结直肠癌分子标志物相关影像学研究进展

林晓强，韩涛，张斌，邓靓娜，景梦园，周俊林*

1.兰州大学第二医院放射科，甘肃 兰州 730030；2.兰州大学第二临床医学院，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省医学影像重点实验室，兰州大学第二医院，甘肃 兰州 730030；4.医学影像人工智能甘肃省国际科技合作基地，甘肃 兰州 730030；*通信作者 周俊林 lzuzjl601@163.com

结直肠癌是胃肠道最常见的恶性肿瘤之一，约占全世界每年确诊癌症和癌症相关死亡人数的10%[1]，发病及死亡率在50岁以下人群中均呈上升趋势[2]，通过影像学早期诊断及评估能有效改善结直肠癌的预后。目前，CT、MRI、PET/CT等影像技术以及新兴的影像组学等对结直肠癌分子标志物检测已取得显著进展，对诊疗、评估及预后有重要临床意义。本文对结直肠癌分子标志物关于影像学的研究进展做一综述。

1 结直肠癌分子标志物

基于遗传和表观遗传学特征的分子标志物如Kirsten鼠肉瘤病毒癌基因（Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，KRAS）、神经母细胞瘤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）、人表皮生长因子受体-2（human epidermal growth factor receptor 2，HER-2）、弥漫性微卫星不稳定性（microsatellite Instability，MSI）等在结直肠癌的发生及发展中有重要地位，是目前结直肠癌的研究热点，并已应用于临床。

KRAS与NRAS是RAS家族的主要成员，参与体内多种细胞信号转导，主要功能是控制细胞增殖、分化、黏附及凋亡等，RAS原癌基因家族作为表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）的下游调节因子，KRAS/NRAS突变导致EGFR信号转导途径发生过表达引起细胞恶性转化[3]。在KRAS突变的转移性结直肠癌群体中，多项研究发现以西妥昔单抗或帕尼单抗为代表的抗EGFR靶向药物治疗效果不佳，而在KRAS野生型患者中，加入西妥昔单抗可以改善预后，KRAS突变与无进展生存期和总生存期（overall survival，OS）较差相关[4]；此外，即使为KRAS野生型，NRAS突变患者亦不能从抗EGFR的治疗中获益，并且比野生型患者的OS更差[5]。多项临床研究发现，BRAF突变是预后不良的指标[3,6]。微卫星是散布于基因组的短重复DNA序列，因其重复性高，易导致DNA聚合酶滑动引起突变和错配，错配修复基因突变使错误碱基对无法被错配修复系统清除，导致基因组突变频率升高，诱导肿瘤发生。临床试验表明在转移性结直肠癌人群中以程序性死亡受体抑制剂为主导的免疫治疗方案使MSI预后明显优于微卫星稳定性（microsatellite stability，MSS）[7]。HER-2在结直肠癌中过表达与肿瘤侵袭性更强相关，但与疾病预后的联系尚存在争议[8]。

2 结直肠癌分子标志物相关影像学成像技术

2.1 CT CT最常用于结直肠癌诊断和评估，对结直肠癌的术前定位、转移评估及术后随访有重要作用。在常规CT形态学征象方面，KRAS、NRAS、BRAF突变状态和MSI等与肿瘤定位、肿瘤大小、淋巴及远处转移等临床病理特征具有相关性，但不同研究结果差异较大[6,8-9]。多项研究报道KRAS、BRAF及MSI在右半结肠的突变率高于左半结肠[9-10]，BRAF在直肠癌突变率可低至2.3%[11]，但亦有研究表示左、右半结肠癌间KRAS、BRAF突变状态无显著差异[12]。范真真等[13]报道通过基于静脉期直肠上静脉直径结合Beets-Tan等的淋巴结转移定性标准[14]的融合模型预测KRAS突变效能良好（AUC=0.81），直肠上静脉最佳临界点为4.5 mm，该研究的理论基础是KRAS与血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表达一致，肿瘤新生血管生成增加会造成直肠上静脉管径扩张，引起相应部位的静脉回流量增加。此外，既往研究发现KRAS基因突变状态与肿瘤的息肉状生长模式有关，推测是KRAS突变基因在低级别腺瘤转化为高级别腺瘤的过程中发挥了作用[15-16]。

