放射組學(xué)在結(jié)直腸癌免疫微環(huán)境的應(yīng)用進(jìn)展

任曉婧，韓子清，錢 華（通訊作者）

（1浙江中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 浙江 杭州 310053）（2浙江省中醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 浙江 杭州 310000）

結(jié)直腸癌（colorectal cancer, CRC）是全球第五大最常見的癌癥，僅次于乳腺癌、肺癌、前列腺癌和非黑色素皮膚癌[1]，且在女性中發(fā)病率更高。CRC的腫瘤免疫微環(huán)境（tumor immune microenvironment, TIME）包括間質(zhì)、脈管系統(tǒng)、非腫瘤細(xì)胞以及溝通微環(huán)境內(nèi)各部分的信號分子網(wǎng)絡(luò)等[2]。TIME內(nèi)存在的免疫相關(guān)生物標(biāo)志物是針對CRC的免疫療法作用機(jī)制以及其對疾病的預(yù)測預(yù)后的關(guān)鍵性因素。當(dāng)前常用檢測生物標(biāo)志物方法屬于侵入性活檢，其存在的風(fēng)險(xiǎn)和潛在的并發(fā)癥限制了這些方法在實(shí)時(shí)監(jiān)測疾病進(jìn)展和腫瘤生物學(xué)特征方面的應(yīng)用。放射組學(xué)（radiomics）將放射學(xué)數(shù)據(jù)與人工智能算法相結(jié)合，從多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像中提取大量高維定量特征，將腫瘤解碼為不同的成像表型[3]并確定腫瘤的放射性生物標(biāo)志物。放射組學(xué)工作流程包括以下四步：（1）圖像采集與建立數(shù)據(jù)集；（2）感興趣區(qū)域（region of interest, ROI）的圖像分割；（3）特征提取；（4）統(tǒng)計(jì)分析與建立模型。由于其具有無創(chuàng)性的特點(diǎn)，可以為CRC患者提供非侵入性的臨床預(yù)測指標(biāo)，為臨床上癌癥篩查確診、治療選擇以及預(yù)后提供客觀決策。

1 放射組學(xué)在腫瘤免疫微環(huán)境中的無創(chuàng)性分析

放射組學(xué)領(lǐng)域正在探索通過高質(zhì)量、可再現(xiàn)的成像分析工具，揭示放射特征與基因組突變的相關(guān)性，然后與臨床信息、基因組信息和其他信息相結(jié)合，基于治療的個(gè)體反應(yīng)或預(yù)后情況來幫助臨床上每個(gè)患者選擇最佳療法。

1.1 預(yù)測微衛(wèi)星不穩(wěn)定性

迄今為止，在CRC的免疫微環(huán)境中已獲得廣泛關(guān)注的生物標(biāo)志物之一是特定患者的微衛(wèi)星不穩(wěn)定性（microsatellite instability, MSI）。與微衛(wèi)星穩(wěn)定腫瘤（microsatellite stabilization, MSS）相比，MSI腫瘤具有更好的分期調(diào)整生存率和更低的復(fù)發(fā)機(jī)會，并且MSI可以預(yù)測結(jié)直腸癌患者對免疫療法的反應(yīng)是否良好。MSI腫瘤相較于MSS表現(xiàn)出較高的血管生成能力，并且具有更高的微血管密度，Wu Jingjun等[4]利用單源雙能計(jì)算機(jī)斷層掃描（ssDECT）MSI和MSS CRC患者，發(fā)現(xiàn)MSI CRC在所有測量中的值均顯著低于MSS CRC，曲線下面積（area under curve, AUC）為0.886。其所在團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究基于雙源雙能計(jì)算機(jī)掃描成像也檢測出兩類型腫瘤的差異[5]。Pernicka等通過2個(gè)臨床特征和40個(gè)放射學(xué)特征的組合模型進(jìn)行術(shù)前CT的放射學(xué)分析，訓(xùn)練集的AUC為0.80，測試集的AUC為0.79[6]。上述研究共同證明了相較于單一模型而言，臨床因素和放射組學(xué)特征的組合分析可改善預(yù)測性能，并可能有助于患者非侵入性個(gè)性化治療的選擇。

1.2 預(yù)測KRAS基因突變

在CRC中檢測KRAS基因突變是個(gè)性化治療策略優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。K-Ras是表皮生長因子受體（EGFR）誘導(dǎo)的信號傳導(dǎo)級聯(lián)的關(guān)鍵介體，KRAS突變的患者對EGFR的藥物如西妥昔單抗的耐藥性較高[7]。NCCN指南推薦將計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）作為臨床實(shí)踐中CRC的首選影像學(xué)檢查。Lubner等[8]發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)治療的CRC肝轉(zhuǎn)移中，CT紋理特征與腫瘤分級密切相關(guān)，直方圖偏斜度與KRAS突變呈負(fù)相關(guān)（P=0.02）。曹劍等[9]比較訓(xùn)練集和驗(yàn)證集KRAS突變型患者和野生型患者的CT圖像紋理參數(shù)值和臨床特征，KRAS野生型病灶的熵值高于突變組（P＜0.001）。Taguchi N等研究表明[10]，具有全面CT紋理參數(shù)的多變量支持向量機(jī)產(chǎn)生的AUC為0.82，與FDG PET圖像上的最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值相比，預(yù)測結(jié)直腸癌KRAS突變狀態(tài)方面具有更出色的預(yù)測性能。以上都說明利用CT紋理分析技術(shù)模型預(yù)測結(jié)直腸癌患者KRAS突變狀態(tài)的性能更好。

