使用超声定位显微镜的直方图分析来预测大鼠胶质母细胞瘤中异柠檬酸脱氢酶的状态

《Ultrasound in Medicine & Biology》:Histogram Analysis of Ultrasound Localization Microscopy for Predicting Isocitrate Dehydrogenase Status in Rat Glioblastoma

【字体: 时间:2026年03月24日 来源:Ultrasound in Medicine & Biology 2.4

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  基于超声定位显微镜(ULM)的直方图分析预测胶质母细胞瘤IDH状态的有效性研究。通过建立37例原位大鼠胶质母细胞瘤模型,发现传统ULM参数无法有效区分IDH突变型和野生型,而直方图分析的均值、标准差、偏度、变异系数和固性等参数具有显著差异(p<0.05),构建的预后评分模型AUC达0.936,敏感性0.667,特异性0.934,验证了其良好的预测价值。

  
Xing Hu|Xiandi Zhang|Gaobo Zhang|Yong Wang|Rong Xie|Xin Liu|Dean Ta|Hong Ding
复旦大学华山医院超声科,上海,中国

摘要

目的

异柠檬酸脱氢酶(IDH)的状态是指导胶质母细胞瘤治疗的关键生物标志物。本研究旨在评估基于超快超声定位显微镜(ULM)直方图分析得出的预测IDH状态的评分图表的有效性。

方法

建立了37个原位胶质母细胞瘤大鼠模型。开颅手术后,使用超快ULM量化微血管形态和血流动力学,并通过多模态磁共振成像融合配准手动勾画肿瘤区域。根据免疫组化结果将肿瘤分为IDH突变型和IDH野生型。提出了一种基于定位密度图强度直方图的新分析方法来捕捉肿瘤区域内的微血管特征。通过单变量和多变量逻辑回归分析构建评分图表,并使用校准曲线、决策曲线和接收者操作特征分析对其进行评估。

结果

IDH突变型和IDH野生型组之间的传统ULM参数没有显著差异(p = 0.162–0.915)。在直方图特征方面观察到显著的组间差异,包括平均值(p = 0.047)、标准差(p = 0.004)、偏度(p = 0.027)、变异系数(p = 0.011)和 solidity(p = 0.007)。多变量分析确定最小值(p = 0.009)、宽度(p = 0.025)、偏度(p = 0.010)和变异系数(p = 0.001)是IDH状态的独立预测因子。该模型表现出很强的预测性能,曲线下面积为0.936,准确率、敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值分别为0.876、0.667、0.934、0.700和0.910。Hosmer-Lemeshow检验(χ2 = 5.254,p = 0.730)证实预测和观察到的IDH状态之间有良好的一致性。决策曲线分析证实了该评分图表在突变发生率从6%到91%范围内的临床实用性,表明其具有很强的泛化能力。