在CT定量参数评估方面，能谱CT相对于常规CT不仅可以提供组织器官常规解剖结构信息，原始数据经过后处理还可以获得虚拟平扫、单能量及基物质对图像；其中单能量成像可以提升信噪比获得更好的图像质量，碘基物质图通过定量碘浓度可以准确反映病变组织对碘剂的摄取，即病变血供情况；能谱曲线通过曲线斜率定量评估人体内不同化学成分的组织；此外，还可以利用有效原子序数Z进行物质检测及鉴别。王丹[9]使用能谱CT预测KRAS突变发现碘浓度值、低keV单能量值、标准化碘浓度值及能谱曲线斜率可以反映KRAS突变状态；Cao等[17]也获得类似的结果，并在此基础上开发了诺模图预测结直肠癌的KRAS突变状态，性能较好（AUC=0.848）。Wu等[15]使用双能CT在术前预测MSI的研究中发现，MSI组的三期标准化碘浓度值、能谱曲线斜率及有效原子序数均明显低于MSS组，使用以上参数的多因素Logistic模型能有效鉴别MSI和MSS结直肠癌（AUC=0.886）。

2.2 MRI MRI是早期直肠癌的首选分期检查方法，在判断肿瘤定位、浸润深度和周围脂肪浸润等方面较CT更有优势，目前在常规MRI和功能MRI相关的定量参数中均有大量研究。体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）是一种用于定量评估组织扩散与灌注信息的成像序列，Xu等[18]使用扩散加权成像中衍生的表观扩散系数（ADC）值与IVIM参数预测直肠癌的KRAS状态，发现KRAS突变组的Max-ADC值、Mean-ADC值和纯扩散系数值明显低于野生型组，这一特征表明具有不同KRAS突变状态的直肠癌具有独特的扩散和灌注特征，但姜雪琴等[16]发现ADC值与肿瘤的KRAS状态无相关性，而使用常规MRI形态特征包括肿瘤最大轴向长度（axial tumor lengths，ATL）、最大轴向长度/肿瘤最大纵向长度（ATL/longitudinal tumor lengths，ATL/LTL）能有效预测KRAS突变，但目前研究表明ATL、ATL/LTL对于KRAS突变的诊断准确率有限[17,19]。扩散峰度成像作为一种非高斯分布扩散模型，能反映组织结构复杂的不均一性特征，李丹丹等[20]发现直肠癌扩散峰度成像的平均ADC在KRAS突变组显著低于野生组（P＜0.01），而平均峰度显著高于野生组，且诊断效能更高（AUC=0.845）。HER-2是影响细胞增殖的分子生物学标志物，王莉莉等[21]研究发现HER-2与扩散峰度成像指标无显著相关性，扩散峰度模型价值有限。王灵华[22]发现动态增强定量参数Kep与直肠癌KRAS突变有相关性，联合平均峰度后敏感度和特异度更高，表明其成为直肠癌KRAS突变状态的影像学标志物的潜力。然而，目前结肠癌在磁共振定量成像中的研究较直肠癌少，还需要更多的相关研究以证实两者的共同点和差异。

2.318F-FDG PET/CT PET/CT结合形态学与功能成像，已广泛用于临床诊断，是最早应用于结直肠癌的基因组学影像手段。标准化摄取值（SUV）即局部组织摄取显像剂的放射性活度与全身平均活度的比值，是病灶放射性摄取值的半定量指标，其中最大标准化摄取值（SUVmax）、平均标准化摄取值（SUVmean）和最大标准化摄取峰值（peak standardized uptake value，SUVpeak）是在病灶的感兴趣区取平均值、最大值和肿瘤最高代谢部位为中心的固定1 cm3球形感兴趣体积（volume of interest，VOI）SUVmean而得到，可以反映病灶组织代谢活跃程度，但也受到血糖水平、操作方法等因素影响。目前SUVmax应用广泛，既往多以SUVmax=2.5 作为诊断阈值；肿瘤代谢体积（metabolic tumor volume，MTV）指VOI内药物摄取增高异常的全部体素体积之和，反映异常代谢肿瘤体积，MTV一般采用百分比阈值法，常用阈值为40%SUVmax；病灶MTV和该体积内SUVmean的乘积代表病变区域糖酵解总量（total lesion glycolysis，TLG），较以上参数更能代表肿瘤代谢负荷的概念。He等[23]发现SUVmax、肿瘤靶组织与非靶组织比（target tissue to nontarget tissue ratio，T/NT）有助于预测结直肠癌中KRAS/NRAS/BRAF的突变状态，突变组的SUVmax及T/NT均高于野生型组。尽管SUVmax应用广泛，但对于预测基因突变的研究尚存在争议，刘昕等[24]发现尽管带有KRAS突变的结直肠癌葡萄糖代谢明显高于野生型组，但各SUV指标临床价值有限（AUC＜0.7）；MTV在多项研究中均体现出较好的诊断价值，但TLG并未显示出与KRAS突变明显的相关性[25-26]。一项囊括804例患者的Meta分析[27]显示18F-FDG PET/CT预测结直肠癌KRAS突变的敏感度及特异度较低，表明其对KRAS突变的预测价值需要更多研究证实。18F-FDG PET/CT还有助于确定针对转移性结直肠癌的治疗策略，Cho等[28]发现在Ⅳ期结直肠癌中，KRAS突变患者的肺转移率更高，18F-FDG 摄取量更高。除FDG 外，胸腺嘧啶核苷（fluorothymidine，FLT）或成纤维活化蛋白抑制剂等其他PET分子示踪剂已在临床应用，但与结直肠癌分子标志物的相关研究较少。McKinley等[29]使用18F-FLT PET评估西妥昔单抗对KRAS野生型直肠癌的疗效，与术后病理组织Ki-67具有良好的相关性。核医学分子影像发展迅速，一体化PET/MR的出现提升了同机融合图像的敏感度、分辨率等，较PET/CT具有无电离辐射的优势，目前在肿瘤分期方面明显优于PET/CT，但PET/MR在结直肠癌分子标志物方面的研究鲜有报道。

