結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物相關(guān)影像學(xué)研究進(jìn)展

林曉強，韓濤，張斌，鄧靚娜，景夢園，周俊林*

1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院放射科，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省醫(yī)學(xué)影像重點實驗室，蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，甘肅 蘭州 730030；4.醫(yī)學(xué)影像人工智能甘肅省國際科技合作基地，甘肅 蘭州 730030；*通信作者 周俊林 lzuzjl601@163.com

結(jié)直腸癌是胃腸道最常見的惡性腫瘤之一，約占全世界每年確診癌癥和癌癥相關(guān)死亡人數(shù)的10%[1]，發(fā)病及死亡率在50歲以下人群中均呈上升趨勢[2]，通過影像學(xué)早期診斷及評估能有效改善結(jié)直腸癌的預(yù)后。目前，CT、MRI、PET/CT等影像技術(shù)以及新興的影像組學(xué)等對結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物檢測已取得顯著進(jìn)展，對診療、評估及預(yù)后有重要臨床意義。本文對結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物關(guān)于影像學(xué)的研究進(jìn)展做一綜述。

1 結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物

基于遺傳和表觀遺傳學(xué)特征的分子標(biāo)志物如Kirsten鼠肉瘤病毒癌基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，KRAS）、神經(jīng)母細(xì)胞瘤RAS病毒致癌基因同系物（neuroblastomaRASviral oncogene homolog，NRAS）、V-raf鼠肉瘤病毒癌基因同源物B（V-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B，BRAF）、人表皮生長因子受體-2（human epidermal growth factor receptor 2，HER-2）、彌漫性微衛(wèi)星不穩(wěn)定性（microsatellite Instability，MSI）等在結(jié)直腸癌的發(fā)生及發(fā)展中有重要地位，是目前結(jié)直腸癌的研究熱點，并已應(yīng)用于臨床。

KRAS與NRAS是RAS家族的主要成員，參與體內(nèi)多種細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，主要功能是控制細(xì)胞增殖、分化、黏附及凋亡等，RAS原癌基因家族作為表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）的下游調(diào)節(jié)因子，KRAS/NRAS突變導(dǎo)致EGFR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑發(fā)生過表達(dá)引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化[3]。在KRAS突變的轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌群體中，多項研究發(fā)現(xiàn)以西妥昔單抗或帕尼單抗為代表的抗EGFR靶向藥物治療效果不佳，而在KRAS野生型患者中，加入西妥昔單抗可以改善預(yù)后，KRAS突變與無進(jìn)展生存期和總生存期（overall survival，OS）較差相關(guān)[4]；此外，即使為KRAS野生型，NRAS突變患者亦不能從抗EGFR的治療中獲益，并且比野生型患者的OS更差[5]。多項臨床研究發(fā)現(xiàn)，BRAF突變是預(yù)后不良的指標(biāo)[3,6]。微衛(wèi)星是散布于基因組的短重復(fù)DNA序列，因其重復(fù)性高，易導(dǎo)致DNA聚合酶滑動引起突變和錯配，錯配修復(fù)基因突變使錯誤堿基對無法被錯配修復(fù)系統(tǒng)清除，導(dǎo)致基因組突變頻率升高，誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。臨床試驗表明在轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌人群中以程序性死亡受體抑制劑為主導(dǎo)的免疫治療方案使MSI預(yù)后明顯優(yōu)于微衛(wèi)星穩(wěn)定性（microsatellite stability，MSS）[7]。HER-2在結(jié)直腸癌中過表達(dá)與腫瘤侵襲性更強相關(guān)，但與疾病預(yù)后的聯(lián)系尚存在爭議[8]。

2 結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物相關(guān)影像學(xué)成像技術(shù)

