IDH状态塑造胶质瘤空间分布：644例成人弥漫性胶质瘤的体素映射

引言

弥漫性胶质瘤是成人最常见的原发性脑肿瘤之一，具有广泛的临床和影像学特征。2021年WHO分类强调分子标志物的预后相关性，特别是异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变状态和1p/19q共缺失，用以区分胶质母细胞瘤（IDH野生型）、星形细胞瘤（IDH突变型）和少突胶质细胞瘤（IDH突变型、1p/19q共缺失）作为不同的疾病实体[1]。这些分子亚型不仅在预后和治疗反应方面存在差异，而且在生长动力学、解剖定位和影像学特征方面也表现出不同[2–4]。

既往研究表明，IDH野生型胶质瘤更倾向于表现为弥漫性浸润、T2加权和液体衰减反转恢复（FLAIR）图像上的瘤周高信号，以及优先定位于功能 eloquent 区域，包括外侧裂周围和皮层下结构[5]。相比之下，IDH突变型胶质瘤通常表现为更局限的病变，倾向于发生于额叶或外侧颞叶区域[2]。这些拓扑模式被认为反映了肿瘤发病机制中潜在的生物学差异[6, 7]。

尽管影像生物标志物在胶质瘤分类和治疗监测中日益受到重视[8–10]，但分子亚型、病变定位与临床结局之间的空间关系仍未被完全理解。特别是，T2w/FLAIR成像上可见的非强化病变（NEL）成分可能包含超出强化核心的浸润性肿瘤，并与复发风险和功能下降均有关联[9, 11, 12]。

先进的体素级统计映射技术，如Ellingson等人[13, 14]最初提出的差异受累分析（ADIFFI），能够在大规模队列中系统评估不同分子亚型间肿瘤的空间分布。

此外，MRI信号强度和病变体积的定量分析可能有助于以非侵入性方式区分肿瘤生物学特征[10, 15]。本研究旨在根据2021年WHO中枢神经系统肿瘤分类的最新定义，表征成人型弥漫性胶质瘤跨组织分子亚型的解剖和影像学特征。利用大型回顾性队列、标准化强度缩放和置换控制的体素级ADIFFI映射，我们检查了IDH野生型胶质母细胞瘤、星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤之间在肿瘤定位、病变体积和MRI信号特征方面的差异。

材料与方法

患者

对影像数据的回顾性评估已获当地伦理委员会批准（本地标识符：S-320/2012 和 S-784/2018）。由于研究的回顾性性质及数据的彻底匿名化，豁免知情同意。2010年4月至2022年3月期间，从德国一所大学医院神经放射科的单中心招募了弥漫性胶质瘤患者。共识别出796例新诊断的弥漫性胶质瘤患者。在这项回顾性研究中，患者符合以下两项标准方被纳入：（1）胶质瘤经病理学确诊，并报告了包括IDH突变状态和1p/19q共缺失状态在内的分子参数，（2）在开始治疗前可获得增强前和增强后T1加权（分别为T1w和T1-CE）、T2加权（T2w）和FLAIR图像。50例患者因IDH突变状态和/或1p/19q共缺失状态信息不完整而被排除出分析。此外，102例患者因至少一幅放射学图像图像质量不合格而被排除出我们的回顾性分析。因此，644例新诊断的弥漫性胶质瘤患者被纳入我们的回顾性评估。

磁共振成像

每位患者均接受标准化的3特斯拉脑部MRI检查，使用12通道头矩阵线圈，设备为以下之一：Magnetom Trio TIM、Prisma fit、Verio或Skyra（均来自Siemens Healthineers AG，德国）。如前所述[12, 16]，方案中包括以下四个MRI序列：钆基对比剂给药前（T1w）和给药后（T1-CE）的T1加权图像、T2加权图像（T2w）以及液体衰减反转恢复（FLAIR）图像。采用三维磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列获取T1w和T1-CE。使用钆特酸葡甲胺（Dotarem®，Guerbet，法国），剂量为0.1 mmol/kg，作为T1-CE的MR对比剂。对于轴位T2w和轴位FLAIR，层厚和层间距参数分别选择为5 mm和5.5 mm。每个MRI序列的重要测量参数列于表1中。

图像后处理

使用HD-BET [17]和HD-GLIO [18, 19]自动完成胶质瘤的脑提取和分割。肿瘤病灶分割后获得T1-CE中对比增强肿瘤（CET）区域和FLAIR中非对比增强病灶（NEL）的掩膜。由两名委员会认证的神经放射学家对分割掩膜进行视觉检查，以评估自动分割的准确性。如果分割不准确，则通过共识手动校正分割掩膜，28例（占全部病例的3.5%）需要手动校正。此外，所有MRI图像中的信号强度值通过白条纹归一化（white-stripe-normalization）[20]进行归一化。使用FSL的线性图像配准工具，以12个自由度进行变换[22, 23]，将所有患者的脑提取T1w图像配准到蒙特利尔神经病学研究所（MNI）的高分辨率（1.0 mm各向同性）T1w脑图谱（模板：MNI-152-9c [21]）。将这一步得到的变换矩阵应用于将肿瘤掩膜变换到共同的MNI空间。

