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血氧水平依赖MRI (BOLD-MRI)在肿瘤乏氧检测中应用的实验研究

【摘要】:本研究使用3.0T MRI设备,采用Multi-echo FPGR序列,应用BOLD-MRI技术测定大鼠Walker-256乳腺癌肉瘤移植瘤模型肿瘤区基础R2*及吸入Carbogen气体后R2*的信号变化,探索BOLD-MRI技术用于评价肿瘤乏氧状况的可能。采用病理学免疫组化的方法探索肿瘤的R2*及△R2’与肿瘤新生血管生成及内源性乏氧指标之间的相关性。通过BOLD-MRI技术与18F-FMISO PET在肿瘤乏氧评价的对照研究,探求肿瘤的R2*及△R2*与PET肿瘤乏氧评价指标的相关性。最后通过大鼠Walker-256肿瘤单剂量放疗后BOLD-MRI R2*及△R2*信号的变化探索应用BOLD-MRI监测肿瘤再氧合过程的可能性。 第一部分BOLD-MRI检测大鼠吸入Carbogen气体后肿瘤R2*信号变化的初步研究 目的:建立大鼠Walker-256移植瘤模型,探索BOLD-MRI应用于检测荷瘤大鼠吸入Carbogen气体后肿瘤R2*的信号变化的可能性。 材料与方法:雌性SD大鼠95只(160-180g),右下腹皮下接种Walker-256肿瘤细胞。成瘤SD大鼠肿瘤长至1.0-3.0cm行BOLD-MRI检查。采用GE-Signa3.0T MRI,3英寸动物表面线圈及Multi-echo SPGR序列,大鼠自由吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后分别行BOLD-MRI检查。扫描结束后,图像传至GE ADW4.3工作站,用R2Star分析软件进行图像后处理计算肿瘤吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后R2*值(R2*a、R2*b),并求得其变化值△R2*=R2*b-R2*a,同时计算肿瘤的体积。吸入Carbogen气体前后R2*信号差异采用配对t检验,R2*。与△R2*之间及肿瘤体积大小与R2*a、△R2*之间行Pearson相关分析。不同AR2*变化方向组间肿瘤体积和R2*。差异采用两样本非参数检验(Wilcoxon检验)。 结果:接种95只SD大鼠,68只成瘤,成瘤率71.57%。肿瘤大小352-13173mm3,吸入空气及Carbogen气体后R2*值分别为41.18±22.29、38.91±21.35S-1,△R2*值为-2.26±3.90,差异有统计学意义(p=0.00)。△R2*值与R2*值呈负相关(r=-0.32,尸=0.03)。肿瘤的R2*a值与肿瘤的大小没有明显相关性,但是△R2*值与其存在正相关性(r=0.35,P=0.02)。吸入Carbogen气体后R2*值变化方向不同组间体积大小及R2*a信号值均未见明显差异(p=0.076,p=0.11)。 结论:BOLD-MRI可以检测SD大鼠吸入Carbogen气体前后Walker-256肿瘤R2*值的变化。大鼠吸入Carbogen气体后Walker-256肿瘤的R2*值会发生显著性下降,但不同荷瘤大鼠间差异较大。 第二部分大鼠Walker-256肿瘤BOLD-MRI R2*信号与肿瘤血管生成、微血管结构间关系初步研究 目的:探索大鼠Walker-256肿瘤BOLD-MRI R2*信号与肿瘤血管生成及微血管结构指标MVD、ICD、VEGF间的相关性。 材料与方法:荷瘤(Walker-256)雌性SD大鼠33只,待肿瘤生长至1.0-3.0cm大小行MRI检查。采用GE-Signa3.0T MRI,3英寸动物表面线圈及Multi-echo SPGR序列,于大鼠自由吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后分别行BOLD-MRI检查。