Магнитно-резонансная релаксометрия в оценке субрегионов глиом головного мозга высокой степени злокачественности — нейровизуализационные и морфологические корреляты

ГБ — глиобластома

МРТ — магнитно-резонансная томография

ПП — протонная плотность

ASL — Arterial Spin Labeling — бесконтрастная магнитно-резонансная перфузия по методу маркирования артериальных спинов

AUC — Area Under Curve — площадь под ROC-кривой

FSPGR BRAVO — Fast Spoiled Gradient Recalled Echo Brain Volume — импульсная последовательность «быстрое градиентное эхо с очищением», позволяющая получить изображение с изотропным вокселем

MAGiC — Magnetic Resonance Image Compilation — метод компиляции магнитно-резонансных изображений

TBF — Tumor Blood Flow, опухолевый кровоток

Глиомы высокой степени злокачественности, соответствующие Grade III и Grade IV по классификации ВОЗ 2016 г., составляют до 85% глиальных опухолей у взрослых [1]. В настоящее время магнитно-резонансная (МР) диагностика таких опухолей имеет широкий спектр модальностей [2, 3]. МР-релаксометрия является методом количественного изучения показателей магнитной релаксации протонов тканевой воды, таких как время релаксации (например, T1, T2, T2*), скорость релаксации, а также протонной плотности (ПП) тканей. Метод позволял выполнять первые исследования глиальных опухолей в 80-е годы XX века, однако такие недостатки, как большая продолжительность ранних протоколов релаксометрии, трудная воспроизводимость исследований и сложный процесс обработки, не позволяли его использовать широко. Разработка более быстрых и воспроизводимых методов релаксометрии, таких как метод «МР отпечатков пальцев» (MR fingerprinting) и метод компиляции МР-изображений (Magnetic Resonance Image Compilation, MAGiC), а также создание программ для получения пространственных карт показателей релаксации и создания («синтеза») изображений на основании данных показателей позволили приблизить МР-релаксометрию к условиям современной клиники.

Цель исследования — оценить различия субрегионов глиом высокой степени злокачественности с помощью магнитно-резонансной релаксометрии по методу MAGiC и бесконтрастной перфузии по методу маркирования артериальных спинов (ASL), а также сопоставить результаты количественных измерений с помощью указанных методов с данными морфологического исследования.

Пациенты. В исследование включены 35 пациентов старше 18 лет (30—72 года, медиана 46 лет) с впервые выявленными супратенториальными глиальными опухолями, накапливавшими контрастный препарат. Все пациенты дали добровольное информированное согласие на участие в исследовании. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГАУ «НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России.

Протокол МР-исследования. Исследование выполнено на МР-томографах GE Optima MR450w с напряженностью магнитного поля 1,5 Тл («General Electric», США) и GE Signa HDxt с напряженностью магнитного поля 3,0 Тл («General Electric», США). МР-исследование включало получение стандартных структурных изображений, бесконтрастную перфузионную магнитно-резонансную томографию (МРТ) по методу псевдонепрерывного ASL у 35 пациентов, МР-релаксометрию по технологии Magnetic Resonance Image Compilation (MAGiC, «General Electric», США) у 27 пациентов. Протокол стандартных структурных МР-изображений включал получение T1, T2-взвешенных изображений, T2-FLAIR-изображений (аксиальные срезы толщиной 5,0 мм с интервалом 1 мм), а также постконтрастных T1-взвешенных изображений с описанными выше характеристиками и FSPGR BRAVO (fast spoiled gradient recalled echo brain volume) с изотропным вокселем, толщиной среза 1,0 мм и интервалом 0 мм. Протокол ASL-перфузионного исследования включал 8-заходное спиральное 3D-сканирование в режиме быстрого спинового эха (fast spin echo, FSE) с толщиной срезов 4,0 мм, FOV (field-of-view) 240 мм, матрицей 128×128, ZIP (zero interpolation filling) 512; TR (repetition time) 4717 мс, TE (echo time) 9,8 мс; NEX (number of excitations) 3; постмаркирующей задержкой 1525 мс; шириной полосы частот 976,6 Гц/пиксель [4]. Протокол МР-релаксометрии (МРТ 1,5 Тл) включал выполнение аксиальных срезов толщиной 4—5 мм с межсрезовым интервалом 1 мм, FOV 240 мм, размер воксела 0,8×1,1×5 мм, ETL (echo train length) 12, полоса частот 20,83 Гц, TR 4000—15000 мс, TE минимальное 10,6—74,3 мс, TE максимальное 63,6—128 мс, eff TE 84,9 мс, TI (inversion time) 170, 670, 1840, 3840 мс. На основании полученных данных с помощью технологии MAGiC выполнялось автоматическое построение синтетических изображений и карт релаксометрии (карт времени T1, времени T2 и ПП) [5].

