù)包括FA、MD、MK等。MD是經(jīng)過(guò)非高斯分布矯正過(guò)的ADC值，反映分子整體的擴(kuò)散水平和擴(kuò)散阻力[12]，與水分子運(yùn)動(dòng)自由程度成正比[13]。

Xie等[14]研究發(fā)現(xiàn)，晚期直腸癌MD值較早期直腸癌低，是因?yàn)橥砥谥蹦c癌病灶大、浸潤(rùn)深，實(shí)性成分和微血管可以增加腫瘤細(xì)胞密度。因此，晚期直腸癌微觀結(jié)構(gòu)比早期更復(fù)雜且異質(zhì)。李夏銣等[15]報(bào)道MD值隨著直腸癌腫瘤分化程度的降低而降低，其原因可能是由于腫瘤分化程度越低，細(xì)胞數(shù)量越多，排列越緊密，組織微觀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，水分子的擴(kuò)散越受限制，從而導(dǎo)致MD值較低。化療可以使直腸癌病灶腫瘤結(jié)構(gòu)被破壞，使腫瘤實(shí)質(zhì)細(xì)胞壞死、減少，水分子擴(kuò)散相對(duì)不受限，從而導(dǎo)致MD值較未化療病灶更高，本研究結(jié)果顯示化療組的MD值高于未化療組，驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，提示DKI定量參數(shù)可能因?yàn)榛煂?dǎo)致腫瘤內(nèi)水含量的變化而不同，DKI可能具有評(píng)估直腸癌化療效果的潛能，可以提供術(shù)前評(píng)估化療效果。

3.2 直腸癌化療與未化療病灶的APT定量參數(shù)比較CEST作為一種新型的MRI對(duì)比機(jī)制，在分子成像領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。Zhou等[16]開(kāi)發(fā)了APTw成像作為內(nèi)源性CEST成像技術(shù)。APTw成像的目的是檢測(cè)在MRI光譜中體內(nèi)移動(dòng)蛋白主鏈上的可交換酰胺質(zhì)子，即通過(guò)MRI中的大量水信號(hào)間接獲取內(nèi)源性細(xì)胞蛋白信息（如估計(jì)器官中蛋白質(zhì)和肽的量），從而將分子MRI技術(shù)的范圍擴(kuò)展到蛋白水平[17]。既往研究表明，APTw信號(hào)強(qiáng)度可以預(yù)測(cè)神經(jīng)膠質(zhì)瘤和肝細(xì)胞癌的病理分級(jí)、診斷宮頸鱗癌和評(píng)估分級(jí)[4,18-19]。

Nishie等[20]通過(guò)測(cè)量局部進(jìn)展期直腸癌化療后的病灶A(yù)PTw信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)化療效果良好的病灶A(yù)PTw值低于療效差者，效能為0.87，敏感度與特異度分別為75%、100%，其原因可能是由于腫瘤細(xì)胞具有很高的增殖活性，與正常組織相比，許多蛋白質(zhì)均過(guò)表達(dá)，含有的蛋白質(zhì)或多肽含量也較多，因此APTw值較高；而化療可以減少腫瘤細(xì)胞及蛋白質(zhì)的合成，因此化療后的APTw值較低。本研究結(jié)果顯示，化療組的APTw值較未化療組低，與Nishie等[20]的結(jié)果相同，提示APTw具有評(píng)估直腸癌化療效果的潛能，可能成為臨床術(shù)前評(píng)估化療效果的方法。

3.3 本研究的優(yōu)缺點(diǎn) 與既往研究相比，本研究存在以下優(yōu)勢(shì)：①采用3.0T MR掃描儀，較1.5T MR和CT具有更高的空間分辨率和信噪比，診斷效能更好；②以T2WI、DWI和DCE-MRI圖像做參照，能更準(zhǔn)確地判定及畫(huà)取病灶；③聯(lián)合應(yīng)用DKI和APTw兩種新技術(shù)，較傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)序列具有創(chuàng)新性。

本研究的局限性：①是一項(xiàng)回顧性研究，結(jié)果需要前瞻性大樣本研究驗(yàn)證；②為橫斷面研究，缺少同一患者化療前后病灶的縱向?qū)Ρ?；③采用新技術(shù)聯(lián)合，缺少既往文獻(xiàn)做對(duì)比及理論基礎(chǔ)；④化療后未經(jīng)病理評(píng)估化療反應(yīng)。本研究未來(lái)將繼續(xù)擴(kuò)大樣本量，以術(shù)后病理療效分級(jí)為“金標(biāo)準(zhǔn)”，收集同一患者化療前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

綜上所述，化療后導(dǎo)致腫瘤水分子擴(kuò)散相對(duì)不受限及蛋白質(zhì)合成減少，使APTw和DKI能定量區(qū)分直腸癌化療和未化療病灶，且具有良好的效能、特異度和敏感度，提示這兩種技術(shù)具有評(píng)估直腸癌化療效果的潛能，可能作為非侵入性檢查在術(shù)前預(yù)測(cè)直腸癌化療效果，成為直腸癌個(gè)體化治療的重要指標(biāo)，具有良好的臨床應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步探索。