1、中国医学影像学杂志 2023 年 第 31 卷 第 9 期 妇产科影像学论著 967 磁共振功能成像评价宫颈鳞状细胞癌乏氧微环境磁共振功能成像评价宫颈鳞状细胞癌乏氧微环境 卢佳翔1,栾一祎1,秦凤英1,孙丽丽2,徐宏明3,于韬1,董越1*1.大连医科大学附属肿瘤医院,辽宁省肿瘤医院放射科,辽宁 沈阳 110041;2.辽宁省肿瘤医院病理科,辽宁 沈阳 110041;3.大连理工大学,辽宁 大连 116081;*通信作者 董越 【基金项目基金项目】国家癌症中心攀登基金(NCC201806B011);大连理工大学-辽宁省肿瘤医院医工交叉联合基金项目(LD202119);2022 年辽宁省应用基础研
2、究计划(2022JH2/101300074)【摘要摘要】目的目的 探讨动态对比增强磁共振(DCE-MRI)和扩散加权成像(DWI)定量参数与宫颈鳞状细胞癌(CSCC)病理特征及缺氧诱导因子-1(HIF-1)表达的相关性。资料与方法资料与方法 回顾性纳入 2014 年 12 月2017 年 8 月辽宁省肿瘤医院 CSCC 患者 81 例,治疗前行盆腔 MRI 平扫、DWI 及 DCE-MRI 检查。收集患者的淋巴结转移、脉管癌栓、间质浸润深度、分化程度等病理特征,测量 DCE-MRI 参数转移常数(Ktrans)、组织间隙-血浆速率常数(Kep)、细胞外血管外血浆容积分数(Ve)、表观扩散系数(
3、ADC)值及 HIF-1 表达,分析不同病理特征组各参数的差异,评价 DCE-MRI、DWI 定量参数与 HIF-1 表达的相关性。结果结果 CSCC 患者有无淋巴结转移6.00(3.00,6.00)比 4.00(1.25,4.00);Z=2.804、有无脉管癌栓6.00(3.00,6.00)比 4.00(1.00,5.50);Z=3.169、间质浸润深度2.00(0.00,4.00)比 5.00(3.00,6.00);Z=2.986、分化程度0.00(0.00,0.00)比 4.00(2.00,6.00)比 6.00(3.00,6.00);H=7.659组间 HIF-1 表达差异有统计学意义
4、(P 均0.05)。HIF-1 表达与 Ktrans、Kep呈正相关(r=0.478、0.388,P0.01),与 Ve、ADC 值无相关性。结论结论 DCE-MRI 定量参数 Ktrans、Kep与组织缺氧内在标志物 HIF-1 表达呈正相关,可以对 CSCC 原发灶的肿瘤乏氧微环境进行有效评估。【关键词关键词】宫颈鳞状细胞癌;动态增强磁共振成像;扩散加权成像;缺氧诱导因子-1【中图分类号中图分类号】R711.74;R445.2 【DOI】10.3969/j.issn.1005-5185.2023.09.014 Evaluation of Hypoxic Microenvironment o
5、f Cervical Squamous Cell Carcinoma via Magnetic Resonance Functional Imaging LU Jiaxiang1,LUAN Yiyi1,QIN Fengying1,SUN Lili2,XU Hongming3,YU Tao1,DONG Yue1*Department of Radiology,Liaoning Cancer Hospital&Institute,Dalian Medical University Clinical Oncology College,Shenyang 110041,China;*Address Co
6、rrespondence to:DONG Yue;E-mail:【Abstract】Purpose To evaluate the correlation of quantitative parameters of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging(DCE-MRI)and diffusion weighted imaging(DWI)with the pathological features and the expression of hypoxia-inducible factor 1(HIF-1)in patient
7、s with cervical squamous cell carcinoma(CSCC).Materials and Methods A total of 81 patients with CSCC from December 2014 to August 2017 in Liaoning Cancer Hospital&Institute were retrospectively analyzed.The patients underwent pelvic DWI and DCE-MRI before treatment.The lymph node metastasis(LNM),lym
