磁共振酰胺质子转移加权成像在直肠癌中的研究进展.pdf
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1、http:/1专家综述磁共振酰胺质子转移加权成像在直肠癌中的研究进展梁俊君 陈 鑫广州市第一人民医院,华南理工大学附属第二医院放射科(广州 510180)陈鑫 华南理工大学附属第二医院,广州市第一人民医院放射科副主任医师,硕士研究生导师,美国哈佛大学附属布莱根妇女医院访问学者。近年来,一直从事医工交叉研究,研究方向为医学图像大数据挖掘研究,以第一通信作者(含共同)发表SCI论文十余篇,主持包括国家自然科学基金、广州市科技计划重点项目等多项课题。任广州市青年科技工作者协会理事,中华医学会放射学分会心胸学组Youthclub成员,广东省医学会放射学分会分子影像与大数据学组成员。任中南大学学报(医学
2、版)青年编委会委员,广州医药编委。【摘 要】直肠癌是全球常见的消化道恶性肿瘤之一,准确的影像学评估对直肠癌的诊断和治疗决策至关重要。在各种影像学检查中,磁共振成像已逐渐成为直肠癌不可或缺的检查手段,其中酰胺质子转移加权(APTw)成像是当前直肠癌磁共振成像中的一种极具发展前景的成像技术,其是通过检测病灶中内源性可移动蛋白的酰胺质子与水质子之间的交换,可以更好地在分子水平评估直肠癌病灶的蛋白质浓度、pH值、温度和代谢状态等,在直肠癌中有极大的应用潜能,有助于实现精准医疗。本文主要综述APTw成像在直肠癌中的研究进展、发展前景及尚存在的问题。【关键词】直肠癌;酰胺质子加权成像;诊断;治疗决策DOI
3、:10.3969/j.issn.1000-8535.2023.07.001Magneticresonanceamideprotontransfer-weightedimaginginrectalcancerresearchprogressLIANGJunjun,CHENXinDepartment of Radiology,Guanghzou First Peoples Hospital,the Second Affiliated Hospital,School of Medicine,South China University of Technology,Guangzhou 510180,C
4、hina【Abstract】Rectalcancerisoneofthemostcommongastrointestinalmalignanciesworldwide,andaccurateimagingevaluationisessentialforthediagnosisandtreatmentofrectalcancerInvariousimagingexaminations,magneticresonanceimaging(MRI)hasgraduallybecomeanindispensablemeansofrectalcancer,amongwhichamideprotontran
5、sfer-weighted(APTw)imagingisapromisingimagingtechnologyAPTwimagingistodetecttheexchangebetweenamideprotonsofendogenousmobileproteinsinlesionsandwaterqualityparticles,whichcanbetterassesstheproteinconcentration,pH,temperature,andmetabolicstatusofrectalcanceratthemolecularlevelIthasgreatapplicationpot
6、entialinrectalcancerandcontributestoprecisionmedicineThisarticlemainlyreviewstheresearchprogress,developmentprospectandremainingproblemsofAPTwimaginginrectalcancer【Keywords】rectalcancer;amideprotontransfer-weightedimaging;diagnosis;decision-making基金项目:广州市科技计划项目(202201020001,202201010513)通信作者:陈鑫,E-ma
