周 巍, 趙艷娟, 潘詩農(nóng)

1.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 放射診斷科,遼寧 沈陽 110016;2.中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院 放射診斷科,遼寧 沈陽 110004

結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)是世界上癌癥相關(guān)死亡的第三大原因[1]。CRC的結(jié)局差異較大,5年存活率為10%～90%,具體取決于疾病分期和其他病理生理因素[2-3]。CRC患者基因突變率高達(dá)48.9%,其中,KRAS、NRAS、BRAF基因突變會影響CRC的發(fā)生發(fā)展、耐藥和復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移,也是晚期CRC明確有效的藥物治療靶點和療效預(yù)測生物標(biāo)志物[2]。明確基因突變狀態(tài)對于CRC精準(zhǔn)診療及全程管理至關(guān)重要[1]。同時,了解具有預(yù)后能力的CRC分子和組織病理學(xué)特征可能有助于識別復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移風(fēng)險較高的CRC患者,從而更準(zhǔn)確地預(yù)測和指導(dǎo)輔助治療[4]。目前,腫瘤組織活檢是明確CRC患者基因突變狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn),但由于其價格昂貴且屬于有創(chuàng)操作,患者依從性較差,嚴(yán)重影響藥物治療方案的選擇和遠(yuǎn)期預(yù)后。因此,臨床上急需一種無創(chuàng)性的新方法精準(zhǔn)判斷CRC患者的基因突變情況。本文就影像/病理特征深度學(xué)習(xí)在CRC相關(guān)基因突變的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 CRC的病理學(xué)及分子生物學(xué)特征

1.1 CRC的病理學(xué)特征

2019年,世界衛(wèi)生組織對CRC亞型進(jìn)行了重新分類。目前,CRC的預(yù)后主要依賴于國際癌癥控制聯(lián)盟(International Cancer Control,UICC)和美國癌癥聯(lián)合委員會(International Cancer Control,AJCC)腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(tumor-node-metastasis,TNM)分期分類定義的癌癥分期。然而,同一病理階段的患者預(yù)后存在較大差異,特別是在CRC的中間階段(Ⅱ期和Ⅲ期)[5]。TNM系統(tǒng)是腫瘤學(xué)中應(yīng)用較多的分期系統(tǒng)。雖然,TNM不是專門為放射分期而設(shè)計的,但TNM已被放射科醫(yī)師廣泛用于癌癥(包括CRC)的診斷報告。組織學(xué)特征(如腫瘤出芽、神經(jīng)周圍浸潤、根尖淋巴結(jié)陽性、淋巴結(jié)產(chǎn)量、淋巴結(jié)比值)和分子特征,微衛(wèi)星不穩(wěn)定性(microsatellite instability,MSI)、KRAS、BRAF,以及人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)、尾型同源盒轉(zhuǎn)錄因子2(caudal-related homeobox transcription factor 2,CDX2),已被確定為指導(dǎo)預(yù)后和優(yōu)化輔助治療的組織學(xué)特征及生物標(biāo)志物[6-7]。

1.2 CRC分子生物學(xué)特征

CRC常規(guī)使用的分子標(biāo)志物包括KRAS、NRAS和BRAF(擴展RAS檢測)缺乏特異性的激活突變分類,基因組規(guī)模分析(超突變或非超突變CRC)[8]和轉(zhuǎn)錄組分析[CRC的共識分子亞型(consensus molecular subtype,CMS)]這兩種方法也主要用于CRC分子診斷分類[9],二者均具有基于亞型的靶向治療的潛力。磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸3-激酶催化亞基-α基因(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit alpha,PIK3CA)激活突變與較差的具體預(yù)后、抗EGFR治療的陰性預(yù)測反應(yīng),以及對乙酰水楊酸的成功輔助反應(yīng)相關(guān)[10]。免疫相關(guān)標(biāo)記物(如免疫評分)代表了潛在的預(yù)后分層工具[11],基因表達(dá)特征的預(yù)后用途受到更多依賴,特別是用于確定術(shù)后復(fù)發(fā)的風(fēng)險。CRC根據(jù)其組織病理學(xué)特征進(jìn)行分類,包括腫瘤大小、分級和疾病階段。然而,這種分類方法忽略了CRC的異質(zhì)性。CRC亞型聯(lián)盟確定了4種CMS(CMS1、CMS2、CMS3和CMS4),為CRC提供了目前較穩(wěn)健的分類系統(tǒng)[12]。雖然,現(xiàn)階段TNM分期仍然是指導(dǎo)CRC治療決策的重要的特征,但CMS分類是對TNM分期的相關(guān)補充,以便為個體患者提供最佳治療策略。