结论

基于ULM的直方图参数提供了一种可靠的IDH状态预测方法。

引言

胶质母细胞瘤(GBM)是成人中最常见且最具侵袭性的原发性脑肿瘤。标准治疗通常包括手术、放疗和替莫唑胺化疗。中位生存期约为15个月,5年复发率接近90% [1,2]。世界卫生组织第五版中枢神经系统肿瘤分类通过结合组织和分子特征来细化成人型弥漫性胶质瘤的分级和分类。与第四版相比,更新的分类更强调分子遗传学在定义肿瘤特征中的作用。分子异质性显著影响治疗反应和预后,这可能因遗传突变而在标准化治疗方案下有很大差异 [[3], [4], [5]]。因此,预测GBM亚型已成为当前临床研究的重点。准确的术前肿瘤分级和关键分子生物标志物评估有助于个性化治疗计划,包括优化手术方案 [[6], [7], [8]]。
异柠檬酸脱氢酶突变(IDH突变)代表了GBM发展中的早期遗传改变。其中,IDH1突变比IDH2更常见,与代谢重编程、缺氧和血管生成密切相关。具有IDH突变的GBM通常生长较慢,更容易发生癫痫发作,从而增加治疗复杂性 [9,10]。相比之下,IDH野生型(IDH-wt)GBM表现出rRNA转录组缺陷和频繁的遗传改变,如EGFR扩增、TERT启动子突变和染色体变化(例如+7/?10),以及血管微环境中的基因上调,导致更具侵袭性和血管丰富的肿瘤 [[11], [12], [13]]。这些协同的分子事件加剧了GBM的异质性,并增强了其对标准治疗的抗性。准确的术前IDH状态预测有助于了解肿瘤的分子特征,识别高风险患者,并为精准诊断和个性化治疗奠定基础,从而优化诊断策略和治疗选择。超出病变边界的手术切除可以改善无进展生存期和总体生存期 [8,14,15]。传统方法,如基于活检的测序和免疫组化,是侵入性程序。替代生物标志物可能提供互补的、非侵入性的诊断方法 [16]。从宏观到分子引导的切除转变需要先进的术前成像来检测可能与IDH状态相关的灌注相关损伤。IDH突变通常与较低的灌注、较低的血管密度和较高的水肿比率相关。这种血流动力学异质性反映了肿瘤组织和正常脑组织之间血流调节的显著差异 [[17], [18], [19], [20]]。了解这些微血管(MV)特征可能提高IDH状态的预测能力,并支持更精确的手术切除 [21]。
磁共振成像(MRI)广泛用于评估脑血流量(CBF)、血容量和氧消耗;然而,其空间分辨率限制了亚毫米级别的评估 [22]。光学成像技术提供微米级分辨率,但穿透深度有限。因此,成像方式在分辨率和穿透深度方面存在显著差异 [23]。脑组织的组织学检查仍然是诊断的金标准,但缺乏血流动力学信息 [16]。超声定位显微镜(ULM)首次描述于2011年 [24],使用微气泡超声造影剂作为强散射体,并采用了荧光显微镜的单发射器定位原理。通过累积数千帧的微气泡轨迹并确保事件足够稀疏以避免个别回波重叠,ULM可以重建具有微米级空间分辨率的血管结构 [25,26],从而克服了传统超声的衍射限制的空间分辨率 [27]。因此,ULM结合了高空间分辨率和深度穿透能力,能够定量评估广泛的血流速度 [28]。这些能力使其具有广泛的应用潜力,特别是在微米级别检测低速血流方面,使ULM成为临床应用的有希望的成像方式 [29,30]。
肿瘤内异质性(ITH)在肿瘤进展、复发、转移和治疗失败中起着关键作用 [31]。作为肿瘤异质性的主要驱动因素,GBM的微血管表现出显著的变异性。微血管的结构和功能对于确定肿瘤的生物学行为至关重要 [32,33]。传统的ULM提供了关于MV形态和血流动力学的宝贵见解。然而,基于手动分割的结果在微观尺度上缺乏足够的客观性和定量精度。直方图分析将感兴趣区域(ROIs)内的体素数据汇总起来,提供了一种比传统技术更客观和可重复的方法来评估ITH [34]。然而,目前尚不清楚基于ULM的直方图分析是否能够表征不同区域的MV异质性并揭示其与IDH突变的潜在关联。

部分摘录

伦理批准

所有动物实验均遵循ARRIVE指南,并获得了复旦大学动物伦理委员会的批准(批准编号202408008S)。ARRIVE检查表可在线获取。研究过程如图1所示。

原位大鼠GBM建模

使用37只雄性Sprague–Dawley大鼠建立原位GBM模型。这些大鼠被饲养在具有12小时光照/黑暗周期的受控环境中,并可自由获取标准饲料和水。C6大鼠胶质瘤细胞系被用于

传统ULM参数无法有效区分IDH突变型和IDH野生型

传统的基于ULM的MV参数,包括血管直径、血管密度、分支数量和曲率,主要描述了肿瘤血管的宏观结构和几何复杂性。血流动力学参数,如速度、OV和血流量,提供了关于灌注动力学的补充信息。为了研究这些形态和血流动力学特征是否在GBM的不同分子亚型之间有所不同,表1比较了IDH突变型和IDH野生型的ULM参数,结果显示没有

讨论

GBM的侵袭性由异常的血管生成驱动,微血管异质性在肿瘤进展和扩散中起着关键作用。IDH突变主要通过代谢重编程和抑制血管形成来影响血管生成。2-羟基戊二酸的积累会下调α-酮戊二酸依赖性双加氧酶并破坏缺氧诱导因子1-α的稳定性。这减少了血管内皮生长因子(VEGF)的表达,从而抑制

结论

高分辨率ULM成像能够连续监测和动态观察GBM的微血管。本研究提出了一个基于直方图的评分图表,有效预测IDH状态,并显示出高诊断准确性。重复测量和动态观察预计将提高临床适用性,并为GBM的诊断和治疗提供有价值的指导。

作者贡献

概念构思:Hu X, Zhang XD, Liu X, Ding H。数据采集:Hu X, Zhang XD, Zhang GB。数据分析或解释:Hu X, Zhang XD, Yong Wang。
手稿起草:Hu X, Zhang XD, Zhang GB。手稿的最终修订:Yong Wang, Liu X, Dean Ta, Ding H。手稿最终版本的批准:所有作者。

数据可用性声明

研究中生成或分析的数据集可根据合理请求向相应作者获取。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(资助编号82272017给H.D.)的支持。
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