频率图与差异受累分析（ADIFFI）

通过按肿瘤突变状态对患者进行分组，获得病灶频率图。此处，ROI的频率图通过将组内每个ROI的掩膜叠加在共同的MNI-152空间中，并除以该组患者数量进行归一化来计算。将两组的频率图相减，获得病灶频率差异图。逐体素应用Fisher精确检验，以识别两组之间肿瘤病灶出现率存在显著差异的脑区。此处，MNI大脑中的每个体素首先为每个受试者被赋予“病灶存在”或“不存在”，从而创建每组的频率图。然后，ADIFFI在每个体素分别执行Fisher精确检验，以观察组间出现率是否存在显著差异。此处使用基于聚类的置换校正[24]作为多重比较校正，以控制错误发现率。此处，对于每次置换，将分割掩膜随机分配到上述两组之一，同时保持每组的边际人群不变。在此随机分配后执行逐体素Fisher精确检验，体素p值小于0.05的结果保留在ADIFFI结果中（α = 0.05，功效 > 0.8）。使用FSL cluster [23]识别体素连接性为26的聚类，如其他研究所述[12, 13, 25, 26]。每次置换后记录最大聚类大小。如先前所述[12, 13, 25, 26]，执行500次置换，以500次置换后最大聚类大小的第95百分位数估计聚类大小阈值。

统计分析

使用非参数Mann-Whitney U检验比较年龄、病灶体积和肿瘤病灶的平均信号强度。对于肿瘤病灶的平均信号强度，计算NEL内每个体素信号强度值的均值。使用GraphPad Prism v10.0.2（GraphPad Software Inc.，美国波士顿）中的ROUT方法（Q = 1%）识别并去除体积数据中的离群值。p值小于0.05报告为显著差异。

结果

患者队列

本回顾性研究共纳入644例成人型弥漫性胶质瘤患者。其中，527例被诊断为IDH野生型胶质母细胞瘤（WHO 4级），117例为IDH突变型较低级别胶质瘤，包括71例星形细胞瘤（WHO 3级：n = 23，WHO 2级：n = 48）和46例少突胶质细胞瘤（WHO 3级：n = 8，WHO 2级：n = 38），后者由1p/19q共缺失定义。IDH野生型胶质母细胞瘤患者年龄大于IDH突变型胶质瘤患者（62.6 ± 12.0 vs. 40.1 ± 12.9岁，p < 0.0001）。成人型弥漫性胶质瘤各类型的示例病例见图1。

肿瘤定位模式

体素分析揭示了不同分子亚型之间不同的空间分布。IDH野生型胶质母细胞瘤更常见于外侧裂周围、岛叶及深部皮层下结构，如基底节和内囊。相比之下，IDH突变型胶质瘤倾向于发生于额极和邻近室下区（SVZ）的外侧颞叶区域。这些发现经ADIFFI框架及簇水平置换校正证实，表明组间定位差异具有统计学显著性（图2）。星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤之间未发现ADIFFI显著的簇。

肿瘤体积与MRI信号特征

非强化病灶（NEL）体积和归一化MRI信号强度的定量比较揭示了IDH亚型之间的显著差异。IDH野生型肿瘤的NEL体积较大（54.2 ± 44.0 ml），而IDH突变型肿瘤为（25.5 ± 35.2 ml，p < 0.0001）。信号强度分析显示，IDH突变型胶质瘤的T1w和T1-CE值持续较低，T2w和FLAIR值较高（均p < 0.0001）（图3）。在117例IDH突变型胶质瘤患者中，31例MRI存在CET成分。比较从CET提取的参数的结果见补充图S1和S2。在IDH突变型亚组内，星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤之间未观察到体积差异（42.6 ± 55.0 ml vs. 23.4 ± 49.8 ml，p = 0.68）。然而，少突胶质细胞瘤在T1-CE图像上显示更高的信号强度（−15.0 vs. −20.5，p = 0.035），而其他序列未发现差异（图4）。对按肿瘤分级分层的IDH突变型胶质瘤患者队列进行了额外分析。结果纳入补充材料：表S1为2级，表S2为3级IDH突变型胶质瘤。

讨论

在这个大型回顾性队列中，常规MRI表型和空间模式一致地将IDH野生型胶质母细胞瘤与IDH突变型胶质瘤区分开来，但未能稳健地将IDH突变型星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤区分。胶质母细胞瘤发病年龄较大，表现出更大的非强化病灶（NEL）体积，并在T1w/T1-CE与T2w/FLAIR之间呈现独特的信号强度组合。体素映射显示IDH突变型胶质瘤倾向于发生于邻近室下区（SVZ）的额叶，而IDH野生型胶质瘤缺乏优势定位。总之，这些发现支持一种务实的诊断立场：常规MRI可以提高或降低IDH状态的检验前概率，但IDH突变型疾病内的确定性亚型分型需要分子检测，特别是1p/19q共缺失的评估[16, 27–29]。