2.1 CT CT最常用于結(jié)直腸癌診斷和評估，對結(jié)直腸癌的術(shù)前定位、轉(zhuǎn)移評估及術(shù)后隨訪有重要作用。在常規(guī)CT形態(tài)學(xué)征象方面，KRAS、NRAS、BRAF突變狀態(tài)和MSI等與腫瘤定位、腫瘤大小、淋巴及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移等臨床病理特征具有相關(guān)性，但不同研究結(jié)果差異較大[6,8-9]。多項研究報道KRAS、BRAF及MSI在右半結(jié)腸的突變率高于左半結(jié)腸[9-10]，BRAF在直腸癌突變率可低至2.3%[11]，但亦有研究表示左、右半結(jié)腸癌間KRAS、BRAF突變狀態(tài)無顯著差異[12]。范真真等[13]報道通過基于靜脈期直腸上靜脈直徑結(jié)合Beets-Tan等的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移定性標(biāo)準(zhǔn)[14]的融合模型預(yù)測KRAS突變效能良好（AUC=0.81），直腸上靜脈最佳臨界點為4.5 mm，該研究的理論基礎(chǔ)是KRAS與血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表達(dá)一致，腫瘤新生血管生成增加會造成直腸上靜脈管徑擴(kuò)張，引起相應(yīng)部位的靜脈回流量增加。此外，既往研究發(fā)現(xiàn)KRAS基因突變狀態(tài)與腫瘤的息肉狀生長模式有關(guān)，推測是KRAS突變基因在低級別腺瘤轉(zhuǎn)化為高級別腺瘤的過程中發(fā)揮了作用[15-16]。

在CT定量參數(shù)評估方面，能譜CT相對于常規(guī)CT不僅可以提供組織器官常規(guī)解剖結(jié)構(gòu)信息，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理還可以獲得虛擬平掃、單能量及基物質(zhì)對圖像；其中單能量成像可以提升信噪比獲得更好的圖像質(zhì)量，碘基物質(zhì)圖通過定量碘濃度可以準(zhǔn)確反映病變組織對碘劑的攝取，即病變血供情況；能譜曲線通過曲線斜率定量評估人體內(nèi)不同化學(xué)成分的組織；此外，還可以利用有效原子序數(shù)Z進(jìn)行物質(zhì)檢測及鑒別。王丹[9]使用能譜CT預(yù)測KRAS突變發(fā)現(xiàn)碘濃度值、低keV單能量值、標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度值及能譜曲線斜率可以反映KRAS突變狀態(tài)；Cao等[17]也獲得類似的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了諾模圖預(yù)測結(jié)直腸癌的KRAS突變狀態(tài)，性能較好（AUC=0.848）。Wu等[15]使用雙能CT在術(shù)前預(yù)測MSI的研究中發(fā)現(xiàn)，MSI組的三期標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度值、能譜曲線斜率及有效原子序數(shù)均明顯低于MSS組，使用以上參數(shù)的多因素Logistic模型能有效鑒別MSI和MSS結(jié)直腸癌（AUC=0.886）。

2.2 MRI MRI是早期直腸癌的首選分期檢查方法，在判斷腫瘤定位、浸潤深度和周圍脂肪浸潤等方面較CT更有優(yōu)勢，目前在常規(guī)MRI和功能MRI相關(guān)的定量參數(shù)中均有大量研究。體素內(nèi)不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）是一種用于定量評估組織擴(kuò)散與灌注信息的成像序列，Xu等[18]使用擴(kuò)散加權(quán)成像中衍生的表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值與IVIM參數(shù)預(yù)測直腸癌的KRAS狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)KRAS突變組的Max-ADC值、Mean-ADC值和純擴(kuò)散系數(shù)值明顯低于野生型組，這一特征表明具有不同KRAS突變狀態(tài)的直腸癌具有獨特的擴(kuò)散和灌注特征，但姜雪琴等[16]發(fā)現(xiàn)ADC值與腫瘤的KRAS狀態(tài)無相關(guān)性，而使用常規(guī)MRI形態(tài)特征包括腫瘤最大軸向長度（axial tumor lengths，ATL）、最大軸向長度/腫瘤最大縱向長度（ATL/longitudinal tumor lengths，ATL/LTL）能有效預(yù)測KRAS突變，但目前研究表明ATL、ATL/LTL對于KRAS突變的診斷準(zhǔn)確率有限[17,19]。擴(kuò)散峰度成像作為一種非高斯分布擴(kuò)散模型，能反映組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不均一性特征，李丹丹等[20]發(fā)現(xiàn)直腸癌擴(kuò)散峰度成像的平均ADC在KRAS突變組顯著低于野生組（P＜0.01），而平均峰度顯著高于野生組，且診斷效能更高（AUC=0.845）。HER-2是影響細(xì)胞增殖的分子生物學(xué)標(biāo)志物，王莉莉等[21]研究發(fā)現(xiàn)HER-2與擴(kuò)散峰度成像指標(biāo)無顯著相關(guān)性，擴(kuò)散峰度模型價值有限。王靈華[22]發(fā)現(xiàn)動態(tài)增強定量參數(shù)Kep與直腸癌KRAS突變有相關(guān)性，聯(lián)合平均峰度后敏感度和特異度更高，表明其成為直腸癌KRAS突變狀態(tài)的影像學(xué)標(biāo)志物的潛力。然而，目前結(jié)腸癌在磁共振定量成像中的研究較直腸癌少，還需要更多的相關(guān)研究以證實兩者的共同點和差異。