Обработка данных МРТ и предоперационное планирование. Всем пациентам выполнено хирургическое вмешательство в объеме максимально возможного удаления опухоли.

В рамках предоперационного планирования с помощью рабочих станций General Electric и программы ITK-SNAP (www.itksnap.org) [6] осуществляли выбор областей интереса на структурных МРТ, картах перфузии, картах релаксометрии, постконтрастных изображениях FSPGR BRAVO. Области интереса (отображены на рис. 1) были следующими:

— область 1 — зона максимальной перфузии (TBF), т.е. область активного роста опухоли;

— область 2 — зона отека-инфильтрации, которая соответствовала неконтрастируемой T2-FLAIR-гиперинтенсивной части опухолевой ткани;

— область 3 — неизмененное по данным T2-FLAIR белое вещество головного мозга по ходу хирургического доступа;

— область 4 — неизмененное по данным T2-FLAIR белое вещество в контралатеральном полушарии, в семиовальном центре или лучистом венце, наиболее удаленное от опухоли;

— для показателей релаксометрии: область 4a — симметричный (зеркальный) относительно области 3 участок белого вещества полушарий большого мозга; область 4b — белое вещество ипсилатерального области 3 полушария на удалении от опухоли и перифокальной зоны;

— область 5 — неизмененное по данным T2-FLAIR серое вещество контралатерального опухоли полушария;

— область 6 — неизмененное по данным T2-FLAIR серое вещество головного мозга по ходу хирургического доступа.

Рис. 1. Постконтрастные FSPGR BRAVO изображения. Глиобластома.

Сегментирование областей интереса (1—6) в программе ITK-SNAP (пояснения в тексте).

Интраоперационно выбор точек для проведения биопсии (соответственно зонам 1, 2, 3, 6) осуществлялся по ходу операционного доступа с помощью нейронавигационной системы Fiagon («Fiagon GmbH», Германия), в которую предварительно загружали постконтрастные изображения FSPGR BRAVO. Оценка визуально интактного белого (зоны 4, 4a, 4b) и серого (5) вещества на удалении от опухоли производилась исключительно по данным нейровизуализации.

Морфологическое исследование. Морфологический диагноз устанавливали в соответствии с классификацией ВОЗ опухолей центральной нервной системы 2016 г. [7]. Исследование включало определение степени злокачественности опухолей (Grade), определение с помощью моноклональных антител в образцах тканей уровней экспозиции следующих маркеров (доля положительных клеток): ядерного белка Ki-67, ассоциированного с пролиферацией клеток [8], ингибитора апоптоза Bcl-2 [9], маркера стволовых клеток глиомы CD133 [10].

Статистический анализ результатов. Различия между областями интереса оценивали при помощи критерия Краскела—Уоллиса, при наличии последних проводили запланированные множественные сравнения с помощью критерия Манна—Уитни (между зонами 1—2, 2—3, 3—4, 5—6, для показателей релаксометрии — также между зонами 3—4a, 3—4b). При наличии множественных сравнений применяли поправку Бонферрони. При необходимости для определения чувствительности и специфичности методов проводили ROC-анализ. Наличие корреляций изучалось по методу Спирмена. Статистические расчеты производились в программах Statistica, IBM SPSS, Microsoft Excel.

