梁璟慧綜述 李金高審校

腫瘤組織中普遍存在著乏氧現(xiàn)象，它將影響腫瘤治療的敏感性，并促進(jìn)腫瘤生長、侵襲及轉(zhuǎn)移。若能準(zhǔn)確診斷乏氧，即能提供預(yù)后信息，從而指導(dǎo)個(gè)性化的治療。

1 關(guān)于腫瘤內(nèi)乏氧及其診斷現(xiàn)狀

乏氧現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)槠渲形⒀芙Y(jié)構(gòu)的異常和微環(huán)境的嚴(yán)重破壞。在腫瘤的血管網(wǎng)絡(luò)中存在著諸如動靜脈分流此類混亂的微循環(huán)構(gòu)成，甚至其中的微動脈與正常組織中的相比也更加乏氧，其運(yùn)送的血液中僅含血漿而無紅細(xì)胞。在腫瘤的血管床中，流經(jīng)動靜脈分流的血液占腫瘤總血流量的30%，從而產(chǎn)生血液流經(jīng)腫瘤組織但不輸送氧氣這一現(xiàn)象。

乏氧通過凋亡潛能細(xì)胞選擇作用使腫瘤生長、侵襲及轉(zhuǎn)移能力增加，并因?yàn)槠湔{(diào)控血管生成和細(xì)胞糖代謝、誘導(dǎo)多藥耐藥基因(MDR)和其編碼的P糖蛋白的高表達(dá)，使逃脫電離輻射物理殺傷的腫瘤細(xì)胞獲得必要的生存條件而致放療敏感性降低[1～3]，引起腫瘤產(chǎn)生對放化療的抵抗性[4]，這是導(dǎo)致治療失敗的最主要因素之一。治療方案中我們需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正乏氧，目前檢測乏氧的主要方法：①氧敏感電極法：氧敏感電極法是目前唯一能直接測定腫瘤組織乏氧的方法，曾被認(rèn)為是探測腫瘤氧分壓的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但僅限于較淺表的腫瘤，而腫瘤內(nèi)部氧分壓的異質(zhì)性也限制了其應(yīng)用。②DNA 彗星分析法(cometassay)：這種方法的理論基礎(chǔ)是電離輻射導(dǎo)致的DNA損傷在有氧細(xì)胞中為無氧細(xì)胞的3～4倍。其優(yōu)勢在于可提供放療當(dāng)時(shí)的乏氧狀況，但只適用于單次大劑量(>4 Gy)的電離輻射，從而限制了其在臨床上的應(yīng)用。③核磁共振光譜法：包括血氧水平依賴性(blood oxygen level-dependent，BOLD)MRI、overhauser MRI(OMRI)、電子順磁共振成像(electron paramagnetic resonance imaging，EPRI)等特定的磁共振技術(shù)。這些方法雖有所研究，尚無基于大量的基礎(chǔ)及臨床研究而生的定論。④核醫(yī)學(xué)技術(shù)：運(yùn)用不同標(biāo)記乏氧組織的顯影劑行SPECT或PET而對乏氧進(jìn)行定性及定量的檢測。乏氧顯像法作為1種無創(chuàng)、全面且可重復(fù)性的方法成為近年來研究最熱門的技術(shù)，其檢測的可靠性和準(zhǔn)確性也不斷得到驗(yàn)證，但它與乏氧組織結(jié)合的機(jī)制有待于進(jìn)一步的研究。各種檢測方法除自身局限性外尚存在著對人體損傷及難以重復(fù)操作等缺點(diǎn)，無1種可作為常規(guī)檢查應(yīng)用于臨床。分子功能影像的出現(xiàn)使我們對腫瘤乏氧的探測又有了新的手段，我們需要探測出1種適于常規(guī)運(yùn)用的更新、更理想的乏氧組織顯像技術(shù)。

2 用動態(tài)增強(qiáng)磁共振(DCE-MRI)技術(shù)診斷乏氧的理論基礎(chǔ)