扫描结束后,图像传至GE ADW4.3工作站,用R2Star分析软件进行图像后处理计算肿瘤吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后R2*值(R2*a、R2*b),并求得其变化值△R2*=R2*b-R2*a。MRI检查完成后立即用断颈法处死大鼠并分离肿瘤,行HE染色及免疫组化(CD34、VEGF),测定其MVD. ICD及VEGF免疫组化指数。肿瘤的R2*a、△R2*值分别与MVD、ICD、VEGF行Pearson相关分析,肿瘤的MVD、ICD、VEGF间也行Pearson相关分析。 结果:33只大鼠均完成MRI检查,29只数据符合分析要求。肿瘤的MVD与VEGF呈正相关性(r=0.58,p=0.03),但肿瘤的R2*a、△R2*值与MVD、ICD、VEGF之间及ICD与MVD、VEGF之间均未发现明显的相关性。 结论:大鼠Walker-256肿瘤的R2*a、△R2*信号值与肿瘤的血管生成及微血管结构间没有明显相关性。 第三部分大鼠Walker-256肿瘤BOLD-MRI R2*信号与HIF-1α及CAⅨ相关性初步研究 目的:探索大鼠Walker-256肿瘤BOLD-MRI R2*信号与内源性乏氧标志物HIF-1α及CAⅨ间相关性。 材料与方法:荷瘤(Walker-256)雌性SD大鼠33只,待肿瘤长至1.0-3.0cm大小行MRI检查。采用GE-Signa3.0TMRI,3英寸动物表面线圈及Multi-echo GRE序列,于大鼠自由吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后分别行BOLD-MRI检查。扫描结束后,图像传至GE ADW4.3工作站,用R2Star分析软件进行图像后处理计算肿瘤吸入空气时及吸入Carbogen10分钟后R2*值(R2*a、R2*b),并求得其变化值△R2*=R2*b-R2*a。MRI检查完成后立即用断颈法处死大鼠并分离肿瘤,行HE染色及免疫组化(HIF-1α、CAⅨ),测定其HIF-1α、CAⅨ免疫组化指数。肿瘤的R2*a、△R2*值分别与HIF-1α、CAⅨ行Pearson相关分析,肿瘤的HIF-1α、CAⅨ间及MVD、ICD、VEGF与HIF-1α、CAⅨ间也分别行Pearson相关分析。 结果:33只大鼠中29只完成全部MRI检查及病理学检测并且数据符合要求。肿瘤的R2*a、△R2*与CAⅨ间存在一定相关性(r=-0.48,P=0.009;r=0.37,P=0.049),但与肿瘤的HIF-1α间均未见明显相关性。肿瘤的HIF-1α与CAⅨ间也未发现明显相关性。肿瘤的ICD与HIF-1α、CAⅨ间有一定的相关性,而MVD、VEGF与HIF-1α.CAⅨ间未见明显相关性。 结论:大鼠Walker-256肿瘤的R2*a、△R2*信号值与肿瘤的内源性乏氧标志物CAⅨ存在一定的相关性,但是与HIF-1α没有明显相关性。 第四部分BOLD-MRI与18F-FMISO PET成像在评价大鼠Walker-256肿瘤乏氧中的对照研究 目的:与18F-FMISO PET乏氧显像对照,探索BOLD-MRI成像在大鼠Walker-256肿瘤乏氧检测中的可行性。 材料与方法:荷瘤(Walker-256)雌性SD大鼠13只,待肿瘤长至2-5cm大小行MRI检查。采用GE-Signa3.0T MRI,3英寸动物表面线圈及Multi-echo GRE序列,于大鼠自由吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后分别行BOLD-MRI检查。扫描结束后,图像传至GE ADW4.3工作站,用R2Star分析软件进行图像后处理计算肿瘤吸入空气时及吸入Carbogen10分钟后R2*值(R2*a和R2*b),并求得其变化值△R2*=R2*b-R2*a及变化率△R2*%=△R2*/R2*a×100%。