段志青，方少伯，王紹武*

宮頸癌是女性生殖系統(tǒng)的惡性腫瘤，發(fā)病率呈上升趨勢(shì)且發(fā)病趨于低齡化，嚴(yán)重威脅女性的健康和生命[1]。缺氧是許多惡性腫瘤的共同特征，在評(píng)估宮頸癌等多種腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用[2-3]。缺氧使腫瘤細(xì)胞對(duì)常規(guī)的放化療具有抵抗力，增加腫瘤治療失敗的風(fēng)險(xiǎn)[4]。由于缺氧機(jī)制的復(fù)雜性及其重要的臨床意義，如何評(píng)估宮頸癌病人的腫瘤缺氧一直是科學(xué)研究的熱門(mén)話題。

目前宮頸癌缺氧狀態(tài)的評(píng)估方法包括：①有創(chuàng)方法，包括使用極譜電極法直接測(cè)量組織氧分壓（pO2）[5]、病理組織檢查方法測(cè)定內(nèi)源性缺氧相關(guān)蛋白或基因標(biāo)志物（缺氧誘導(dǎo)因子、碳酸酐酶9、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、骨橋蛋白、乳酸脫氫酶A等）[6]和外源性標(biāo)志物（哌莫硝唑、EF5等）[5]、電子順磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR）技術(shù)[7]；②無(wú)創(chuàng)方法，包括PET及MRI等。

由于MRI具有無(wú)創(chuàng)性、高軟組織分辨力與可重復(fù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在反映宮頸癌病人腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)方面取得了一定進(jìn)展。通過(guò)MRI進(jìn)行的缺氧成像集中在幾個(gè)間接的多模態(tài)成像技術(shù)上，包括基于血氧水平依賴MRI（blood oxygenation level-dependent MRI,BOLD-MRI）、組織氧水平依賴MRI（tissue oxygen level dependent MRI，TOLD-MRI）、動(dòng)態(tài)對(duì)比增 強(qiáng)MRI（dynamic contrast enhanced MRI，DCEMRI）、擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）。這些技術(shù)雖然不能直接反映腫瘤缺氧狀態(tài)，但分別與血液氧分壓、細(xì)胞間質(zhì)氧分壓、血流灌注、水分子擴(kuò)散相關(guān)，均有助于揭示缺氧對(duì)宮頸癌影響的病理機(jī)制。本文對(duì)多模態(tài)MRI反映宮頸癌腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)及評(píng)估宮頸癌缺氧治療的療效和預(yù)后的研究進(jìn)展予以綜述。

1 缺氧對(duì)宮頸癌的影響和臨床治療價(jià)值

在宮頸癌組織中，由于微循環(huán)紊亂和缺陷，導(dǎo)致氧氣供應(yīng)與代謝需求不相匹配，其結(jié)果是一個(gè)相對(duì)無(wú)血管的缺氧微環(huán)境[8]。缺氧可以導(dǎo)致腫瘤組織發(fā)生雙向的變化。一方面，由于腫瘤血管系統(tǒng)紊亂、不規(guī)則，在運(yùn)輸氧氣和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面效率較低，導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡或壞死[5]；另一方面，輕度缺氧狀態(tài)能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)，通過(guò)調(diào)控多種下游靶基因的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[9]。目前，已知的調(diào)節(jié)因子包括缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）、碳酸酐酶9、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、P53蛋白、促紅細(xì)胞生成素和血小板源性生長(zhǎng)因子-β等。其中HIF是一種轉(zhuǎn)錄因子，最受研究者關(guān)注。在腫瘤細(xì)胞中，HIF誘導(dǎo)能量代謝的變化，并阻止缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞壞死[10]。

缺氧是宮頸癌的一個(gè)熟知的特征，也是一個(gè)既定的治療靶點(diǎn)。現(xiàn)已有多種策略靶向?qū)m頸癌缺氧，包括增加腫瘤內(nèi)氧氣輸送（如輸血和注射促紅細(xì)胞生成素）、減少腫瘤的氧耗（如雙胍類(lèi)藥物）、應(yīng)用缺氧特異性放射增敏劑和細(xì)胞毒素、熱療以改善腫瘤內(nèi)微循環(huán)與氧合[4]。測(cè)量和靶向?qū)m頸癌組織缺氧是未來(lái)研究的重要領(lǐng)域。

