IVIM-DWI结合纹理分析技术对直肠癌新辅助放化疗抗拒的早期预测研究

Tumor hypoxia and heterogeneity play a key role in the development of disease resistance to neoadjuvant chemoradiotherapy (NCRT) in rectal cancer. Therefore, accurate pretreatment evaluation of hypoxia and heterogeneity is necessary for predicting NCRT resistance and adjusting the therapeutic regimen; however, there is no effective method of accomplishing this goal. Our previous study demonstrated that combining DWI and texture analysis could capture information about tumor heterogeneity in rectal cancer. Thus, we hypothesized that combining texture analysis and IVIM-DWI might allow us to assess tumor hypoxia and heterogeneity and noninvasively predict NCRT resistance. In this study, we first plan to establish mouse models of human rectal cancer and to capture degrees of tumor diffusion, perfusion, and heterogeneity by using IVIM-DWI and texture analysis. Second, we will relate the quantitative image and texture parameters (f-value, D-value, D*-value, entropy, contrast, etc.) to histopathological features (HIF-1α, VEGF, MVD, TMAP heterogeneity, and tumor-inhibition rate) to reveal their correlations and the evolvement rule of tumor hypoxia and heterogeneity during therapy. Third, we will investigate the imaging manifestation and evaluation model of tumor hypoxia and heterogeneity. This study will provide new ideas and experimental evidence for predicting and detecting NCRT resistance.

乏氧和微环境异质性是肿瘤放化疗抗拒的重要原因，治疗前对其准确评估，有助于检出新辅助放化疗抗拒的直肠癌患者，对制定有针对性的治疗方案至关重要，但目前缺乏有效评估手段。我们前期工作发现DWI结合纹理分析可从扩散角度量化评估直肠癌异质性。据此，我们提出将IVIM-DWI与纹理分析相结合，通过评估直肠癌乏氧程度和微环境异质性水平，能早期预测新辅助放化疗抗拒。本课题拟构建人直肠癌小鼠模型，采用IVIM-DWI结合纹理分析技术提取肿瘤影像学扩散、灌注信息及纹理特征，将影像参数f值、D值等及相应纹理特征熵、对比度等与组织学指标HIF-1α、VEGF表达、MVD水平、TMAP微循环异质性等相关联研究，观察各参数和指标的动态变化，揭示乏氧和异质性在治疗前后的演变规律，基于IVIM-DWI及纹理分析探索直肠癌乏氧及微环境异质性的影像学量化评估方法，为构建新辅助放化疗抗拒的影像学预测模型提供实验和实践基础。

新辅助放化疗(NCRT)是局部进展期直肠癌在手术前的标准治疗手段，但超过25%的患者表现为治疗抗拒，不能从中获益，反而会承担其带来的副作用，因此早期检出或预测NCRT治疗抗拒，对制定合理的治疗方案至关重要。本项目通过建立人直肠癌小鼠移植瘤模型，采用IVIM-DWI等MRI功能成像并结合人工智能方法，与微观组织学肿瘤微环境信息关联，深入解析肿瘤乏氧状态及微环境相关定量影像学特点及其在治疗中的演变规律，探索NCRT抗拒功能影像学早期预测模型。本项目按照计划执行，得到以下研究结果：在动物实验层面，研究发现小鼠移植瘤的IVIM相关参数D*值、f值与肿瘤VEGF、MVD等病理指标的表达水平有关；在放化疗开始后，两种定量MRI参数短时间内即已经显示出较大幅度的变化，不同的变化幅度与肿瘤最终的治疗效果具有较强的相关性。在临床研究层面，MRI功能成像与影像组学相结合，深入挖掘了蕴含于影像图像中的肿瘤生物学信息及其空间分布特征，解析了治疗前DWI成像相关参数与新辅助放化疗（NCRT）抗拒具有相关性，基于DWI成像及相关纹理参数构建的预测模型，可准确预测和检出NCRT抗拒患者，其预测结果ROC曲线下面积可达0.84。本项目研究结果显示，IVIM-DWI等MRI功能影像学技术能够有效反映直肠癌乏氧、血管生成及异质性等肿瘤微环境生物学信息，利用这些定量功能影像参数可进一步了解直肠癌肿瘤微环境信息在放化疗过程中的动态演变规律，其基线特征及治疗后早期变化与直肠癌NCRT治疗敏感性具有相关性，据此构建的方法在早期预测NCRT疗效、及时检出NCRT抵抗患者、进而针对性调整治疗策略等方面具有广阔的应用前景。依托本项目，目前已发表SCI收录论文6篇，中文核心期刊论文2篇。