Морфологическая характеристика опухолей. В ходе морфологического исследования у 23 пациентов выявлена глиобластома (ГБ) (WHO Grade IV), у 7 — анапластическая олигодендроглиома (Grade III), у 5 — анапластическая астроцитома (Grade III). Средние значения морфологических показателей по областям интереса приведены в табл. 1.

Таблица 1. Индекс пролиферативной активности Ki-67 и показатели экспозиции маркеров Bcl-2 и CD133 в субрегионах глиом

Роль данных релаксометрии и бесконтрастной перфузии в дифференцировании областей интереса в опухолях и веществе головного мозга. Значения показателей релаксометрии и бесконтрастной перфузии в областях интереса представлены на рис. 2—5.

Рис. 2. Значения времени T1 в областях интереса 1—6.

Рис. 3. Значения времени T2 в областях интереса 1—6.

Рис. 4. Значения протонной плотности в областях интереса 1—6.

Рис. 5. Значения кровотока в областях интереса 1—6.

В ходе исследования для общей выборки (Grade III, IV) показаны различия кровотока (TBF) между зоной активного роста опухоли (1) и зоной перифокального отека-инфильтрации (2) (значение аппроксимированного критерия Манна—Уитни (Z adjusted) 5,37; p<0,01), в том числе для ГБ (значение Z adjusted 4,68; p<0,01), значения показателей ROC-анализа приведены в табл. 2. Не выявлено различий кровотока между перифокальной зоной отека-инфильтрации (2) и белым веществом (3) по ходу операционного доступа, равно как и белым веществом по ходу операционного доступа (3) и белым веществом на удалении от опухоли (4), а также серым веществом по ходу операционного доступа (6) и серым веществом на удалении от опухоли (5).

Таблица 2. Показатели ROC-анализа, полученные при сравнении значений кровотока в области активного роста опухоли и перифокальной области отека-инфильтрации

Примечание. TBF — Tumor Blood Flow, опухолевый кровоток; AUC — Area Under Curve — площадь под ROC-кривой.

Время T1, T2 и ПП не различались в зоне активного роста опухоли (1) и перифокальной зоне отека-инфильтрации (2). Несмотря на то что в перифокальной зоне (2) выявлены большие значения T2, чем в зоне 1 (значение Z adjusted — 2,19, p=0,029), эти различия нивелированы при проведении поправки на множественные сравнения (критическое значение p для 6 сравнений 0,0083). Наряду с этим показатели релаксометрии обладали способностью дифференцировать перифокальную зону (2) и белое вещество (3) по ходу операционного доступа. Получены следующие значения критериальной статистики Манна—Уитни в общей выборке: для T1 значение Z adjusted 5,99, p<0,01; для T2 значение Z adjusted 6,06, p<0,01; для ПП значение Z adjusted 5,95, p<0,01. При анализе подгруппы различия между областями интереса сохранялись: для T1 значение Z-критерия 4,78, p<0,01; для T2 значение Z-критерия 4,8, p<0,01; для ПП значение Z-критерия 4,73, p<0,01. Значения показателей ROC-анализа приведены в табл. 3.

Таблица 3. Показатели ROC-анализа, полученные при сравнении значений Т1, Т2, протонной плотности в перифокальной зоне отека-инфильтрации и в визуально интактном белом веществе по ходу хирургического доступа. Данные по общей выборке (Grade III, Grade IV) и группе глиобластом

Примечание. AUC — Area Under Curve — площадь под ROC-кривой, ПП — протонная плотность.

В области контралатерального интактного белого вещества на удалении от опухоли (4) показаны большие значения времени T2, чем в белом веществе по ходу операционного доступа (3) (Z adjusted –3,57, p<0,01; для группы ГБ значение Z-критерия равнялось –2,73, p=0,0065). Для времени T1 в общей выборке также продемонстрированы большие значения в контралатеральном интактном белом веществе на удалении (4), однако с учетом множественных сравнений данные различия оказались статистически незначимыми (Z adjusted –2,14, p=0,033 при пороговом значении 0,0083).