2 免疫微環(huán)境中未來有前途的生物標(biāo)志物

TIME中細(xì)胞組成的免疫系統(tǒng)活性影響著腫瘤的發(fā)展和轉(zhuǎn)移，除了可以將放射特征與腫瘤的分子特征相關(guān)聯(lián)，當(dāng)前還在TIME中發(fā)現(xiàn)具有潛在診斷和預(yù)后價(jià)值的新候選影像學(xué)生物標(biāo)志物。未來放射組學(xué)領(lǐng)域可以針對這些生物標(biāo)志物，在滿足臨床要求并有益于診斷和癌癥治療的技術(shù)方面取得長足的進(jìn)步。

2.1 腫瘤突變負(fù)擔(dān)與新抗原負(fù)荷

腫瘤突變負(fù)擔(dān)（tumor mutation burden, TMB）有望于成為預(yù)測多個(gè)癌癥類型的潛在性生物標(biāo)志物，并且TMB在不同的癌癥類型中閾值不同。Schrock等發(fā)現(xiàn)[11]，在CRC的程序性細(xì)胞死亡蛋白-1（programmed death-1, PD-1）阻斷療法中，TMB作為MSI-H CRC對免疫治療的潛在生物標(biāo)志物的最佳閾值為37和41個(gè)突變/Mb，TMB顯示出與客觀反應(yīng)和無進(jìn)展生存期的最強(qiáng)關(guān)聯(lián)。新抗原負(fù)荷作為新型生物標(biāo)記，是由腫瘤基因組的體細(xì)胞突變產(chǎn)生的新抗原的總數(shù)?，F(xiàn)有方法是通過基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)提高腫瘤新抗原的篩選和鑒定能力[12]，未來通過將放射組學(xué)和人工智能結(jié)合可使新抗原大規(guī)模篩選成為可能，并可評估其對于CRC患者的預(yù)測價(jià)值。

2.2 腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞

腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞（tumor infiltrating lymphocytes, TIL）的存在表明TIME內(nèi)炎細(xì)胞的存在。TIL數(shù)值與腫瘤形狀、邊緣局限、表觀擴(kuò)散系數(shù)及腫瘤內(nèi)質(zhì)地有關(guān)，不同腫瘤中TIL的存在對腫瘤的預(yù)后改善及其相關(guān)免疫療法和普通療法的應(yīng)答改善有密切的關(guān)系。張曉燕等[13]采用MRI的影像組學(xué)方法，構(gòu)建四個(gè)模型預(yù)測直腸癌新輔助放化療后淋巴結(jié)有無轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)包含治療前后腫瘤、淋巴結(jié)特征的放射組學(xué)模型能更好地預(yù)測新輔助放化療后淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀態(tài)。由此我們可以設(shè)想嘗試?yán)梅派浣M學(xué)模型預(yù)測新輔助化療過程中TIL狀態(tài)。已有研究證明TIL可以預(yù)測新輔助化療過程中可能發(fā)生的病理反應(yīng)和化療或靶向治療后的預(yù)后情況，尤其是HER2陽性乳腺癌和三陰性乳腺癌的預(yù)后[14]。

2.3 腸道微生物

CRC患者中會出現(xiàn)某些特定的腸道微生物群數(shù)量高于正常水平，并且通過改善腸道菌群失調(diào)可以降低發(fā)病率、減緩腫瘤進(jìn)展。因此，腸道微生物有望作為CRC免疫療法的一種潛在的預(yù)測性生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。具核梭形桿菌（Fn）在CRC患者的糞便中含量較高，F(xiàn)n與糞便免疫化學(xué)檢測聯(lián)合使用，可以提高CRC臨床篩查的敏感性和特異性。放射組學(xué)未來可探索通過成像分析為檢測Fn以及其他腸道微生物提供線索，進(jìn)一步增強(qiáng)生物標(biāo)志物的成像作用。

3 目前的問題與展望

放射組學(xué)應(yīng)用于CRC的問題與展望在于以下幾個(gè)方面。其一，想要得到可靠完善的結(jié)論需要足夠的數(shù)據(jù)。但數(shù)據(jù)的大量增加使因果關(guān)系很難評估和確定。并且共享數(shù)據(jù)包含患者的醫(yī)學(xué)圖像有涉及隱私、法律、道德等問題的風(fēng)險(xiǎn)。其二，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的定義，且成像方式、協(xié)議等多種客觀差異的存在而降低了放射線模型的通用性，使放射組學(xué)應(yīng)用于CRC缺乏穩(wěn)健性和可推廣性。其三，依賴人工手動分割耗時(shí)耗力且在很大程度上受CRC的異質(zhì)性以及與周圍結(jié)構(gòu)之間的對比度差異、器官位置等原因的影響，醫(yī)學(xué)圖像分割要實(shí)現(xiàn)完全自動化應(yīng)用還有很大的挖掘潛力。其四，預(yù)測模型缺乏穩(wěn)定性和可重復(fù)性。臨床上正式應(yīng)用模型之前還需在大型多中心環(huán)境中進(jìn)行外部驗(yàn)證。在滿足臨床要求并有益于診斷和癌癥治療的技術(shù)方面，放射組學(xué)領(lǐng)域未來有廣闊的發(fā)展前景。