以MRI為基礎(chǔ)的影像學(xué)方法是目前描繪腫瘤大小、體積較為準(zhǔn)確、直觀且為大部分患者能耐受的非侵襲性的方法，而DCE-MRI因其在評估腫瘤微循環(huán)中的作用被人們?nèi)找嬷匾?。這種技術(shù)基于快速注射對比造影劑后引起信號強(qiáng)度發(fā)生短暫的變化。目前應(yīng)用于臨床的造影劑為相對分子質(zhì)量小于1000的小分子(ECF)對比造影劑(Gd-DTPA)，其通過快速注射后可迅速滲透到除腦、睪丸外人體大部分組織的血管外-細(xì)胞外間隙(EES)中。在T1WI中，滲透到血管內(nèi)和EES的順磁性對比造影劑因質(zhì)子自旋與自由電子自旋的偶極——偶極作用增強(qiáng)了鄰近質(zhì)子的弛豫，引起T1時(shí)間縮短，從而導(dǎo)致周圍組織的信號強(qiáng)度發(fā)生變化。因強(qiáng)化程度受到諸如血液灌注、微血管密度、血管床滲透性和細(xì)胞外滲空間等微環(huán)境參數(shù)的影響，強(qiáng)度變化反映了組織的滲透性和血管生成等情況。而組織的氧合依賴于其中的微循環(huán)及組織的滲透性，血流灌注缺乏通常為腫瘤細(xì)胞乏氧的首要原因，因此DCE-MRI對診斷腫瘤乏氧甚至預(yù)后的判斷具有重要作用。DCE-MRI通過對比造影劑強(qiáng)度變化的定量描述或更復(fù)雜的方法，即通過建立在對比劑藥物動力學(xué)行為基礎(chǔ)上的生理參數(shù)，來描述腫瘤組織內(nèi)的乏氧現(xiàn)象。因其無電離輻射，故對于要求重復(fù)成像的灌注研究而言，是1種理想的方法。

3 DCE-MRI診斷乏氧的方法

現(xiàn)階段，被研究用于探測乏氧的主要DCE-MRI指標(biāo)包括半定量及定量參數(shù)。

3.1 半定量參數(shù)

半定量參數(shù)包括對比劑到達(dá)腫瘤組織時(shí)間(time at arrival of contrast inflow，T1 on set)，到達(dá)強(qiáng)化高峰時(shí)間(time to peak，TTP)、強(qiáng)化曲線平均斜率最大斜率(slope and maximum slope)、對比增強(qiáng)率(contrast enhancement ratio，CER)。

他們由組織的增強(qiáng)-時(shí)間曲線直接獲得，具有在治療前預(yù)測腫瘤消退和局部控制情況的潛能。Zahra等通過臨床實(shí)驗(yàn)證明在治療前行DCE-MRI，獲得的增強(qiáng)-時(shí)間曲線中到達(dá)強(qiáng)化高峰時(shí)間越短，曲線斜率越大，CER越高，腫瘤消退程度將越明顯[5]。

但由于不同的系統(tǒng)之間基礎(chǔ)信號存在差異致半定量參數(shù)數(shù)據(jù)在不同的MR掃描或脈沖序列中不易比較，且參數(shù)反映感興趣區(qū)域(ROI)的對比劑濃集不準(zhǔn)確，美國國家癌癥研究院(NCI，USA)推薦將定量測量值，如Ktrans、IAUGC，作為DCE-MRI研究的首要點(diǎn)[6]。

3.2 定量參數(shù)

人們研究出了許多藥代動力學(xué)模型用于導(dǎo)出能描述影響DCE-MRI對比強(qiáng)化那些變量的定量參數(shù)。在那些能模擬出血漿內(nèi)對比劑濃集的模型中，我們可以通過直接測量或通過模型中某一功能評估來獲得參數(shù)。二分隔Tofts模型最為廣泛使用。它假設(shè)細(xì)胞外血管外間隙(EES)和血漿為2個(gè)獨(dú)立的空間，小分子對比劑注入后可迅速到達(dá)兩者內(nèi)且兩者間通透性不會隨著時(shí)間而改變。針對這一模型，Tofts等[7]研究出1套標(biāo)準(zhǔn)化的動態(tài)測量方法，其參數(shù)包括：血漿與EES間的容積轉(zhuǎn)移常量(Ktrans)、血漿與EES間的速率常數(shù)(kep)、EES容積(滲漏空間、ve)、最初對比劑浸出分?jǐn)?shù)和血液灌注分?jǐn)?shù)量(E、F)。此外，ROI血漿容積分?jǐn)?shù)(fPV)、Gd-DTPA滲透-時(shí)間曲線下的初始區(qū)域(IAUGC)與強(qiáng)化速度和范圍密切相關(guān)，故也被NCI定為用于DCE-MRI研究的1個(gè)重點(diǎn)。

Ktrans最早由Patlak等提出，繼而被不同的研究組用于其他成像模態(tài)中。在早前的MRI工作中，有學(xué)者把他指作κ和κPSp。單向的血液注入常量有Ki、Gd-DTPA體積分系數(shù)λ和參數(shù)κ2，其中Kiρ(1-Hct)= Ktrans，λ=νe/ρ，κ2= kep。Ktrans也曾被稱作“E·F”(以下研究中有用到)，但因其易與心臟射血分?jǐn)?shù)(cardiac ejection fraction)或MRI增強(qiáng)因子(MRI enhancement factor)縮寫混淆而不被使用。根據(jù)組織內(nèi)毛細(xì)血管滲透性和血流之間的平衡不同，Ktrans的生理學(xué)表示方式也不一樣。在高度滲透的環(huán)境里(Kety模型)，流經(jīng)內(nèi)皮的血流量有限，對比劑量受到血流灌注的制約，Ktrans近似于每單位體積的血漿流量；而當(dāng)組織血管滲透性差，對比劑向血管外的轉(zhuǎn)運(yùn)受限時(shí)，Ktrans等于每單位體積中血漿與EES間滲透性區(qū)域表面的物質(zhì)量。因?yàn)槟[瘤中微血管對小分子對比劑具有高滲透性，因此在研究腫瘤乏氧中我們通常使用Kety模型計(jì)算各定量參數(shù)。