2 多模態(tài)MRI有助于反映宮頸癌病人腫瘤內(nèi)缺氧狀態(tài)

2.1 BOLD-MRI T2*弛豫時(shí)間是指由自旋-自旋弛豫和磁場(chǎng)不均勻性共同引起的橫向磁化矢量衰減的特征時(shí)間，是磁化率加權(quán)成像、灌注MRI和功能MRI等許多MR成像技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，可以用于反映病變和組織中的順磁性脫氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白或含鐵血黃素[11]。

BOLD成像定量參數(shù)T2*及R2*可以用于表征宮頸癌的缺氧狀態(tài)。由于BOLD序列對(duì)血管內(nèi)及灌注血管周?chē)膒O2非常敏感，在局部耗氧量增加時(shí)，順磁性脫氧血紅蛋白隨之增加，引起局部磁場(chǎng)不均勻，使組織的T2*減小或R2*（1/T2*）值增加，即在T2WI上的組織信號(hào)強(qiáng)度減低[12]。使用高濃度氧，如碳源氣體（95%O2/5%CO2）或100%氧氣作為高氧對(duì)比劑進(jìn)行BOLD成像得出的T2*變化（ΔT2*）既可以增大缺氧信號(hào)對(duì)比，又可以反映組織對(duì)氧含量變化的敏感度。Hallac等[13]研究了宮頸癌病人使用高氧氣體進(jìn)行BOLD檢查的可行性，共9例病人在吸入氧氣之前和期間分別進(jìn)行了BOLD-MRI檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤中BOLD信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)變化，且隨著高氧氣體的吸入，R2*不同程度地增加。近些年來(lái)其他基于T2*成像的序列也被證明可以反映宮頸癌缺氧狀態(tài)，如Zhang等[14]研究中分析54例宮頸癌病人R2*mapping定量指標(biāo)R2*，并對(duì)切除的腫瘤進(jìn)行免疫組化染色，結(jié)果顯示HIF-1α表達(dá)與R2*呈中度相關(guān)，由此可見(jiàn)功能MRI序列參數(shù)R2*可以提供腫瘤缺氧情況信息。

2.2 TOLD-MRI未配對(duì)電子可賦予物質(zhì)適度的縱向弛豫時(shí)間（T1），但對(duì)于未加干預(yù)的組織，氧分子濃度較小，無(wú)法僅從T1中識(shí)別出缺氧腫瘤。當(dāng)組織攝入氧氣，一部分氧氣用于滿足局部線粒體的氧供需求，其余過(guò)量的氧氣溶解在血漿和組織液中，會(huì)導(dǎo)致R1（1/T1）值的明顯增加，此變化與腫瘤組織氧合水平直接相關(guān)。這種技術(shù)即TOLD-MRI，又稱為氧增強(qiáng)MRI[15]。與評(píng)估血氧的BOLD-MRI不同，TOLDMRI用于評(píng)估組織氧合。對(duì)于腫瘤組織，由于其血管不成熟，因此與BOLD信號(hào)相比，TOLD信號(hào)可能在反映腫瘤缺氧狀態(tài)中更有價(jià)值[16]。O’Connor等[17]對(duì)2例宮頸癌和8例其他腹部癌癥病人進(jìn)行TOLD-MRI研究，對(duì)比病人吸氧前后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2例宮頸腫瘤和6例其他腫瘤的信號(hào)強(qiáng)度顯著增加，表明該方法對(duì)吸入高氧氣體具有敏感性。然而，在宮頸癌中TOLD信號(hào)與腫瘤內(nèi)缺氧程度的相關(guān)性、TOLD與BOLD相比誰(shuí)更能反映宮頸癌缺氧情況，仍需在臨床研究中進(jìn)一步探討。