7、il:广州医药23年07期.indd 12023/8/10 17:05:542广州医药 2023 年 7 月第 54 卷第 7 期结直肠癌是胃肠道最常见的恶性肿瘤之一,在全球平均每年确诊的癌症病例数中占比高达10%,每年有超过160万人被诊断为结直肠癌,而直肠癌是结直肠癌中比例最高的一种类型,在我国49.66%的结直肠癌患者发病部位为直肠1-4。直肠癌的发生与很多因素相关,如饮食、家族遗传史、炎症性肠病等5。另外,我国直肠癌的病死率较高,因大多数患者确诊时已是中晚期,此时的患者预后差,5年生存率低6-8。同时,患者在接受手术治疗后的胃肠功能障碍以及手术带来的巨大经济负担等都对患者术后的生活质量
8、有很大的影响。因此,直肠癌的早期诊断、合理规范的治疗以及疗效的准确评估对提高患者术后生存质量至关重要。磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)在我国已有数十年的发展历程,常用的MRI技术包括常规MRI、动态增强MRI、弥散加权成像、磁共振波谱成像等,其在直肠癌诊断、治疗决策和预后评估中都发挥着重要的作用9-15。用于直肠癌检查的各种MRI新技术中,酰胺质子转移加权(amideprotontransfer-weighted,APTw)成像作为化学交换饱和转移技术的衍生,在临床实践中备受关注7。如何应用APTw成像技术对直肠癌进行准确的诊断和评估并辅助制定治疗方案是目
9、前研究的热点。本文就酰胺质子成像技术在直肠癌诊断(包括术前分级、病理分型、基因分型、壁外静脉浸润状态、淋巴结转移状态等)和新辅助放化疗(neoadjuvantchemoradiotherapy,NCRT)的疗效评估等方面的研究现状进行综述,并探讨以后的发展方向。1 APTw 概述APTw成像是由Zhou等16提出的一种新的MRI技术,作为化学交换饱和转移技术的一个附属技术,是一种基于酰胺质子和水质子之间化学交换现象的成像技术。酰胺质子的共振位置在距离水峰约+3.5ppm处17,在此处发射特定频率的偏振射频脉冲,从而使酰胺质子中被饱和的氢质子与自由水中未饱和的氢质子产生交换传递,当酰胺质子与周围
10、的水分子发生化学交换时,因水分子的质子数量较大,发生化学交换的酰胺质子可以在MRI中被检测到。APTw成像对组织代谢和分子水平的变化具有高度的敏感性,可通过检测内源性可移动蛋白或多肽中的酰胺质子与游离水质子之间的交换从而评估细胞内的蛋白质浓度、pH值、温度和代谢状态等信息的变化,且蛋白质浓度、pH值与APTw的信号强度均呈正相关的关系18-23。基于该成像技术的原理和优势,其可用于检测疾病的一系列代谢和病理变化。目前,APTw成像已在神经系统广泛应用,包括脑肿瘤诊断和疗效评估、多发性硬化症评估、肝性脑病评估等16,24-30。近年来,随着成像技术的发展,在体部病变亦有初步的应用,包括肺癌病理分
11、级、生殖系统肿瘤分级和风险评估等31-39,其中在直肠癌的应用主要包括精准诊断和疗效评估40-51。2 APTw 在直肠癌的精准诊断中的应用直肠癌治疗方案的选择和预后与许多因素密切相关,包括肿瘤位置、肿瘤组织分级、壁外静脉浸润情况和淋巴结转移情况等。针对不同情况的患者需制定不同的治疗方案,而制定个体化治疗方案需要基于准确的影像学评估52。MRI在其中发挥着重要作用,可为不同的患者选择和优化治疗策略53-54,其中,APTw技术在直肠癌准确诊断应用方面包括肿瘤分期、病理学分类、组织学分级、基因分型、壁外静脉浸润和淋巴结转移等方面。2.1 直肠癌T分期及组织病理学分类直肠癌的肿瘤分期和组织病理学分
12、型对临床直肠癌治疗方案选择及预后判断有重要指导价值,期直肠癌的五年生存率约90%,而进展期的5年生存率仅约14%55。由于小血管穿透肌层和结缔组织增生反应,常规MRI成像难以精准鉴别T2和T3期肿瘤。Chen等48的前瞻性研究发现T3期直肠腺癌的APTw信号强度(signalintensity,SI)均值高于T2期,但基于弥散峰度成像(diffusionkurtosisimaging,DKI)计算所得的平均峰度值(meankurtosis,MK)、平均弥散率(meandiffusivity,MD)以及常规弥散加权成像所得的表观弥散系数(apparentdiffusioncoefficient,
