时间依赖性扩散加权磁共振成像（DWI）在区分肝细胞癌和肝内胆管癌方面的应用：一项前瞻性动物模型研究

《Magnetic Resonance Imaging》：Time-dependent diffusion-weighted MRI discriminates hepatocellular carcinoma from intrahepatic cholangiocarcinoma: A prospective animal model study

肝细胞癌与胆管内胆管癌的微观结构参数差异及Td-dMRI诊断潜力研究。采用裸鼠模型，通过IMPULSED模型计算细胞直径、细胞外扩散系数、细胞内体积分数和细胞ularity等参数，结果显示联合细胞内体积分数与细胞ularity的ROC曲线下面积达0.95。验证了Td-dMRI在非侵入性区分这两种肝癌亚型中的诊断价值，提出新型影像生物标志物。

黄永梅|魏宇辰|秦星晴|兰梦娜|廖金媛

中国广西医科大学第一附属医院放射科

摘要

目的

评估基于时间依赖性扩散磁共振成像（Td-dMRI）获得的微结构参数在区分肝细胞癌（HCC）和肝内胆管癌（ICC）方面的诊断潜力。

方法

我们建立了携带HCC（MHCC97H细胞系）和ICC（QBC939细胞系）皮下异种移植物的裸鼠模型（n = 30）。所有模型均接受了Td-dMRI扫描。根据IMPULSED模型计算了微结构参数，包括细胞直径（d）、细胞外扩散系数（D_ex）、细胞内体积分数（V_in）和细胞密度。使用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验评估组间差异（显著性阈值：P < 0.05）。通过接收者操作特征（ROC）曲线分析评估每个参数的诊断性能。术后肝组织标本进行了β-连环蛋白免疫组化染色，以验证成像参数与病理发现之间的相关性。

结果

ICC组的D_ex值显著高于HCC组（P < 0.05），而d、V_in和细胞密度在ICC组中显著较低（P < 0.05）。区分HCC和ICC的ROC曲线下面积（AUC）分别为：D_ex为0.838，d为0.779，V_in为0.833，细胞密度为0.733。Td-dMRI测得的d值与病理结果呈显著正相关（r = 0.634，P < 0.05）。值得注意的是，结合V_in和细胞密度参数可将AUC提高到0.95，优于任何单一参数。

ICC组的细胞外扩散性（D_ex）显著高于HCC组，而细胞直径（d）、细胞内体积分数（V_in）和细胞密度显著较低（所有P < 0.05）。

结论

Td-dMRI通过量化不同的肿瘤微结构环境，实现了HCC和ICC的无创区分。该技术获得的参数作为肝癌亚型分类的潜在成像生物标志物具有前景。

引言

原发性肝癌是全球第六大常见癌症，也是癌症相关死亡的第三大原因。它主要包含两种病理亚型：肝细胞癌（HCC）和肝内胆管癌（ICC）[[1], [2], [3]]。与HCC相比，ICC更具侵袭性，预后明显较差[4,5]。ICC通常需要更广泛的肝切除手术，目前缺乏有效的靶向或免疫治疗策略[6,7]。因此，准确区分HCC和ICC对于指导个性化治疗决策和改善患者预后至关重要[[8], [9], [10]]。

目前，组织学活检仍是诊断的金标准，可以直接显示这两种疾病的微结构差异：HCC通常表现出密集排列的小叶结构，而ICC则表现为嵌入丰富纤维基质中的松散排列的腺体结构[[11], [12], [13]]。然而，活检的侵入性和获得明确病理诊断的时间延迟限制了其在进展性疾病中的及时诊断和治疗计划中的应用。传统成像技术在解析肿瘤微结构方面仍面临挑战：尽管动态增强MRI是区分HCC和ICC的主要方法，但成像特征仍有很大重叠[14,15]。扩散加权成像（DWI）得到的表观扩散系数（ADC）值反映了水分子扩散的限制，并间接与细胞密度相关，但ADC测量受到细胞体积和膜通透性等多种因素的干扰，无法可靠地区分HCC和ICC之间的微结构差异[[16], [17], [18]]。体素内不连贯运动（IVIM）模型通过双指数方法将纯扩散（D）与灌注参数（f, D*）分离，而拉伸指数模型（SEM）通过异质性指数（α）和分布扩散系数（DDC）量化组织异质性[[19], [20], [21]]。尽管这两种技术在HCC-ICC区分方面具有潜力，但它们仍无法直接表征ICC的核心病理特征。