Выделить область 4a, «зеркально» симметричную относительно зоны визуально интактного белого вещества по ходу операционного доступа, представлялось возможным у 19 пациентов, у которых опухоли были латерализованными, без признаков изменений по типу отека-инфильтрации на контралатеральной стороне. Для указанной выборки значения показателей релаксометрии для зоны 4 а не отличались от таковых в зоне визуально интактного белого вещества по ходу операционного доступа (3).

Область визуально интактного белого вещества в ипсилатерльном по отношению к опухоли полушарии (4b) выбрана у всех 27 пациентов в общей выборке, значения ПП в области белого вещества по ходу операционного доступа (3) были статистически значимо выше, в том числе с учетом поправки на множественные сравнения (Z adjusted –2,66; p=0,008). Значения T1 в области белого вещества по ходу операционного доступа (3) были также выше, чем в области интактного белого вещества, ипсилатерального опухоли полушария (4b), однако при проведении поправки на множественные сравнения статистическая значимость данных различий нивелировалась (Z adjusted –2,15; p=0,032). У пациентов с ГБ статистически значимых различий между областями 3 и 4b не было. Показатели релаксометрии в интактном сером веществе контралатерального опухоли полушария (5) и сером веществе по ходу операционного доступа (6) не различались.

Корреляция данных релаксометрии и ASL-перфузии. Статистически значимая обратная корреляция выявлена для области активного роста опухоли (1) между временем T2 и TBF (R= –0,58; p=0,0016) как до, так и после поправки на множественное тестирование (рис. 6). Сходные тенденции к корреляции сохранялись для T2 и TBF в перифокальной зоне (2) (R= –0,42; p=0,03) и области белого вещества по ходу операционного доступа (R= –0,39; p=0,047), однако с учетом поправки на множественное тестирование данные изменения не были статистически значимыми.

Рис. 6. Диаграмма взаимосвязи значений кровотока (TBF) и времени T2 в зоне активного роста опухоли.

При анализе данных подгруппы пациентов с ГБ выявлена тенденция к обратной корреляции между временем T2 и TBF в перифокальной зоне (R= –0,51; p=0,03), которая была статистически незначимой при применении поправки на множественное тестирование.

Корреляция нейровизуализационных данных и данных морфологических маркеров. В статистический анализ включены зона активного роста опухоли (1) и перифокальная зона отека-инфильтрации (2). С учетом поправок на множественные тесты статистически значимые корреляции между нейровизуализационными данными и уровнем морфологических маркеров в данных областях не выявлены. Вместе с тем целесообразно отметить тенденции для нейровизуализационных показателей и индекса Ki-67 в зоне активного роста опухоли. Так, для данной области при сопоставлении времени T2 и индекса Ki-67 значение R по Спирмену составляло –0,46 при p=0,015 (для перифокальной зоны (2) значение R составляло –0,36 при p=0,067). При сопоставлении TBF и индекса Ki-67 в области (1) значение R равнялось 0,39 при p=0,02.

Визуальное изучение интенсивности МР-сигнала, оставаясь основой лучевой диагностики глиальных опухолей, сопряжено с рядом трудностей, в том числе субъективностью подходов к оценке изображений, в том числе в динамике. Выявленные в ходе исследования характеристики количественного дифференцирования перифокальной зоны отека-инфильтрации и интактного белого вещества по ходу хирургического доступа представляют возможность не только для визуального и качественного, но и для количественного дифференцирования данных зон на основании изображений, полученных при релаксометрии с использованием соответствующих пороговых значений времени T1, времени T2 и ПП.

Отчетливо дифференцировать зону активного роста опухоли и перифокальную зону можно на основании данных кровотока, однако значения кровотока не различались в перифокальной зоне отека-инфильтрации и веществе головного мозга по ходу операционного доступа, что может быть связано с отсутствием активного ангиогенеза в зоне отека-инфильтрации [11].