13、广州医药23年07期.indd 22023/8/10 17:05:55http:/3ADC)在T2和T3期肿瘤间比较差异无统计学意义,这提示APTwSI值对不同直肠癌肿瘤分期有较高的敏感性,可用于鉴别T2和T3期直肠腺癌。这可能由于肿瘤的T分期越高,其增殖率和侵袭性越强,导致细胞内蛋白质的合成和脂质积累的越多,因此,肿瘤的APT信号强度随着T分期的增高而升高。根据肿瘤细胞的形态和组织学特征,可将直肠癌分为普通腺癌、黏液型腺癌、腺鳞癌、鳞癌、未分化癌等55-57。直肠癌的组织病理学类型是直肠癌的重要预后因素之一,不同病理学类型的直肠癌预后不同57,一般普通腺癌预后较好,黏液腺癌预后较差,而未分化
14、癌及鳞癌预后最差58。Li等40的回顾性研究中发现黏液型腺癌的APTwSI值高于普通型腺癌,APTwSI值鉴别黏液型腺癌和普通型腺癌的AUC值为0.921。李娟等49的研究亦表明黏液型腺癌与普通型腺癌之间APTwSI值比较差异有统计学意义。原因主要是APT信号强度除了受内源性细胞蛋白和多肽等因素影响之外,细胞密度和黏蛋白含量对APTwSI值也有显著影响59-60,黏液性腺癌相较于其他类型腺癌可以分泌更多的黏液,从而导致APT信号明显升高。2.2 直肠癌组织病理学分级直肠癌的WHO组织学分级根据癌细胞的形态学特征、分化程度和组织结构等指标进行分类,其可分为G1、G2和G3三个级别。G1、G2肿瘤
15、可称为低级别肿瘤,G3肿瘤称为高级别肿瘤61。Nishie等41基于22例直肠癌患者的APTw图像分析研究中发现中分化腺癌的平均APTwSI高于高分化腺癌,即APTwSI随着肿瘤级别的增高而增加。Li等40对110例直肠腺癌患者进行APTw成像和磁共振体素不相干运动(intravoxelincoherentmotion,IVIM)成像比较的研究中发现低级别和高级别直肠腺癌的APTwSI值和纯弥散系数(diffusion,D)值存在明显差异,APTwSI值和D值在鉴别高低级别直肠腺癌的AUC分别为0.737和0.663,且联合两个参数可将AUC提高到0.806。Chen等48在前瞻性研究中比较了
16、APTw成像和DKI在直肠癌WHO分级中的价值,研究结果发现APTwSI值与WHO分级呈显著的正相关,其区分高、低级别直肠腺癌的AUC值为0.890,而MK、MD和平均ADC值的AUC值仅分别为0.702、0.509和0.637,说明APTw成像在鉴别低、高级别直肠腺癌方面的能力优于DKI。Li等50的回顾性研究也表明高级别直肠腺癌的APTwSI值比低级别直肠腺癌高。目前大量的研究已证实APTw成像在脑胶质瘤的分级中有很好的应用价值24,29,62,应用的生物学基础可能是高级别肿瘤的增殖能力和恶性程度越大,其肿瘤细胞和血管增殖快,产生更丰富的蛋白质,从而导致APTw信号强度升高;除此之外,还可
17、能是高级别肿瘤的细胞异型核数目比低级别肿瘤多,大量的异型核促进大分子和细胞膜之间的分子交换,从而释放更多的蛋白质和多肽63。2.3 直肠癌基因分型直肠癌有多种不同的基因分型,明确基因分型可指导临床制定不同的治疗方案,其中肿瘤蛋白P53(TP53)、Ki-67增殖指数和KRAS基因是其中最常用的基因分型指标64-66。然而,基于术后组织标本检测基因分型需要的时间长,且标本有限,通常会延误直肠癌患者的治疗,因此,在术前基于MRI特征预测直肠癌基因分型可更好地指导临床治疗决策。Li等50的回顾性研究结果表明发现p53阳性组的平均APTwSI值高于p53阴性组,即平均APTwSI值与p53表达指数呈正
18、相关,鉴别直肠腺癌p53蛋白表达状态的AUC值为0.757;除此之外还发现平均APTwSI值也与Ki-67增殖指数呈正相关,判断Ki-67增殖指数高、低表达的AUC为0.92,而平均ADC值的AUC值仅为0.716,表明APTw成像对Ki-67高表达的直肠腺癌的鉴别诊断能力明显优于常规DWI。由于p53阳性和高Ki-67增殖指数与肿瘤强的侵袭性行为、高的肿瘤分期以及淋巴结转移等相对应,肿瘤本身的细胞密度大、可移动性胞浆蛋白多,较多的肿瘤新生血管导致血液中出现大量的高浓度血红蛋白、白蛋白等29,67-68,这些都是引起APT信号增强的主要因素。同时,现已相对应用成熟的神经系统肿瘤相关研究也显示A
19、PTwSI值与Ki-67增殖指数呈正相关29,69。另外,丘清51发现KRAS基因突变型直肠癌的APTw均值高于KRAS基因未突变型,这广州医药23年07期.indd 32023/8/10 17:05:554广州医药 2023 年 7 月第 54 卷第 7 期可能由于KRAS基因突变可导致Ras-Raf-MAPK信号、Ral信号等通路异常激活70-71,还可分泌多种促进细胞增殖的趋化因子如白细胞介素等72,从而导致细胞异常增殖,胞内蛋白异常增多,使APT信号增高。除此之外,还有研究表明KRAS基因突变也可调节血管生长因子,促进新血管的生成,从而产生大量的血红蛋白、血浆蛋白等,最终导致APT信号