1.2.1 KRAS KRAS是抗EGFR治療不可或缺的生物標(biāo)志物。3種RAS癌基因(HRAS、KRAS和NRAS)是人類癌癥中最常見的突變基因家族的一部分,KRAS是最常突變的,約占所有RAS驅(qū)動癌癥的85%,其次是NRAS(12%),最后是HRAS(3%)。當(dāng)上述基因發(fā)生突變時,細(xì)胞將具有更大的侵襲和轉(zhuǎn)移潛力。KRAS密碼子12、13、61和146特異性點突變在KRAS突變的癌癥中經(jīng)常發(fā)生,其聚集在外顯子2(密碼子12和13)、外顯子3(密碼子61)或外顯子4(密碼子146)中,并保持KRAS-GTP活性形式,從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展。特別是超過90%的KRAS突變發(fā)生在甘氨酸12。這種氨基酸位于蛋白質(zhì)的P環(huán)區(qū),在穩(wěn)定核苷酸結(jié)合中起關(guān)鍵作用。KRAS致癌激活對于結(jié)腸上皮的惡性轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。約29%～45%的局部晚期CRC患者檢測到KRAS突變,KRAS狀態(tài)顯示CRC和直腸癌之間無差異[13]。有研究報道,與無突變的患者比較,Ⅳ期KRAS突變患者的病死率更高(34.0%比18.5%),總生存期降低(23.5個月比14.0個月)。此外,KRAS突變是存活率降低的獨立危險因素。

1.2.2 NRAS NRAS突變患者從臨床和分子角度形成一個獨特的轉(zhuǎn)移性CRC亞組[14]。3%～5%的CRC顯示NRAS基因的外顯子2、3和4突變,但由于患者數(shù)量少,與KRAS和BRAF突變比較,這些遺傳變化的影響研究較少。有研究報道,KRAS和NRAS突變患者的臨床和病理特征相似,NRAS突變患者對抗EGFR治療反應(yīng)不佳[15]。KRAS和NRAS突變腫瘤表現(xiàn)出相似的轉(zhuǎn)移模式,即其播散通常是肝、肺和腹膜。然而,存在個體差異,NRAS突變患者的黏液組織學(xué)發(fā)生率及肺轉(zhuǎn)移頻率均較低[16]。

1.2.3 BRAF BRAF較少見,但很重要。BRAF在絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)途徑激活中發(fā)揮作用,并有助于細(xì)胞生長、增殖和分化,以及其他關(guān)鍵細(xì)胞過程,如遷移、凋亡和細(xì)胞存活。BRAF和KRAS突變是相互排斥的。約13%的患者同時存在BRAF與PIK3CA的突變,BRAF突變被認(rèn)為是轉(zhuǎn)移性CRC陰性預(yù)后的生物標(biāo)志物[15]。近年來,有研究報道,RNF43突變有可能可以預(yù)測接受抗BRAF/EGFR治療的BRAF突變微衛(wèi)星穩(wěn)定mCRC患者的結(jié)局[16]。

1.2.4 c-MET及Claudin18.2 c-MET是位于7號染色體帶q21eq31上的原癌基因,是由MET基因編碼產(chǎn)生的具有自主磷酸化活性的跨膜受體,屬于酪氨酸激酶受體家族。c-MET信號的異常激活可引發(fā)癌癥,原因包括蛋白質(zhì)過表達(dá)和基因擴增或重排。在胃腸道惡性腫瘤中,c-MET異常激活可能與KARS基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)有關(guān)[17]。c-MET過表達(dá)對于c-MET抑制劑的反應(yīng)具有潛在的預(yù)測價值[18]。Claudin18.2(CLDN18.2)蛋白是一種跨膜蛋白,基因位于人第3號染色體的3q22.3,具有高度選擇性的標(biāo)志蛋白,異常表達(dá)可導(dǎo)致上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)功能受損。有研究表明,CLDN18.2持續(xù)異常過度表達(dá)尤其好發(fā)于消化道腫瘤[19]。