8、phovascular space invasion(LVSI),deep stromal invasion(DSI)and differential degree(DD)were collected.The DCE-MRI parameters(Ktrans,Kep and Ve)and apparent diffusion coefficient(ADC)values were measured.HIF-1 expression were obtained.The difference of expression of HIF-1 and DCE-MRI and DWI parameter
9、s in patients with different pathological features were compared.The correlation of MRI quantitative parameters and HIF-1 expression was evaluated.Results The expression of HIF-1 in patients with CSCC was significantly different between groups with or without LNM 6.00(3.00,6.00)vs.4.00(1.25,4.00),Z=
10、2.804,LVSI 6.00(3.00,6.00)vs.4.00(1.00,5.50),Z=3.169,DSI 2.00(0.00,4.00)vs.5.00(3.00,6.00),Z=2.986 and DD 0.00(0.00,0.00)vs.4.00(2.00,6.00)vs.6.00(3.00,6.00),H=7.659(all P0.05).HIF-1 was positively correlated with Ktrans and Kep(r=0.478,0.388,P0.01).There was no correlation between HIF-1 expression
11、and Ve as well as ADC value.Conclusion The 妇产科影像学论著 中国医学影像学杂志 2023 年 第 31 卷 第 9 期 968 DCE-MRI quantitative parameters Ktrans and Kep are positively correlated with the expression of HIF-1,an intrinsic marker of tissue hypoxia,and could provide a valid assessment of the tumor hypoxic microenvironment
12、 in the primary foci of CSCC.【Key words】Cervical squamous cell carcinoma;Dynamic enhanced magnetic resonance imaging;Diffusion weighted imaging;Hypoxic inducible factor 1 Chinese Journal of Medical Imaging,2023,31(9):967-972宫颈癌在全球女性癌症发病率中居第4位,2020年新增病例约60.4万例,新增死亡数约34.2万例1。宫颈鳞状细胞癌(cervical squamous
13、cell carcinoma,CSCC)是宫颈癌的主要病理亚型2,缺氧是其发生及发展的不利因素之一,可刺激肿瘤血管化、促进肿瘤侵袭和转移,也是肿瘤耐药的主要原因3。缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)作为组织缺氧的内在标志物,可通过检测其表达水平评估组织的氧合状态,其异常表达与宫颈癌的发生与发展密切相关4-5。动态 对 比 增 强 磁 共 振(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging,DCE-MRI)能定量评估肿瘤微环境,包括血管的通透性、流动性、异质性及空间分布,已广泛应用于肿瘤缺
14、氧的评价6-7。扩散加权成像(DWI)通过检测组织中水分子扩散及运动受限的程度,间接反映组织微观结构。DWI能提供肿瘤微循环灌注方面的信息,可作为反映肿瘤血管生成指标的替代参数8。研究表明DWI的相关参数可以区分CSCC的良恶性区域、判断组织学分级及淋巴结转移情况9-10,但少有研究关注DWI相关参数与免疫组化乏氧指标的相关性。本文旨在研究CSCC DCE-MRI定量参数转移常数(Ktrans)、组织间隙-血浆速率常数(Kep)、细胞外血管外血浆容积分数(Ve)、DWI参数表观扩散系数(ADC)值与反映宫颈癌乏氧状态的指标HIF-1表达的相关性。1 资料与方法资料与方法 1.1 研究对象 回顾