EES即對比劑漏出毛細(xì)血管后到達(dá)的細(xì)胞外的區(qū)域，ve曾被Patlak和其他學(xué)者用以表示這個(gè)區(qū)域的體積。但在EES中仍有些區(qū)域(除纖維組織)是對比劑無法進(jìn)入的，變量應(yīng)是漏出的區(qū)域(即分布區(qū)域)而非EES，因此我們退而用ve代表組織每單位體積的EES體積分?jǐn)?shù)，此為一百分比。

kep為以上兩個(gè)生理學(xué)基本參數(shù)Ktrans和ve的比值：kep=Ktrans/ ve。

4 DCE-MRI診斷乏氧的相關(guān)研究

以上參數(shù)廣泛使用于探測腫瘤乏氧的DCE-MRI實(shí)驗(yàn)中。

Ceelen等[8]將CC531腸癌細(xì)胞嫁接入小鼠中，研究以P792為對比劑的DCE-MRI如何顯影腸癌中放療對微血管滲出的作用。他們在小鼠放療前和放療后5天(每天照射劑量5 Gy)分別予以DCE-MRI，并描繪由Ktrans和ve產(chǎn)生的參數(shù)曲線。同時(shí)放療前后腫瘤中心及邊緣的氧分壓圖也分別完成。測得Ktrans和ve的平均值在放療后所有的腫瘤區(qū)域中均明顯下降。腫瘤中心的氧分壓平均值放療前為6.8 mm Hg，放療后升至7.7 mm Hg (P<0.001)；腫瘤邊緣的氧分壓放療前為3.5 mm Hg，放療后升至4.4 mm Hg (P<0.001)。腫瘤中心的平均微血管密度(MVD)放療前10.4，放療后升至16.9 (P<0.001)。VEGF在RT后的小鼠中明顯更高。他們通過以P792作為對比造影劑的DCE-MRI顯示出了在這個(gè)直腸癌模型中的微血管中的定量變化，證實(shí)放療明顯降低了新生血管的漏出，提高了組織氧合作用和VEGF的表達(dá)。放療后的DCE-MRI參數(shù)Ktrans、ve與腫瘤氧分壓均分別存在著相關(guān)性(γ=-0.57，P=0.08；γ=-0.65，P=0.04)，但參數(shù)與MVD和VEGF表達(dá)無關(guān)。

Cho等[9]使用未治療R3327-AT前列腺腫瘤模型以研究DCE-MRI在診斷腫瘤乏氧中的作用。研究獲得分別來源于灌注的，乏氧的和壞死的區(qū)域DCE-MRI時(shí)間-信號曲線和用乏氧探針測得高度染色的乏氧區(qū)域的kep圖。圖像表明：正常區(qū)域Gd-DTPA呈現(xiàn)出“快進(jìn)快出”圖像；而乏氧區(qū)域因?yàn)檠芑饔玫慕档?，Gd-DTPA攝取、浸出均延遲，出現(xiàn)“慢進(jìn)慢出”現(xiàn)象；壞死區(qū)域的MR信號強(qiáng)化最慢，并且無對比劑浸出。同時(shí)，他們也探討了在不同大小的腫瘤中，kep和腫瘤乏氧的相關(guān)性，結(jié)論是在中等大小的腫瘤中(500～1200 mm3)kep與腫瘤乏氧最為相關(guān)。

Egeland等[10]認(rèn)為乏氧組織因氧供缺乏、氧耗高(細(xì)胞密度大)將引起DCE-MRI參數(shù)中低E·F，低λ，因此2006年使用A-07人黑色素瘤異種移植物作為人腫瘤臨床前模型以證實(shí)其對E·F及λ與腫瘤組織中乏氧細(xì)胞分?jǐn)?shù)關(guān)系的猜想。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了E·F與乏氧細(xì)胞分?jǐn)?shù)存在著明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但λ與分?jǐn)?shù)之間的差異卻不明顯。繼而推測A-07腫瘤內(nèi)細(xì)胞乏氧存在著差異性主要因其中氧供缺乏有差別所致。但研究者補(bǔ)充此結(jié)果并不適用于那些與A-07黑色素瘤生物、生理特性均不同的腫瘤。也許一些腫瘤瘤內(nèi)細(xì)胞外體積分?jǐn)?shù)較血流灌注差異更大，我們并不能排除λ與腫瘤組織中乏氧細(xì)胞分?jǐn)?shù)存在明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的可能性。因而需要對與A-07腫瘤特性相同者進(jìn)行更深入的研究，對不同者則更有待探索。