近年来，时间依赖性扩散磁共振成像（Td-dMRI）作为一种表征肿瘤微结构的有前景的方法应运而生。该技术结合了振荡梯度自旋回波（OGSE）和脉冲梯度自旋回波（PGSE）序列，使得有效扩散时间可以从亚毫秒级调整到毫秒级[[22], [23], [24]]。这显著提高了对1–10 μm尺度结构特征的敏感性。本研究选择IMPULSED模型，因为HCC和ICC之间的核心病理差异，包括细胞直径（d）、细胞内体积分数（V_in）、细胞外扩散系数（D_ex）和细胞密度，正是该模型旨在量化的关键生物物理属性[25,26]。这使得成像参数与病理结果之间建立了直接联系。与ADC或IVIM等简化模型相比，IMPULSED模型能够提供更具体的微结构信息。结合IMPULSED模型，Td-dMRI可以量化关键微结构参数，包括细胞直径（d）、细胞内体积分数（V_in）、细胞外扩散系数（D_ex）和细胞密度，从而更准确地反映肿瘤微环境的异质性[25,26]。

尽管Td-dMRI在前列腺癌、胶质瘤和乳腺癌的诊断方面取得了显著进展[[25], [26], [27], [28]]，但其在肝脏肿瘤中的应用，尤其是在HCC和ICC的关键临床鉴别诊断中，仍然非常有限。因此，本研究首次探讨了Td-dMRI结合IMPULSED模型在裸鼠动物模型中无创区分HCC和ICC的能力。这种方法旨在基于肿瘤微结构建立新的成像生物标志物，以支持精准诊断。

实验动物

该研究方案已获得广西医科大学动物护理和使用委员会的批准（批准编号202311013）。所有实验程序均严格遵循国家实验室动物福利和伦理指南进行。广西医科大学实验动物中心提供了45只特定的无特定病原体（SPF）雄性BALB/c裸鼠（4周龄，体重15–20克）（动物生产许可证编号：SCXK(Gui)2020–0003）。

结果

裸鼠条件：两位观察者在评估Td-dMRI定量参数和组织学测量结果时表现出强烈的评分者间一致性。Td-dMRI得到的d、细胞密度、V_in、D_ex以及组织学测量的细胞直径的组内相关系数（ICCs）分别为0.906、0.862、0.821、0.901和0.845。最终共有30只裸鼠被纳入研究。所有成功建立的皮下肿瘤均位于……

讨论

本研究使用具有先天性胸腺发育不良的裸鼠，以避免异种肿瘤移植的免疫排斥，从而提高了皮下植入肿瘤的形成率和生长稳定性[27,28]。最终选择的MHCC97H、HepG2和QBC939肿瘤细胞系基于其人类起源，这保留了原发肿瘤的生物学特性，更好地反映了肝癌的临床行为。

结论

本研究证实，基于IMPULSED模型的Td-dMRI可以通过量化肿瘤微环境，无创地区分动物模型中的HCC和ICC。细胞外扩散系数、细胞内体积分数、细胞直径和细胞密度等参数在两组之间存在显著差异。细胞内体积分数和细胞密度的组合表现出出色的诊断性能（AUC = 0.95）。

CRediT作者贡献声明

黄永梅：撰写 – 原稿撰写、可视化、正式分析、数据管理、概念构思。魏宇辰：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理、概念构思。秦星晴：监督、数据管理、概念构思。兰梦娜：监督、正式分析、数据管理、概念构思。廖金媛：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、正式分析、数据管理、概念构思。

资助

本工作得到了中国广西自然科学基金项目（项目编号2023GXNSFAA026053）和中国国家自然科学基金（项目编号81360220、81260214）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。