15、性选取辽宁省肿瘤医院2014年12月2017年8月宫颈癌患者,所有患者在术前接受MRI扫描。纳入标准:临床、影像资料完整;可行病理免疫组化;行MRI检查前无宫颈癌相关治疗史。排除标准:非CSCC患者;无法获得准确的动脉血管输入函数曲线、MRI图像质量不佳;病理切片不能满足评估要求。共纳入81例患者,年龄2865岁,平均(49.89.3)岁。根据2009国际妇产科联盟分期11分为:B期53例(65.43%),A期27例(33.33%),B期1例(1.24%)。本研究经本院伦理委员会批准(20210825YG),所有患者或家属均签署知情同意书。1.2 检查方法 使用Siemens Magnetom
16、 Trio 3.0T MRI,8通道体部相控阵线圈,扫描范围为整个骨盆。行常规MRI平扫、DWI和DCE-MRI检查。b值分别为0、1 000 s/mm2。DCE-MRI采集30个序列,480幅图像,时间分辨率为10 s,总扫描时间约5 min。具体扫描参数见表1。表表1 本研究本研究MRI扫描参数扫描参数 序列 平面 TR/TE(ms)层厚(mm)层距(mm)矩阵 b值(s/mm2)翻转角()FSE T1WI 横轴位 514/11 5 2 512640 FS FSE T2WI 横轴位 3 000/106 5 2 294448 FSE T2WI 横轴位 3 000/106 5 2 640640
17、 FSE T2WI 矢状位 3 800/116 4 0.8 396448 DWI 横轴位 3 500/93 4 0 256320 0、1 000 FS 3D VIBE T1WI 横轴位 5.21/1.76 4 0 192192 2、15 FS增强3D VIBE T1WI 横轴位 5.21/1.76 4 0 192192 15 注:FSE:快速自旋回波;DWI:扩散加权成像;FS:脂肪抑制;3D VIBE:三维容积插值屏气检查 1.3 图像分析 由1位具有2年工作经验的放射住院医师使用GE Omni Kinetics软件对DCE-MRI和DWI数据进行处理,1位高年资主任医师指导监督。DCE-M
18、RI数据采用Extended Tofts Liner双室模型进行后处理,首先按顺序导入2和15翻转角度的数据,选择宫颈癌3个最大层面的左或右髂外动脉获得动脉函数输入曲中国医学影像学杂志 2023 年 第 31 卷 第 9 期 妇产科影像学论著 969 线;然后参考原始DCE-MRI图像,在原发肿瘤最大层面手动勾画感兴趣区(ROI),尽可能覆盖全部肿瘤区域并避开显著坏死区域,通过软件计算DCE-MRI定量参数(Ktrans、Kep和Ve)的平均值12。参考横轴位T2WI及DWI(b=0 s/mm2)图像,在ADC图上对肿瘤原发灶手动勾画ROI,尽可能覆盖原发灶,避免将病灶明显坏死区画入ROI,得
19、到病灶ADC值。选取连续3个病灶最大层面进行测量,最终取平均值纳入后续研究。1.4 病理学检查 标本切片按说明书用SP法免疫组化染色,试剂为鼠抗人HIF-1单克隆抗体(北京中杉金桥生物有限公司),DAB染色液(上海基因科技股份有限公司)。免疫组化评分由一位病理诊断医师判定结果,一位高年资主任医师进行监督。HIF-1阳性表达表现为肿瘤细胞内出现棕黄色颗粒,且大多数定位于肿瘤细胞的细胞质,少数定位于细胞核。HIF-1表达:每张切片选取癌细胞数目较多的5个高倍视野(400),在每个视野中计数100个细胞。染色强度:0分:无着色,1分:淡黄色,2分:棕黄色,3分:棕褐色或黑色。阳性细胞百分比:0分:无
20、阳性细胞;1分:70%。将每张切片所得的染色强度与阳性细胞百分比相乘得到评分结果13。评分4分为低表达,评分4分为高表达。1.5 统计学方法 使 用 SPSS 25.0软 件。采 用Kolmogorov-Smirnov检验判断计量资料是否符合正态分布,不符合正态分布者以M(Q1,Q3)表示,两组间比较采用Mann-Whitney U检验,多组间比较采用Kruskal-Wallis检验;计数资料以例数表示。采用非参数Spearman相关性检验评价DCE-MRI、DWI参数与HIF-1表达的相关性。P0.05为差异有统计学意义。2 结果结果 2.1 HIF-1表达情况 HIF-1表达:0分12例,
21、1分2例,2分11例,3分6例,4分18例,6分25例,9分7例。低表达49例,高表达32例。2.2 HIF-1表达与病理特征的关系 CSCC患者在有无淋巴结转移、有无脉管癌栓、间质浸润深度、分化程度组间HIF-1表达差异有统计学意义(P均0.01)。有淋巴结转移、脉管癌栓,间质浸润深度越深和分化程度越低的患者,HIF-1表达越高,见表2。表表2 81例宫颈癌患者例宫颈癌患者HIF-1表达与病理指标的关系表达与病理指标的关系M(Q1,Q3)项目 例数 HIF-1表达 Z/H值 P值 淋巴结转移 2.804 0.005 有 41 6.00(3.00,6.00)无 40 4.00(1.25,4.0