基于上述不確定性，Egeland等[11]再次用A-07和R-18人黑色素瘤異種移植物作為人腫瘤臨床前模型深入研究E·F及λ與腫瘤組織中微血管密度(MVD)、細(xì)胞外體積分?jǐn)?shù)(ECVF)及乏氧細(xì)胞分?jǐn)?shù)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：E·F與MVD相關(guān)，與乏氧分?jǐn)?shù)存在負(fù)相關(guān)性，而λ也與ECVF相關(guān)。同時(shí)，R-18腫瘤乏氧分?jǐn)?shù)要比A-07者高出6.5個(gè)單位，這與A-07腫瘤中E·F和微血管密度值比R-18高，組織密度比R-18低(λ與ECVF低)這一發(fā)現(xiàn)一致。

英國皇家馬斯登醫(yī)院與英國腫瘤研究所對DCE-MRI各項(xiàng)參數(shù)與腫瘤內(nèi)乏氧的探測做了較為全面的臨床實(shí)驗(yàn)。Newbold等[12]選取7例頭頸部腫瘤患者，23個(gè)感興趣區(qū)域(即每個(gè)患者至少標(biāo)記3個(gè)感興趣區(qū)域，其中包括肉眼可見的與正常組織不同區(qū)域和大片壞死區(qū)域)，以研究能否將DCE-MRI的某些參數(shù)作為腫瘤內(nèi)乏氧的新標(biāo)志。乏氧通過乏氧探針和CA9定義。乏氧探針為乏氧外源性標(biāo)志物，當(dāng)乏氧程度達(dá)氧分壓小于10 mmHg時(shí)探針染色，它反映無論急性或慢性的乏氧情況[13]。CA9的表達(dá)因反映了腫瘤內(nèi)微環(huán)境的酸堿平衡而被作為乏氧的內(nèi)源性標(biāo)志。當(dāng)氧分壓小于20 mmHg時(shí)其表達(dá)反映了中、高等級的乏氧程度。Vordemark 等[14]有過報(bào)道，CA9在乏氧后6 h表達(dá)，再氧合的至少96 h內(nèi)處于穩(wěn)定。因而把CA9在腫瘤中表達(dá)視為即時(shí)或之前出現(xiàn)長期乏氧的標(biāo)志[15，16]。研究中涉及的DCE-MRI半定量及定量參數(shù)分別包括T1 on set、TTP、平均坡度及Ktrans、ve、kep。實(shí)驗(yàn)證明：定量、半定量參數(shù)均與乏氧探針探測得分為4的區(qū)域有著相關(guān)性，其中與其關(guān)系有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)包括Ktrans，kep，T1 on set和TTP。而在得分為1～4的區(qū)域中，參數(shù)與乏氧間也存在相關(guān)性，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，我們可以意識到DCE-MRI為腫瘤乏氧的診斷開辟了1條新的道路。局部進(jìn)展的腫瘤中，乏氧的分布存在著明顯的不同，這將影響放療的敏感性和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的發(fā)生[17～20]。而腫瘤細(xì)胞之所以出現(xiàn)乏氧是因?yàn)槠浣M織中的氧供需不平衡，因此乏氧最主要的決定因素是腫瘤中血管的構(gòu)成、功能以及血管生成的程度[21]。目前對乏氧的直接測量方法通常需要進(jìn)行一些對人體有侵入性的步驟，如極譜描記電極的插入。這些帶有侵入性的方法也易受到空間和時(shí)間的制約，僅限于相對少量的測量物在某一特定時(shí)間到達(dá)易進(jìn)入的腫瘤。因此，人們將診斷乏氧的目光投向了分子功能影像手段。MRI能在高分辨率的基礎(chǔ)上對腫瘤脈管系統(tǒng)及其生理形態(tài)提供獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、功能信息，DCE-MRI則更加能提供腫瘤內(nèi)微環(huán)境的血流灌注信息。這不僅能為其他影像手段提供補(bǔ)充，而且測量的參數(shù)也能表明腫瘤乏氧和脈管系統(tǒng)之間的關(guān)系。若能有效判斷腫瘤內(nèi)乏氧區(qū)域的空間分布，就能獲得一系列關(guān)于預(yù)后的信息，進(jìn)而指導(dǎo)放療中局部劑量的分布。目前對于DCE-MRI診斷乏氧的能力已得到普遍認(rèn)可，但具體參數(shù)的應(yīng)用尚需更多的基礎(chǔ)研究及進(jìn)一步大量的臨床證實(shí)。

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