2.3 DCE-MRI DCE-MRI定量分析引入藥物代謝動(dòng)力學(xué)模型，可以更準(zhǔn)確、直觀地描述腫瘤組織血流灌注、毛細(xì)血管滲透性等微循環(huán)信息[18]。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了Tofts標(biāo)準(zhǔn)藥代動(dòng)力學(xué)模型、Brix模型和快門(mén)速度模型來(lái)分析DCE-MRI數(shù)據(jù)。Tofts標(biāo)準(zhǔn)藥代動(dòng)力學(xué)模型主要定量參數(shù)包括Ktrans、ve及kep等。有研究者[19-20]根據(jù)宮頸癌組織的哌莫硝唑染色標(biāo)記獲得的缺氧分?jǐn)?shù)，并獲取了術(shù)前DCE-MRI信息，發(fā)現(xiàn)Ktrans值可以反映腫瘤缺氧，而ve值與缺氧分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。Li等[21]應(yīng)用DCE-MRI評(píng)估宮頸癌HIF-1α表達(dá)，發(fā)現(xiàn)Ktrans、kep、ve值與HIF-1α表達(dá)獨(dú)立相關(guān)?？傊?，所有相關(guān)研究均證實(shí)Ktrans與宮頸癌缺氧狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)。另外，Brix模型參數(shù)也可用于反映宮頸癌缺氧。Fjeldbo等[22]研究表明DCE-MRI的生物標(biāo)志物ABrix與缺氧相關(guān)基因具有強(qiáng)相關(guān)性。

對(duì)腫瘤缺氧部位與缺氧程度的可視化是近年來(lái)MRI研究的重點(diǎn)。Hompland等[23]提出基于氧消耗和供應(yīng)（consumption and supply-based hypoxia，CSH）的缺氧成像算法，可通過(guò)常規(guī)影像學(xué)方法可視化腫瘤缺氧的范圍。Hillestad等[24]在Hompland等[23]研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)DCE-MRI參數(shù)ve和Ktrans，利用CSH和降維算法為每個(gè)像素分配耗氧量和供氧量的加權(quán)信息，獲得了反映宮頸癌腫瘤缺氧范圍及嚴(yán)重程度的影像，成功地將影像與哌莫硝唑染色標(biāo)記部位與缺氧基因表達(dá)水平建立了相關(guān)性，表明這種工具不僅能夠可視化宮頸癌缺氧部位，還能反映缺氧的程度，證實(shí)了DCE-MRI影像對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)后方面的價(jià)值。

DCE還可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)腫瘤抗血管生成治療過(guò)程中的缺氧情況。Hauge等[25]對(duì)2種源自病人的宮頸癌異種移植模型進(jìn)行貝伐單抗抗血管生成治療并進(jìn)行DCE-MRI，用哌莫硝唑作為腫瘤缺氧的標(biāo)志物，研究發(fā)現(xiàn)未治療與治療組腫瘤的中位Ktrans值與腫瘤的缺氧部分之間均存在強(qiáng)相關(guān)性。

2.4 DWI DWI以水分子的擴(kuò)散特性為基礎(chǔ)，用于腫瘤缺氧狀態(tài)研究的影像方法主要包括單指數(shù)DWI、體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)（intravoxel incoherent motion，IVIM）DWI、擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）和擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）等。

有研究者[21,26]對(duì)宮頸癌進(jìn)行了單指數(shù)DWI研究，結(jié)果表明表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值及ADC直方圖的各項(xiàng)指標(biāo)與乏氧并無(wú)相關(guān)性，因此DWI不能反映宮頸癌腫瘤缺氧。由于缺氧對(duì)腫瘤造成凋亡與增殖的雙向影響，導(dǎo)致腫瘤內(nèi)水分子擴(kuò)散表現(xiàn)并不一致[27]，因此非高斯DWI模型（IVIM、DKI等）成為近年來(lái)反映組織缺氧狀態(tài)的研究重點(diǎn)。IVIM是雙指數(shù)模型，它可以同時(shí)量化水分子在活體組織中的擴(kuò)散和微循環(huán)灌注，該模型可以更好地評(píng)估組織的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[28]。Li等[21]應(yīng)用多模態(tài)成像技術(shù)評(píng)估宮頸癌HIF-1α表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)IVIM參數(shù)單純擴(kuò)散系數(shù)（D）和灌注分?jǐn)?shù)（f）值與HIF-1α表達(dá)獨(dú)立相關(guān)。DKI模型量化了組織擴(kuò)散與高斯行為的偏差。Li等[29]探討了DKI參數(shù)與軟組織肉瘤中HIF-1α表達(dá)的相關(guān)性，結(jié)果表明平均擴(kuò)散系數(shù)（mean diffusion，MD）與HIF-1α表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，平均擴(kuò)散峰度（mean kurtosis，MK）與HIF-1α表達(dá)呈正相關(guān)。但目前并無(wú)DKI顯示宮頸癌腫瘤缺氧狀態(tài)方面的研究。