22、0)脉管癌栓 3.169 0.002 有 37 6.00(3.00,6.00)无 44 4.00(1.00,5.50)间质浸润 2.986 0.003 1/2 23 2.00(0.00,4.00)1/2 58 5.00(3.00,6.00)分化程度 7.659 0.022 高 3 0.00(0.00,0.00)中 66 4.00(2.00,6.00)低 12 6.00(3.00,6.00)2.3 DCE-MRI、DWI参数与病理特征的关系 CSCC患者有无淋巴结转移组间的Ktrans差异有统计学意义(P0.05),见表3。2.4 HIF-1表达与DCE-MRI、DWI参数的相关性 HIF-1表
23、达与Ktrans、Kep呈正相关(r=0.478、0.388,P0.01),与Ve、ADC值无相关性(图1、2)。图图1 女,56岁,宫颈癌A期,有淋巴结转移及脉管癌栓,间质浸润深度1/2,低分化。A.轴位T2WI图显示CSCC病灶(箭);B.Ktrans伪彩图勾画病灶范围(箭),Ktrans平均值0.916/min;C.Kep伪彩图勾画病灶范围(箭),Kep平均值1.421/min;D.Ve伪彩图勾画病灶范围(箭),Ve平均值0.666/min;E.ADC图勾画病灶范围(箭),ADC平均值0.829103 mm2/s;F.HIF-1免疫组化(400)示HIF-1高表达,评分9分 妇产科影像学
24、论著 中国医学影像学杂志 2023 年 第 31 卷 第 9 期 970 表表3 81例宫颈癌患者例宫颈癌患者DCE-MRI、DWI参数与病理指标的关系参数与病理指标的关系M(Q1,Q3)项目 例数 Ktrans(/min)Kep(/min)Ve(/min)ADC(103 mm2/s)淋巴结转移 有 41 0.907(0.614,1.300)1.310(0.929,1.810)0.521(0.297,0.674)0.890(0.821,0.989)无 40 0.510(0.272,0.896)1.059(0.576,1.714)0.443(0.274,0.655)0.856(0.819,0.9
25、83)Z值 3.457 1.379 0.916 0.340 P值 0.001 0.168 0.360 0.734 脉管癌栓 有 37 0.801(0.421,1.146)1.363(0.889,1.932)0.461(0.267,0.664)0.889(0.822,0.989)无 44 0.618(0.378,0.987)1.069(0.651,1.606)0.520(0.296,0.655)0.859(0.819,0.998)Z值 1.071 1.308 0.360 0.133 P值 0.284 0.191 0.719 0.894 间质浸润 1/2 23 0.633(0.374,0.907)
26、0.876(0.496,1.922)0.421(0.213,0.599)0.841(0.799,0.927)1/2 58 0.764(0.417,1.145)1.263(0.915,1.679)0.478(0.292,0.670)0.891(0.833,0.991)Z值 1.403 1.341 0.911 1.917 P值 0.160 0.180 0.362 0.055 分化程度 高 3 0.291(0.199,0.374)0.630(0.523,0.630)0.328(0.165,0.328)0.841(0.816,0.987)中 66 0.709(0.451,1.145)1.214(0.7
27、83,1.647)0.520(0.288,0.705)0.889(0.823,0.991)低 12 0.609(0.351,1.035)1.394(0.347,1.988)0.349(0.231,0.622)0.876(0.801,0.974)H值 5.474 3.183 3.341 0.685 P值 0.065 0.204 0.188 0.710 注:Ktrans:转移常数;Kep:组织间隙-血浆速率常数;Ve:细胞外血管外血浆容积分数;ADC:表观扩散系数 图图2 女,58岁,宫颈癌A期,无淋巴结转移及脉管癌栓,间质浸润深度1/2,中分化。A.轴位T2WI图显示CSCC病灶(箭);B.Kt
28、rans伪彩图勾画病灶范围(箭),Ktrans平均值0.393/min;C.Kep伪彩图勾画病灶范围(箭),Kep平均值0.851/min;D.Ve伪彩图勾画病灶范围(箭),Ve平均值0.461/min;E.ADC图勾画病灶范围(箭),ADC平均值0.73610-3 mm2/s;F.HIF-1免疫组化(400)示HIF-1低表达,评分4分 3 讨论讨论 3.1 HIF-1表达与病理特征的关系 本研究发现有淋巴结转移及脉管癌栓、浸润程度深、肿瘤分化程度越低的CSCC HIF-1表达越高,与皮国良等14对食管鳞癌的研究结果一致。HIF-1在缺氧条件下稳定存在于细胞核,当其与HIF-1亚基形成异源二
