精准前沿丨结直肠癌数字化图像的定量病理分析可改善无复发生存期的预测

本文结果显示了定量数字病理学正在CRC中供应已知结构学特色周详评估的潜力，并闪现了数字化H&E图像中的强壮消息量。当诈欺这些消息时，能够加强惯例病理讲述，并行动预后生物标记物。

本期《精准前沿》栏目分享匹兹堡医学中央探究团队宣告于Gastroenterology（IF=29.4）上的一篇探究[1]，探究拓荒了一种定量瓦解算法（QuantCRC），用于识别结直肠癌（CRC）中与形状特色相干的感趣味区域和物体，同时将QuantCRC操纵于来自众个中央的大型CRC队伍，以测试QuantCRC量化特色与分子更动和病理学家取得的结构学特色之间的相合，并评估QuantCRC行动预后生物标记物的潜力。

结直肠癌（CRC）正在形状上具有众样性，目下的病理评估无法以定量方法缉捕到这种变异性。这种形状变异性包蕴了能够识别具有差异预后和潜正在分子更动的亚型的厉重线索。比如，等第、黏液形状、肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）和错配修复缺陷（MMRD）之间存正在着一目了然的相合。静脉、淋巴和神经边缘的浸润是用于引导调治的其他一目了然的特色，奇特是正在淋谄媚阴性的CRC中。迩来，肿瘤出芽（TB）和低分裂簇（PDC）被领会为上皮间质转化和不良预后的标记物。结尾，富含基质的肿瘤和具有不可熟的纤维性基质的肿瘤与较差的预后相合。

因为计划机视觉的最新起色，一经操纵数字化的hematoxylin和eosin（H＆E）染片拓荒了基于图像的生物标记物，这些标记物能够预测CRC的结果或特定的分子更动，如MMR状况、KRAS/BRAF突变和共鸣分子亚型。即使这些算法很有效，但它们仅始末练习能够识别特定的分子更动或结果，而且不供应用于分类这些肿瘤的特色的周详消息。鉴于CRC结构学证明日益丰富且难以量化各式特色，作家有需要拓荒器械来辅助病理学家，并助助引导调治和预测结果。这些器械能够助助尺度化CRC的讲述，并淘汰窥察者之间的变异性。

作家拓荒了一种定量瓦解算法（QuantCRC），用于识别结直肠癌（CRC）中与形状特色相干的感趣味区域和物体， 同时量化基质和基质亚型（不可熟、炎症和成熟）、肿瘤和肿瘤等第、印戒细胞癌（SRCC）、肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）、肿瘤出芽和低分裂簇（行动一个组合特色）、坏死和黏液的数目。对付病理学家来说，手动无误地量化这些特色是不大概的。定量瓦解算法（QuantCRC）被操纵于6468张数字化的hematoxylin和eosin染片的CRC图像上。每张图像记载了上述15个参数，并测试其与临床病理特色和分子更动之间的相合。诈欺来自内部队伍（n=1928）的数据拓荒了一个预测无复发活命率的预后模子，并正在内部测试（n=483）和外部队伍（n=938）进步行了验证。

探究人群搜罗来自结直肠癌家族备案处（CCFR），以及CCFR之外的3个机构的CRC患者：匹兹堡医学中央（UPMC）、众伦众山西奈病院（Mount Sinai Hospital Toronto）和西雅图-普吉特声癌症备案处（Seattle-Puget Sound Cancer Registry）。CCFR正在CRC诊断后招募参加者，并实行了周详描绘的前瞻性随访。UPMC和Mount Sinai的队伍分袂搜罗2010年至2015年和2011年至2016年时刻这些机构一连切除的CRC患者。西雅图-普吉特声癌症备案处队伍搜罗2016年至2018年间20至74岁被诊断为CRC的患者。通过医疗记载的审查评估了3349例I-III期CRC的复发状况，此中的患者的中位随访时代为58个月。

对付UPMC和Mount Sinai队伍，一位正在TB评估方面具有专业学问的病理学家报道了TB的级别，分为Bd1（每0.785 mm2 0–4个）、Bd2（每0.785 mm2 5–9个）和Bd3（每0.785 mm2 10个及以上）。对UPMC队伍的一个子集实行了CD8免疫结构化学检测（clone CD8/144B；DAKO，Carpinteria，CA），操纵Aperio nuclear v9算法计数CD8阳性细胞。遵照探究外白，正在肿瘤边际每平方毫米大于等于182个，或者正在肿瘤中央每平方毫米大于等于129个与活命相合，是以，肿瘤被分为低程度（两个名望上都低于阈值）和高程度（起码一个名望高于阈值）。