大鼠MRI检查后18-22小时内行PET/CT检查,经尾静脉注入18F-FMISO(22.2-29.6MBq)后2小时、4小时分别行PET检查,图像传至西门子syngo图像工作站用TrueD分析软件进行图像融合分析,测定2小时、4小时的SUVmax、TMRmax、HV、HV%值。完成MRI及PET/CT检查后立即用断颈法处死大鼠并分离肿瘤,行HE染色及免疫组化(CD34、VEGF、HIF-1α.CAⅨ),测定其MVD值,VEGF、HIF-1α、CA Ⅸ免疫组化指数。大鼠吸入Carbogen气体前后R2*信号间差异及注入18F-FMISO后2小时、4小时测得的SUVmax(肿瘤、肌肉)、TMRmax.HV间差异行配对t检验,肿瘤的R2*2、△R2*、△R2*%分别与SUVmax、HV、HV%进行Spearman相关分析。同时肿瘤的SUVmax、HV、HV%与MVD、VEGF、HIF-1α、CAIX间行Spearman相关分析。 结果:13只大鼠中10只完成全部MRI、PET/CT及病理学检测且数据符合要求,吸入Carbogen气体后Walker-256肿瘤R2*信号发生下降,差异有统计学意义(p=0.00)。注入18F-FMISO后2小时、4小时测得的肿瘤的SUVmax没有明显差异(p=0.39),但是肌肉的SUVmax、TMRmax、HV均可见明显差异(p=0.01,0.00,0.02)。肿瘤的△R2*%与注入18F-FMISO后4小时测得的HV、HV%有明显的相关性(r=0.636、0.721,p=0.048、0.019)但与2小时测得的HV、HV%没有明显相关性。肿瘤的R2*a、△R2*与SUVmax、HV、HV%之间未见明显相关性。肿瘤的SUVmax、 HV、HV%与MVD、VEGF、HIF-1α、CAⅨ间均未发现明显相关性。 结论:大鼠吸入Carbogen气体后Walker-256肿瘤的R2*信号会发生下降,注入18F-FMISO后4小时较2小时进行大鼠Walker-256肿瘤乏氧指标的测定更为合适。肿瘤的△R2*%可能是评价肿瘤乏氧的一个较为理想的指标。 第五部分大鼠Walker-256肿瘤单剂量放疗后BOLD-MRI R2*信号变化初步研究 目的:探索BOLD-MRI在监测SD大鼠Walker-256肿瘤单剂量放疗后肿瘤再氧合变化的可行性。 材料与方法:SD荷瘤(Walker-256)雌性大鼠6只,待肿瘤长至1.0-3.0cm大小行MRI检查。采用GE-Signa3.0T MRI,3英寸动物表面线圈,及Multi-echo GRE序列,于放疗前数小时内、放疗后3-4小时、放疗后1天、放疗后3天四个时间点分别行大鼠自由吸入空气时及吸入Carbogen气体10分钟后的BOLD-MRI检查。扫描结束后,图像传至GE ADW4.3工作站,用R2Star分析软件进行图像后处理计算大鼠肿瘤、同层正常肌肉吸入空气时及吸入Carbogen10分钟后R2*值(R2*a和R2*b),并求得其变化值△R2*=R2*b-R2*a。大鼠放疗采用高科直线加速器,剂量为单次20Gy。大鼠放疗前后不同时间点肿瘤及正常肌肉的R2*a、△R2*值的变化行方差分析。肿瘤与正常肌肉间的R2*a、△R2*值之间行配对t检验。 结果:SD大鼠Walker-256肿瘤单剂量放疗前后不同时间点的肿瘤与正常肌肉R2*a、△R2*值变化均未发现有统计学意义。肿瘤与正常肌肉间的R2*a值差异有统计学意义(p=0.000),但△R2*值未发现明显差异。 结论:尽管肿瘤与肌肉单剂量放疗后R2*a、△R2*值变化无明显统计学意义,但BOLD-MRI仍可能是潜在的监测肿瘤单剂量放疗后再氧合变化的方法之一。

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