20、明显增高73。以上研究表明APTw成像对直肠癌具有无创性预测基因分型的潜能,有望在以后的临床实践中为患者提供额外的治疗方案选择的依据。2.4 直肠癌壁外静脉浸润壁外静脉侵犯(extramuralvenousinvasion,EMVI)是直肠癌侵袭和转移的重要途径之一,在病理学上壁外静脉侵犯是直肠癌患者预后较差的独立预后因素之一74-76。Chen等45回顾性分析了125例直肠腺癌患者的包括APTw成像等的术前MRI图像,采用全肿瘤体积直方图分析方法自动获得原发肿瘤的APTw直方图参数,包括APTw-minimum、APTw-maximum、APTw-mean、APTw-10%、APTw-90%
21、等。通过单因素和多因素分析方法,构建EMVI预测模型,结果显示上述APTw直方图参数与壁外静脉侵犯的阳性状态显著相关,常规MRI特征、APTw直方图模型和联合模型(包括APTw直方图和临床变量)的AUC值分别为0.785、0.853和0.918。Chen等48在另外一项前瞻性研究中发现有EMVI的直肠腺癌患者的APTwSI值相比于无壁外静脉侵犯者升高。上述研究说明APTw对术前评估直肠癌EMVI具有较好的效能,特别是联合临床因素建立EMVI预测模型,有望辅助临床更好地评估患者预后及制定治疗方案。2.5 直肠癌淋巴结转移淋巴结转移是直肠癌转移的常见途径之一,通常发生在肿瘤中晚期,同时也是重要的预
22、后危险因素之一,其术前的准确分期对于确定治疗策略至关重要。除了过去研究表明的DWI对直肠癌淋巴结转移有较好的诊断效能之外77,当前利用APTw成像技术对直肠癌淋巴结转移进行有效预测是新兴的研究方向之一。Wei等43在对125例经病理证实的且在术前接受了MRI检查(包括APTw成像和高分辨率T2WI)的直肠腺癌患者的回顾性研究中,通过提取MRI图像中的影像组学特征,并结合临床基本特征,构建联合临床-影像组学模型,用于预测直肠癌患者的淋巴结转移状态。结果表明临床-影像组学模型更优于单独的影像组学标签,其中临床-影像组学联合模型在验证集和测试集的AUC值分别达到了0.900和0.929,而影像组学标
23、签的AUC分别为0.636和0.655。Chen等48和Li等50也在对直肠腺癌患者的APTw成像研究中发现有淋巴结转移的直肠腺癌患者的APTwSI值相比于无淋巴结转移者显著升高。这可能也是由于淋巴结转移的患者的肿瘤侵袭性较高,胞内蛋白增殖快,从而导致APTw值增高。3 预测和评估局部晚期直肠癌新辅助放化疗的治疗反应术前新辅助放化疗(neoadjuvantchemoradiot-herapy,NCRT)旨在降低肿瘤的分期,实现完整的手术切除,并降低复发和转移的风险,同时,通过评估新辅助放化疗的疗效决定患者进一步的手术治疗方案62,78,然而,不同患者对术前新辅助放化疗的反应存在显著差异。Nis
24、hie等44收集了17例经新辅助放化疗的局部晚期直肠癌患者的治疗前APTw图像,探讨APTwSI对预测肿瘤治疗疗效的价值,结果发现疗效差组的平均APTwSI值高于疗效好组,使用APTwSI值预测肿瘤疗效的AUC值为0.87。Chen等45回顾性研究结果表明直肠癌放化疗前APTw联合ADC可用于预测局部晚期直肠癌的治疗反应,其AUC值为0.895。这主要是由于低反应组患者肿瘤恶性程度较高反应组升高,增殖活性也较高反应组增强,能产生更丰富的细胞蛋白79,所以表现为更高的APTw值,这在神经系统肿瘤研究中也得到了证实80-81。除此之外,董宛等46-47在回顾性研究中也发现APTw成像能够有效地定量
25、评估直肠癌的化疗效果,化疗组的APTw值明显低于未化疗组。这是因为化疗后的肿瘤细胞增殖速度减慢或停止从而影响蛋白质的过度合成,使蛋白质较化疗前明显减少,导致肿瘤化疗和未化疗之间的APT信号存在差异。广州医药23年07期.indd 42023/8/10 17:05:55http:/54 APTw 在直肠癌中的发展前景4.1 效能优势与传统的成像技术相比,APTw技术有以下几个优点:(1)更好的对比度:APTw成像技术可以提供更好的对比度,因为它能够检测到代谢物质的存在和分布,从而能够更加清晰地显示肿瘤与周围组织的差异;(2)更高的分辨率:APTw成像技术能够提供更高的分辨率,可更加清晰地显示肿瘤
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