2.4 影像组学/深度学习 影像组学开辟了医工结合的新方向。在方法上，影像组学提取的图像特征，包括形状、灰度、纹理等，采用支持向量机、随机森林、LASSO方法降维筛选变量；深度学习直接使用卷积神经网络提取特征，再结合全连接层等完成分类和预测。Yang等[30]从门静脉期CT图像中提取放射学特征通过RELIEFF特征选择算法筛选特征并建立组学模型，训练集KRAS/NRAS/BRAF突变的AUC为0.869，与验证集诊断准确度接近，表明CT组学模型有助于鉴别KRAS突变。一项纳入结直肠癌肝转移的研究中，Shi等[31]结合语义和放射学特征通过深度人工神经网络方法构建预测模型能有效区分KRAS/NRAS/BRAF，训练组和验证组AUC分别为0.95和0.79，表明该方法能有效改善在结直肠癌肝转移中的非侵入预测基因突变准确度。Fan等[32]提取影像组学特征并融合临床特征预测亚洲Ⅱ期结直肠癌的MSI状态，融合模型比单一模型具有更高的效能；Wu等[33]开发基于静脉期碘基图的多参数回归模型预测微卫星状态，测试组中AUC值为0.875，表明双能CT纹理信息对于预测结直肠癌MSI状态的巨大潜力。基于MR的纹理分析亦能对肿瘤组织中的基因突变状态进行有效预测。Oh等[34]使用从T2WI提取的放射学特征区分具有KRAS突变状态，根据显著相关的纹理特征建立的决策树模型的敏感度、特异度和准确度分别为84%、80%和81.7%，表明T2WI的组学特征可用于预测直肠癌KRAS突变状态。此外，由于目前基于18F-FDG PET/CT的组学研究多为小样本研究，不同研究者结果间的差异较大。Chen等[35]研究表明基于MTV的纹理特征可有效识别KRAS突变；而Lovinfosse等[36]发现除少量一阶特征外，灰度纹理特征与KRAS突变无相关性，且敏感度、特异度均不高，不足以投入临床使用，18F-FDG PET/CT的影像组学模型还需要更大的样本量支持，有待后期进一步研究。

3 总结与展望

结直肠癌是生物学高度异质性的肿瘤，术前评估肿瘤分子生物学标志物有助于识别肿瘤组织学来源、预测肿瘤进展或转移复发风险。传统形态学信息对于分子标志物的预测能力有限，而新兴技术如能谱CT、扩散加权成像等能量化肿瘤的影像学信息，PET/CT结合了肿瘤的代谢信息，不同的分子示踪剂在不同方面各有优势，影像组学等能从肉眼无法识别的非语义特征中提取信息帮助评估，在预测结直肠癌分子标志物研究中的初步探索取得了一定的成果，但临床应用受制于研究样本量较小；不同研究结果间差异较大，目前还需要更大样本和多中心研究探讨。随着影像学技术的发展和影像生物学标志物的研究，结直肠癌个体化精准治疗会发挥更重要的作用。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突