1.2.5 HER2及MSI HER2癌基因是酪氨酸激酶家族的成員,類似于EGFR、HER1、HER3和HER4。HER2位于17號染色體上,編碼185 kD的跨膜蛋白,該蛋白通過配體結(jié)合激活[20]。HER2激活啟動信號通路,包括MAPK和PI3K/AKT,對細(xì)胞增殖和分化至關(guān)重要[21]。有研究報道,HER2在包括CRC在內(nèi)的多種惡性腫瘤中過度表達(dá)[22]。HER2擴增是轉(zhuǎn)移性CRC的相關(guān)遺傳改變。這一事實在Meric-Bernstam等[23]研究中均有記錄。Crimi等[24]研究已經(jīng)證明了CRC領(lǐng)域?qū)笻ER2療法的反應(yīng)。MSI的生發(fā)異常代表了林奇綜合征的分子基礎(chǔ)[25]。事實上,攜帶dMMR/MSI腫瘤的CRC患者使用免疫檢查點抑制劑,使無進(jìn)展生存期翻倍并保持持久反應(yīng),顯示出顯著且改變實踐的結(jié)果[26]。與Ⅳ期比較,CRC腫瘤在Ⅱ期和Ⅲ期的MSI陽性更常見。散發(fā)性MSI陽性腫瘤位于近端,在老年女性中更常見,分化較差,有黏液組織學(xué),并有明顯的淋巴細(xì)胞浸潤[27]。

1.2.6 CDX2 CDX2是一種高度保守的主轉(zhuǎn)錄因子,可控制腸上皮的發(fā)育和分化。編碼CDX2的基因位于染色體13q12-13上。CDX2是一種調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞分化的轉(zhuǎn)錄因子。CDX2在基因轉(zhuǎn)錄水平上誘導(dǎo)分化并抑制增殖,其表達(dá)幾乎完全局限于胃腸道。在常規(guī)的日常診斷實踐中,CDX2被用作識別腸道起源腫瘤的標(biāo)志物。少數(shù)研究試圖將CDX2表達(dá)缺失與特定的MMR基因(MLH1、MSH2、MSH6、PMS2)相關(guān)聯(lián)[28]。Konukiewitz等[29]研究報道,CDX2缺失不僅可以識別生存特征較差的CRC患者,還可以識別特定分期組(如UICCⅡ/Ⅲ期)中具有特別侵襲性病程的CRC患者。2022年,Alarid-Escudero等[30]報道了CDX2表達(dá)檢測和輔助化療實施Ⅱ期CRC的成本效益分析,研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)CDX2表達(dá)缺失確定一組Ⅱ期CRC患者進(jìn)行靶向化療是一種具有成本效益的策略。

2 影像組學(xué)與病理組學(xué)

近年來,醫(yī)學(xué)圖像的深度計算分析,特別是放射組學(xué)和病理組學(xué)、基因組學(xué),已經(jīng)顯示出許多令人興奮的結(jié)果,用于預(yù)測CRC患者的預(yù)后[31]。分別來自傳統(tǒng)放射組學(xué)、病理組學(xué)分析的初步結(jié)果已經(jīng)證明了將圖像特征與不同系統(tǒng)惡性腫瘤相關(guān)臨床指標(biāo)相結(jié)合對疾病的預(yù)測能力[32-33]。

2.1 影像組學(xué)概述 影像組學(xué)是指基于CT、MRI、PET/CT或超聲等醫(yī)學(xué)圖像,高通量地提取大量相關(guān)疾病的影像組學(xué)特征,將醫(yī)學(xué)影像轉(zhuǎn)化為高維數(shù)據(jù),量化醫(yī)學(xué)圖像上各種腫瘤的特征信息,然后,對這些特征進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,建立具有分類、預(yù)測功能的統(tǒng)計學(xué)模型[34]。影像組學(xué)在CRC診療中的臨床應(yīng)用主要包括CRC鑒別診斷、術(shù)前分期、轉(zhuǎn)移預(yù)測、療效及預(yù)后評估等[35]。

2.2 影像組學(xué)在CRC診療中的應(yīng)用 2023年,Chen等[36]提出對結(jié)直腸感興趣區(qū)域特征預(yù)處理的規(guī)范化,特征篩選精細(xì)化,標(biāo)簽構(gòu)建方面增強等方法具有可推廣性?；谛g(shù)前增強CT圖像的影像學(xué)分析,可無創(chuàng)讀取CRC腫瘤MSI狀態(tài),并成功將Ⅱ期CRC患者進(jìn)行預(yù)后分層。Yao等[37]對Ⅱ～Ⅲ期CRC術(shù)后進(jìn)行預(yù)后預(yù)測,在特征提取方面做了創(chuàng)新,以深度特征代替羽翳及紋理特征,最后與TNM分期聯(lián)合構(gòu)建了個體化預(yù)測工具。Dohan等[38]基于CRC肝轉(zhuǎn)移治療后2個月時的增強CT圖像紋理分析,即可預(yù)測患者總生存期,預(yù)測時效早于經(jīng)典RECIST 1.1(美國國家癌癥研究所和歐洲癌癥治療研究組織共同制定的實體癌評價)標(biāo)準(zhǔn),相當(dāng)于6個月時經(jīng)典RECIST 1.1評估的預(yù)測效能?？梢娪跋窠M學(xué)可以輔助臨床,可盡早制定治療決策(繼續(xù)/停止)。