3 多模態(tài)MRI有助于評(píng)估宮頸癌缺氧治療的療效和預(yù)后

3.1 評(píng)估療效 目前有許多針對(duì)宮頸癌缺氧的治療措施。放射治療是通過(guò)電離輻射產(chǎn)生自由基，與細(xì)胞內(nèi)的氧分子發(fā)生反應(yīng)并不可逆地破壞DNA[30]。擴(kuò)展這一概念，治療期間腫瘤缺氧的變化也可能預(yù)測(cè)治療反應(yīng)[31]。宮頸癌缺氧是一個(gè)既定的治療靶點(diǎn)，針對(duì)宮頸癌缺氧的藥物也可以通過(guò)作用于缺氧誘導(dǎo)的耐藥機(jī)制提高抗癌治療的功效[4]?；谶@些原理，宮頸癌缺氧MRI被越來(lái)越多地用于評(píng)估放化療與缺氧靶向治療中的療效。Gaustad等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在接受輻射的宮頸癌和異種移植物的Ktrans和細(xì)胞存活率之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而在ve和細(xì)胞存活率之間的相關(guān)性較弱或無(wú)相關(guān)性，結(jié)果表明Ktrans可以反映宮頸癌輻射響應(yīng)能力。Georg等[32]對(duì)宮頸癌病人放化療之前和治療開(kāi)始后的第2、5、19周進(jìn)行DWI并分析了腫瘤ADC值，結(jié)果表明宮頸癌中的平均ADC值隨著時(shí)間的推移而增加。

3.2 評(píng)估預(yù)后 氧濃度作為宮頸癌病人遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移與存活率的預(yù)后意義已得到研究證實(shí)[33]。當(dāng)腫瘤缺氧時(shí)，放化療在腫瘤破壞中的效率會(huì)降低，形成放化療抵抗。因此，宮頸癌缺氧MRI也被應(yīng)用于預(yù)測(cè)病人的預(yù)后[34]。Lee等[35]對(duì)92例同步放化療前接受BOLD-MRI檢查的病人進(jìn)行研究，結(jié)果表明腫瘤R2*值是無(wú)進(jìn)展生存期（progression-free survival，PFS）和癌癥特異性生存期（cancer-specific survival，CSS）的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素。Fjeldbo等[36]研究證實(shí)了DCE-MRI生物標(biāo)志物ABrix與缺氧相關(guān)基因之間的強(qiáng)相關(guān)性，并構(gòu)建基于成像和基因的組合二分類(lèi)生物標(biāo)志物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在更多和更少缺氧的腫瘤病人之間的PFS有很大差異，表明其可改善對(duì)放化療療效預(yù)測(cè)。Hillestad等[24]研究發(fā)現(xiàn)利用DCE-MRI參數(shù)圖（ve和Ktrans）的組合得出的缺氧分?jǐn)?shù)（hypoxic fraction of MRI，HFMRI）與哌莫硝唑染色標(biāo)記獲得的缺氧分?jǐn)?shù)（HFPimo）具有很大的相似性，以HFMRI=0.01為閾值可有效預(yù)測(cè)宮頸癌病人的PFS，高于該水平的病人預(yù)后更差。

4 局限性與展望

MRI可用于揭示宮頸癌缺氧機(jī)制，并表征自然狀態(tài)下及治療中的缺氧狀態(tài)；同時(shí)，缺氧成像也可用于監(jiān)測(cè)療效及預(yù)測(cè)預(yù)后。然而，在臨床應(yīng)用中仍然存在一些局限性，包括了解這些成像生物標(biāo)志物的采集和分析的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和再現(xiàn)性。因此，如何優(yōu)化MRI成像序列與建模方法，使其準(zhǔn)確性與精度提高，并確定表征缺氧狀態(tài)的規(guī)范化掃描技術(shù)，增加其可重復(fù)性是目前用MRI表征宮頸癌缺氧狀態(tài)方面亟待解決的問(wèn)題。另外，應(yīng)用MRI精確識(shí)別及標(biāo)準(zhǔn)化腫瘤內(nèi)缺氧部位仍是一項(xiàng)難題。在未來(lái)用于指導(dǎo)放療劑量的選擇、評(píng)估缺氧靶向治療中的缺氧狀態(tài)等臨床實(shí)踐中具有重要意義。