我们的空间分布发现与既往报道一致，即IDH突变型胶质瘤优先累及额叶，尤其是侧脑室前角附近[16, 27]。相比之下，尚未证实存在一致的亚型特异性好发倾向以区分IDH突变型星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤，因为两者均具有这种邻近室管膜下区（SVZ）的定位[30]。本研究中未观察到星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤之间存在显著的ADIFFI聚类，这可能归因于IDH突变型胶质瘤队列规模较小。然而，我们的观察结果与 underlying biology 一致，因为多项其他研究表明，两种IDH突变型胶质瘤可能共享共同的祖细胞起源，从而导致相似的大脑区域成为IDH突变型胶质瘤的好发区域[31, 32]。年龄和体积的对比也印证了此前的观察：IDH野生型胶质瘤发生于较高年龄且具有更大的非强化区，而IDH突变型胶质瘤在较年轻成人中更为常见，如其他研究所示[29]。

本研究中观察到的信号强度组合与已知病理生理学一致：胶质母细胞瘤中更强的血管生成/微血管增生以及出血和坏死发生率更高[33, 34]，以及IDH突变型胶质瘤亚群中的T2w/FLAIR不匹配现象[33, 34]。除重复验证外，我们的研究通过量化IDH野生型肿瘤中更大的NEL负荷增加了颗粒度，这是浸润性生物学的影像学相关指标，具有预后意义[28]。此外，通过显示星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤之间仅有适度差异，强调了单纯结构MRI在术前就1p/19q共缺失状态进行亚型分型的局限性[28]。本研究中观察到的少突胶质细胞瘤对比星形细胞瘤在增强T1加权MRI上NEL的平均信号强度值更高，似乎反映了其他研究者观察到的II级少突胶质细胞瘤相较于II级星形细胞瘤更高的微血管密度[35]。

IDH突变型胶质瘤共享的邻近SVZ好发倾向与将SVZ中的神经干/祖细胞视为起源细胞龛的模型一致[27, 36, 37]。相比之下，IDH野生型胶质母细胞瘤的弥漫性行为符合广泛显微镜下浸润以及可能为SVZ播种的迁移克隆的范式[16, 38]。星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤仅显示细微空间差异的观察支持一种时间模型：早期具有空间导向作用的IDH事件，随后发生后期遗传分支（TP53/ATRX vs. 1p/19q共缺失），后者改变生物学行为和预后而不显著迁移初始足迹[16]。IDH突变型胶质瘤频繁的脑室周围受累以及SVZ中神经干细胞的生物学作用支持继续探索基于SVZ信息的放疗概念[39]。

我们的回顾性研究需承认若干局限性。首先，我们的数据是在单中心西门子平台上采集的；已知扫描仪/厂商/序列的异质性会影响定量测量，尤其是信号强度值，因此有必要进行多中心协调和外部队列验证。其次，我们仅纳入了 anatomical MRI 序列。多模态整合：将结构MRI与扩散、灌注和波谱相结合，在改善分子预测（如IDH状态）方面具有显著潜力[29, 40]。尽管近期研究已证明结合这些模态的益处，未来工作应致力于实施标准化流程和协调采集方案，以确保跨中心的泛化性。第三，弥漫性胶质瘤的弥漫性、网络样扩散特征对纯粹以体素为中心的推断提出了挑战。未来工作可整合纤维束成像和网络水平模型，以捕捉系统尺度的肿瘤-脑相互作用[41]。最后，IDH突变型胶质瘤患者的回顾性研究队列主要由WHO 2级（74%）胶质瘤组成，研究人群中无WHO 4级星形细胞瘤。因此，不能完全排除我们的发现反映的是肿瘤分级而非IDH突变状态。为了在术前影像评估中获得更有用的临床应用，确定用于区分IDH野生型胶质瘤和IDH突变型胶质瘤的影像学参数阈值可能是可取的。然而，鉴于影像特征的生物学连续性和IDH野生型与IDH突变型胶质瘤之间的重叠，我们有意避免二分法，以防止信息丢失和预测性能的潜在降低。确定该问题的理想截断值可在未来研究中通过更大的患者队列和多中心方法对ROC曲线分析进行外部验证来解决。

结论

在一个大型队列中，常规MRI结合体素级映射可通过年龄、NEL负荷、信号表型和空间好发部位稳健地将IDH野生型与IDH突变型胶质瘤区分开来，但不能可靠地区分星形细胞瘤与少突胶质细胞瘤。这些发现支持这样一种工作流程：常规MRI指导IDH状态的验前概率，而明确的亚型划分依赖于分子诊断。IDH突变型疾病一致的额极/室下区邻近模式以及IDH野生型胶质母细胞瘤的弥漫性、系统水平扩散反映了不同的生物学程序，具有诊断和治疗意义，未来多模态、多中心和多前瞻性研究应加以利用。

补充信息

以下是电子补充材料的链接。

补充材料1