2.3 影像-病理組學(xué)在CRC診療中的應(yīng)用 2022年,Feng等[39]使用治療前MRI和蘇木精-伊紅染色的活檢載玻片圖像,其中,對于病理模型的建立包括兩部分:病理組學(xué)核心模型和病理組學(xué)微環(huán)境模型。Feng等[39]使用CellProfiler軟件從全視野數(shù)字切片中提取病理組學(xué)核心特征(腫瘤細(xì)胞),并使用VGG-19深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取病理組學(xué)微環(huán)境特征(腫瘤間質(zhì)),開發(fā)和驗證一個影像-病理組學(xué)的集成預(yù)測系統(tǒng)(RAPIDS)來預(yù)測局部晚期直腸癌患者對新輔助放化療的病理完全緩解,識別對放化療高度敏感且有可能實現(xiàn)病情完全緩解的直腸癌患者,并為其提供標(biāo)準(zhǔn)(或強化)新輔助放化療,可提高生存期和生活質(zhì)量。

3 人工智能在CRC診斷與預(yù)后中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人工智能的發(fā)展,深度學(xué)習(xí)已在醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域中開展了無數(shù)的應(yīng)用,在腫瘤學(xué)、放射學(xué)、病理學(xué)、皮膚病學(xué)和眼科等均取得了飛速發(fā)展。結(jié)腸鏡檢查被認(rèn)為是CRC篩查的“金標(biāo)準(zhǔn)”[40]。然而,小型(直徑≤5 mm)或無蒂息肉僅憑人眼觀察可能漏診(漏診率約為23.6%)[41]。隨著人工智能的進(jìn)展,特別是計算機輔助檢測(computer aided detection,CAD)系統(tǒng),如實時自動檢測系統(tǒng),以改進(jìn)CRC檢測率[42]。這主要得益于深度學(xué)習(xí)程序可以獨立識別大量圖像和聲音的強大技術(shù),從而減少視覺診斷中的人為錯誤。Xu等[43]在2023年的一項雙盲隨機對照試驗中,證實了CAD輔助結(jié)腸鏡檢查有助于提高腺瘤檢出率。Hsu等[44]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)開發(fā)的結(jié)腸鏡檢查程序內(nèi)預(yù)警系統(tǒng),對于模糊圖像和包含褶皺、糞便和不透明水的圖像的檢測,準(zhǔn)確率為96.2%;而應(yīng)用于視頻圖像時,每個息肉的檢測準(zhǔn)確率為100.0%;高質(zhì)量圖像幀和息肉圖像幀的召回率分別為95.7%和92.0%;通過每幀分析獲得的視頻圖像的總體警報準(zhǔn)確率和低質(zhì)量假陽性率分別為95.30%和0.18%。這提示,在結(jié)腸鏡移動過快、腸道中存在糞便殘留物或結(jié)腸擴張不足的情況下,人工智能系統(tǒng)可用于提醒內(nèi)鏡醫(yī)師放慢手術(shù)速度或進(jìn)行沖洗或管腔擴張。CAD在檢測CRC方面的準(zhǔn)確性已得到普遍認(rèn)可。Barua等[45]納入了5項隨機對照試驗(共4 311例患者),證實結(jié)腸鏡檢查時使用CAD的腺瘤檢出率明顯優(yōu)于單獨結(jié)腸鏡檢查(29.6%比19.3%),假陽性警報平均值為11.2%。Li等[46]分析了16項使用CAD的研究,發(fā)現(xiàn)CAD對CRC檢測和分類的受試者工作特征曲線下面積為0.940,且敏感性高于專家組(88%比80%,P<0.05)。

4 小結(jié)

在精準(zhǔn)醫(yī)療快速發(fā)展的時代,伴隨著人工智能深度學(xué)習(xí)的發(fā)展,傳統(tǒng)影像組學(xué)、病理組學(xué)及基因組學(xué)的結(jié)合是CRC腫瘤診斷、分期、療效評估等預(yù)后相關(guān)指標(biāo)的無創(chuàng)預(yù)測的又一方式和選擇,且進(jìn)一步融合、發(fā)展,可以為影像學(xué)對腫瘤綜合評價的機制方面做出更全面和客觀的解釋,對于影像組學(xué)方法不斷規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,確保更強的通用性和可重復(fù)性,影像組學(xué)與CRC病理表型的前瞻性研究,可以進(jìn)一步提高影像學(xué)在CRC的早期診斷及預(yù)后評估中的作用,在未來多模態(tài)醫(yī)學(xué)不斷融合和人工智能不斷發(fā)展的時代,發(fā)揮更大的作用。