2.318F-FDG PET/CT PET/CT結(jié)合形態(tài)學(xué)與功能成像，已廣泛用于臨床診斷，是最早應(yīng)用于結(jié)直腸癌的基因組學(xué)影像手段。標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（SUV）即局部組織攝取顯像劑的放射性活度與全身平均活度的比值，是病灶放射性攝取值的半定量指標(biāo)，其中最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（SUVmax）、平均標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（SUVmean）和最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取峰值（peak standardized uptake value，SUVpeak）是在病灶的感興趣區(qū)取平均值、最大值和腫瘤最高代謝部位為中心的固定1 cm3球形感興趣體積（volume of interest，VOI）SUVmean而得到，可以反映病灶組織代謝活躍程度，但也受到血糖水平、操作方法等因素影響。目前SUVmax應(yīng)用廣泛，既往多以SUVmax=2.5 作為診斷閾值；腫瘤代謝體積（metabolic tumor volume，MTV）指VOI內(nèi)藥物攝取增高異常的全部體素體積之和，反映異常代謝腫瘤體積，MTV一般采用百分比閾值法，常用閾值為40%SUVmax；病灶MTV和該體積內(nèi)SUVmean的乘積代表病變區(qū)域糖酵解總量（total lesion glycolysis，TLG），較以上參數(shù)更能代表腫瘤代謝負(fù)荷的概念。He等[23]發(fā)現(xiàn)SUVmax、腫瘤靶組織與非靶組織比（target tissue to nontarget tissue ratio，T/NT）有助于預(yù)測結(jié)直腸癌中KRAS/NRAS/BRAF的突變狀態(tài)，突變組的SUVmax及T/NT均高于野生型組。盡管SUVmax應(yīng)用廣泛，但對于預(yù)測基因突變的研究尚存在爭議，劉昕等[24]發(fā)現(xiàn)盡管帶有KRAS突變的結(jié)直腸癌葡萄糖代謝明顯高于野生型組，但各SUV指標(biāo)臨床價值有限（AUC＜0.7）；MTV在多項研究中均體現(xiàn)出較好的診斷價值，但TLG并未顯示出與KRAS突變明顯的相關(guān)性[25-26]。一項囊括804例患者的Meta分析[27]顯示18F-FDG PET/CT預(yù)測結(jié)直腸癌KRAS突變的敏感度及特異度較低，表明其對KRAS突變的預(yù)測價值需要更多研究證實。18F-FDG PET/CT還有助于確定針對轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌的治療策略，Cho等[28]發(fā)現(xiàn)在Ⅳ期結(jié)直腸癌中，KRAS突變患者的肺轉(zhuǎn)移率更高，18F-FDG 攝取量更高。除FDG 外，胸腺嘧啶核苷（fluorothymidine，F(xiàn)LT）或成纖維活化蛋白抑制劑等其他PET分子示蹤劑已在臨床應(yīng)用，但與結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物的相關(guān)研究較少。McKinley等[29]使用18F-FLT PET評估西妥昔單抗對KRAS野生型直腸癌的療效，與術(shù)后病理組織Ki-67具有良好的相關(guān)性。核醫(yī)學(xué)分子影像發(fā)展迅速，一體化PET/MR的出現(xiàn)提升了同機融合圖像的敏感度、分辨率等，較PET/CT具有無電離輻射的優(yōu)勢，目前在腫瘤分期方面明顯優(yōu)于PET/CT，但PET/MR在結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物方面的研究鮮有報道。