29、聚体HIF-1后可与靶基因的缺氧反应元件序列结合,使下游多种靶基因的表达受到影响,包括血管内皮生长因子、葡萄糖转运蛋白、碳酸酐酶9等,可使肿瘤适应缺氧,控 制血管生成与红细胞生成,增加肿瘤侵袭及迁移能力。有研究15表明低分化组和淋巴结转移组HIF-1表达率更高,且HIF-1可以促进肿瘤的侵袭和转移,同时促进肿瘤相关血管生成,使肿瘤细胞存活并提高肿瘤细胞的增殖率。因此,有淋巴结转移及脉管浸润的CSCC患者HIF-1表达更高。而肿瘤低分化及间质浸润程度深的CSCC病灶恶性程度更高,肿瘤细胞的增殖速度较快,肿瘤区域内的异质性更显著,乏氧情况更明显,HIF-1表达更高。中国医学影像学杂志 2023 年
30、 第 31 卷 第 9 期 妇产科影像学论著 971 3.2 HIF-1与DCE-MRI参数的相关性 本研究发现HIF-1表达与DCE-MRI定量参数Ktrans、Kep呈正相关,与Ve无明显相关性,与何承峻等16对肝癌、刘萌等17 对鼻咽癌的研究结果一致,可能的原因是肿瘤乏氧时HIF-1高表达,HIF-1及其激活的下游转录因子调控肿瘤新生血管,大量原始新生血管形态各异,走行不规则,基底膜和内皮不完整或缺失18,缺乏周细胞和平滑肌细胞覆盖,使肿瘤血管的渗透性更高,以上均可以导致Ktrans和Kep值升高。Hauge等19发现与Ve相比,Ktrans与宫颈癌乏氧分数的相关性更高。根据Tofts广
31、义药代动力学模型,Ve是造影剂分数分布体积的量度。分数分布体积由血管外细胞外体积分数和细胞外基质的范围决定,若细胞外基质稀疏,血管体积小,Ve主要由细胞外体积分数决定,从而直接反映细胞密度。然而,宫颈癌会形成致密的富含胶原蛋白的细胞外基质,并且在血管密度方面表现出显著的肿瘤间异质性,因此Ve不能很好地反映肿瘤的乏氧状态。Li等20对宫颈癌研究发现,Ktrans、Kep与HIF-1的表达成反比,该研究认为Ktrans由血液灌注和血管通透性表面积乘积决定,而Ktrans的差异主要由血液灌注的差异影响,血管通透性的影响可以忽略不计。也有可能是因为新生肿瘤血管缺乏血管运动和流量调节,血流速度不稳定,流
32、动方向也可能不同,从而得出与本研究不同的结论。3.3 HIF-1与DWI参数的相关性 本研究中HIF-1表达与ADC值无相关性。Li等20对宫颈癌研究发现HIF-1表达与ADC值呈负相关,在胆管癌21、前列腺癌22等研究中也有类似的发现,可能的原因是在肿瘤生长过程中,缺氧可能抑制肿瘤细胞生长或导致肿瘤细胞死亡,其中水分子扩散程度可能减少,使ADC值降低;也可能是低ADC值表明肿瘤的间质丰富及血流灌注不良,这与HIF-1高表达和肿瘤恶性程度有关。然而,Huang等23对肝癌研究发现HIF-1表达与ADC值呈正相关,推测缺氧可能通过早期衰老细胞收缩和衰老过程中细胞丧失导致细胞外水分子的流动性增加,
33、从而使ADC值增加。3.4 本研究的局限性 肿瘤病理组织的取材不能完全与MRI测量层面对应。选择最大层面进行人工操作勾画ROI存在一定偏倚,且肿瘤组织异质性信息可能未全部体现。本研究为回顾性研究,样本量较小,还需要大样本前瞻性研究进一步验证。总之,HIF-1作为分子病理生物学标志物,在具有更高侵袭性和淋巴结转移的CSCC中高表达,反映出恶性程度更高的肿瘤组织乏氧更明显的病理学特征。DCE-MRI定量参数能够使CSCC的乏氧特征可视化,其定量参数可以对肿瘤乏氧微环境进行有效评估。参考文献参考文献 1 郭城,辛仲宏,王敏哲,等.深度学习和影像组学在宫颈癌中的研究进展J.中国医学影像学杂志,2021
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43、ng Y,Tie M,Wang K,et al.Tanshinone II improves distribution and anti-tumor efficacy of pegylated liposomal doxorubicin via normalizing the structure and function of tumor vasculature in hepa1-6 hepatoma mice modelJ.J Tradit Chin Med,2018,38(6):815-822.19 Hauge A,Wegner CS,Gaustad JV,et al.DCE-MRI of
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48、资料的方差分析等)和统计量的具体值(如 t=3.45),并给出具体的 P 值;当涉及总体参数时,在给出显著性检验结果的同时,再给出 95%可信区间;对于服从偏态分布的定量资料,应采用 M(Qr)表达,不应采用xs 表达。对于定量资料和定性资料,应根据所采用的设计类型、资料所具备的条件和分析目的,选用合适的统计学分析方法,不应盲目套用 t 检验、单因素方差分析或 2检验。要避免用直线回归方程描述有明显曲线变化趋势的资料,不宜用相关分析说明两种检测方法之间吻合程度的高低。使用相对数时,分母不宜小于 20;要注意区别百分率与百分比。统计学符号按 GB 33581982统计学名词及符号的有关规定书写,一律用斜体排印。