Выявленные в контралатеральных опухоли ростральных отделах белого вещества полушарий большого мозга (4) значимо большие значения времени релаксации T2 по сравнению с таковыми в визуально неизмененном белом веществе вблизи опухоли по ходу хирургического доступа, скорее, следует объяснить регионарными анатомическими особенностями строения белого вещества головного мозга [5]. Более высокие значения ПП в визуально неизмененном белом веществе по ходу хирургического доступа при сравнении с референсной областью ипсилатерально на большем удалении от опухоли (4b) могут быть объяснены присутствием не видимого, но определяемого методом релаксометрии отека мозга, однако и в этом различии не исключена роль анатомических особенностей. Особенную осторожность в интерпретации описанных изменений следует проявлять с учетом отсутствия значимых различий между белым веществом по ходу хирургического доступа и симметричными отделами белого вещества контралатерального полушария.

Некоторые из выявленных различий между областями интереса и соответствующих корреляций оказались статистически незначимыми только при проведении поправок на множественные сравнения. Вместе с тем мы считаем необходимым указать на наличие потенциальной физической и физиологической основы для таких различий. В нашем исследовании время T2 и индекс пролиферативной активности Ki-67 характеризовались тенденцией к обратной корреляции. В свою очередь в исследовании P. Chang и соавт. продемонстрирована обратная корреляция между интенсивностью МР-сигнала на T2 FLAIR-изображениях и плотноклеточностью глиальных опухолей [12]. Авторы предполагают, что в более плотноклеточных участках менее выражен вазогенный отек, что приводит к снижению значений T2. Среди статистически значимых закономерностей обращает на себя внимание обратная корреляция времени T2 и TBF в зоне активного роста опухоли. Действительно, участки повышенного кровотока соответствуют регионам с высокой степенью тканевой анаплазии, поэтому снижение количества тканевой воды и соответственно времени T2 представляются нам отражающими реальные патофизиологические изменения в опухолевой ткани. Заслуживает внимания тенденция к корреляции между опухолевым кровотоком и индексом Ki-67. Сходные значения коэффициента корреляции относительного кровотока и индекса Ki-67 в глиальных опухолях получены в работе C. Wang и H. Dong [13]. Нельзя исключить возможность несовпадения областей наибольшей перфузии и максимальной клеточной пролиферации.

Целесообразно отметить потенциальные направления дальнейшего развития настоящей работы. К ним можно отнести способы коррекции явления «brain shift» для повышения точности данных нейронавигации [14, 15], поиск визуализационных, в том числе выявленнных при релаксометрии, различий опухолей, имеющих мутацию R132H фермента IDH-1, и опухолей дикого типа [16]. Кроме того, в настоящем исследовании МР-релаксометрия осуществлялась нативно. Количественная оценка накопления в опухоли контрастного препарата, поиск затруднительных для визуальной оценки зон контрастного усиления в пределах глиальных опухолей также составляют перспективу для исследований с применением метода релаксометрии в ближайшем будущем [17].

ASL-перфузия и магнитно-резонансная релаксометрия, будучи различными по физиологическому значению методами, обладают взаимодополняющей способностью в дифференцировании субрегионов глиом и окружающего вещества головного мозга, и, таким образом, есть перспектива совместного использования. Имеются основания предполагать тенденцию к возможности визуализации участков ткани глиом с более выраженной степенью анаплазии, которые характеризуются более коротким временем релаксации T2 и более выраженным кровотоком.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Пронин И.Н., Пицхелаури Д.И., Захарова Н.Е., Чехонин И.В., Баталов А.И.

Сбор и обработка материала — Чехонин И.В., Баталов А.И., Никитин П.В., Быканов А.Е., Пицхелаури Д.И.

Статистический анализ данных — Чехонин И.В., Погосбекян Э.Л.

Написание текста — Чехонин И.В.

Редактирование — Захарова Н.Е., Пицхелаури Д.И., Пронин И.Н.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №18-29-01018.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.