2.4 影像組學(xué)/深度學(xué)習(xí) 影像組學(xué)開辟了醫(yī)工結(jié)合的新方向。在方法上，影像組學(xué)提取的圖像特征，包括形狀、灰度、紋理等，采用支持向量機、隨機森林、LASSO方法降維篩選變量；深度學(xué)習(xí)直接使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征，再結(jié)合全連接層等完成分類和預(yù)測。Yang等[30]從門靜脈期CT圖像中提取放射學(xué)特征通過RELIEFF特征選擇算法篩選特征并建立組學(xué)模型，訓(xùn)練集KRAS/NRAS/BRAF突變的AUC為0.869，與驗證集診斷準(zhǔn)確度接近，表明CT組學(xué)模型有助于鑒別KRAS突變。一項納入結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的研究中，Shi等[31]結(jié)合語義和放射學(xué)特征通過深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建預(yù)測模型能有效區(qū)分KRAS/NRAS/BRAF，訓(xùn)練組和驗證組AUC分別為0.95和0.79，表明該方法能有效改善在結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移中的非侵入預(yù)測基因突變準(zhǔn)確度。Fan等[32]提取影像組學(xué)特征并融合臨床特征預(yù)測亞洲Ⅱ期結(jié)直腸癌的MSI狀態(tài)，融合模型比單一模型具有更高的效能；Wu等[33]開發(fā)基于靜脈期碘基圖的多參數(shù)回歸模型預(yù)測微衛(wèi)星狀態(tài)，測試組中AUC值為0.875，表明雙能CT紋理信息對于預(yù)測結(jié)直腸癌MSI狀態(tài)的巨大潛力?；贛R的紋理分析亦能對腫瘤組織中的基因突變狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測。Oh等[34]使用從T2WI提取的放射學(xué)特征區(qū)分具有KRAS突變狀態(tài)，根據(jù)顯著相關(guān)的紋理特征建立的決策樹模型的敏感度、特異度和準(zhǔn)確度分別為84%、80%和81.7%，表明T2WI的組學(xué)特征可用于預(yù)測直腸癌KRAS突變狀態(tài)。此外，由于目前基于18F-FDG PET/CT的組學(xué)研究多為小樣本研究，不同研究者結(jié)果間的差異較大。Chen等[35]研究表明基于MTV的紋理特征可有效識別KRAS突變；而Lovinfosse等[36]發(fā)現(xiàn)除少量一階特征外，灰度紋理特征與KRAS突變無相關(guān)性，且敏感度、特異度均不高，不足以投入臨床使用，18F-FDG PET/CT的影像組學(xué)模型還需要更大的樣本量支持，有待后期進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

結(jié)直腸癌是生物學(xué)高度異質(zhì)性的腫瘤，術(shù)前評估腫瘤分子生物學(xué)標(biāo)志物有助于識別腫瘤組織學(xué)來源、預(yù)測腫瘤進(jìn)展或轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)風(fēng)險。傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)信息對于分子標(biāo)志物的預(yù)測能力有限，而新興技術(shù)如能譜CT、擴(kuò)散加權(quán)成像等能量化腫瘤的影像學(xué)信息，PET/CT結(jié)合了腫瘤的代謝信息，不同的分子示蹤劑在不同方面各有優(yōu)勢，影像組學(xué)等能從肉眼無法識別的非語義特征中提取信息幫助評估，在預(yù)測結(jié)直腸癌分子標(biāo)志物研究中的初步探索取得了一定的成果，但臨床應(yīng)用受制于研究樣本量較小；不同研究結(jié)果間差異較大，目前還需要更大樣本和多中心研究探討。隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展和影像生物學(xué)標(biāo)志物的研究，結(jié)直腸癌個體化精準(zhǔn)治療會發(fā)揮更重要的作用。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突