通过会合酶链响应（PCR）和/或MMR卵白免疫结构化学实行MMR状况的测试。对付通过PCR评估的CCFR肿瘤，借使有30%以上的符号显示担心靖性，则将肿瘤分类为MMR缺陷（MMRD），借使0%至29%的符号显示担心靖性，则将其分类为MMR寻常（MMRP）。UPMC、Mount Sinai和Seattle-Puget队伍操纵MMR免疫结构化学。借使正在总共肿瘤细胞中，MLH1、MSH2、MSH6和/或PMS2的外达亏损，而且始末适应的内部比较，肿瘤被分类为MMRD。

本探究请求患有结直肠癌（CRC）且一经实行手术切除，而且有可数字化的H&E玻片，技能纳入探究中，这导致有7053例潜正在的CRC可用于明白。参加者的性别弗成动纳入或摈斥的尺度。每例手术切除的CRC膺选取一张代外性的H&E玻片，操纵Leica Aperio GT450或AT2正在40倍放大率下实行数字化。摈斥了始末新辅助调治的直肠癌（n=425）和H&E染色、结构切片或图像质地较差的图像（n=160），最终获得6468例队伍（图2）。

总共图像都上传至Aiforia Create深度进修云平台（Ai foria Technologies, Helsinki, Finland），这是一个特意用于结构学图像的贸易可用平台。每个图像都始末胃肠病理学家（Rish K. Pai）的手动审核，并绘制出一切肿瘤区域（每个CRC均匀明白面积为96.5平方毫米）。采用了一种深度进修量化瓦解算法QuantCRC，对肿瘤区域实行图像瓦解（图3），的确描绘睹先前的证明。简而言之，目下的QuantCRC版本是遵照559个CRC图像进步行的24,157个评释实行练习的。

该瓦解算法操纵卷积神经收集以慢慢的方法对图像实行瓦解。最初，将肿瘤区域瓦解为癌赘瘤结构、TB/PDC（肿瘤出芽/低分裂簇）、间质、粘液、坏死结构、脂肪和滑润肌等个别。第二层将间质瓦解为不可熟型（松驰的、通常是黏液质的间质，内有不端正陈列的肥胖成纤维细胞和胶原纤维）、成熟型（辘集的胶原区域，有疏落分别的成纤维细胞，通常伴有平行的胶原纤维）和炎症型（混淆着慢性炎症细胞汇集，毁伤间质细胞的辘集区域）亚型。第三层将癌赘瘤结构瓦解为初级别、高级别和印戒细胞癌亚型。第四层用于识别肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）。

针对每个图像，从结构区域中减去脂肪和滑润肌，以天生肿瘤区域。从肿瘤区域中，记载以下15个参数：肿瘤百分比，间质百分比，肿瘤与间质的比率，肿瘤内TB/PDC的百分比，肿瘤内粘液的百分比，肿瘤床内坏死结构的百分比，高级别癌赘瘤结构比例，印戒细胞癌比例，每平方毫米肿瘤中的TILs数目，不可熟型间质（肿瘤床）百分比，炎症型间质（肿瘤床）百分比，成熟型间质（肿瘤床）百分比，不可熟型（间质区域）百分比，炎症型（间质区域）百分比，以及成熟型（间质区域）百分比。这15个定量参数组成了用于下逛明白的QuantCRC特色。

正在遵照TNM分期、肿瘤名望、结构学分类、肿瘤分级、静脉/淋巴/神经浸润（VELIPI）和病理学评估的TB分级对QuantCRC结果实行分层时，察觉明显不同（外1）。肿瘤分期增长或存正在VELIPI与肿瘤：间质比、%炎症型间质（肿瘤床和间质区域）、每平方毫米肿瘤中的TILs数目、%TB/PDC、%高级别癌结构、%不可熟型间质（肿瘤床和间质区域）、%成熟型间质（肿瘤床和间质区域）呈相干干系。其它，跟着病理学评估中TB分级的增长，%TB/PDC和%不可熟型间质（肿瘤床和间质区域）也增长。跟着TB分级的增长，%炎症型间质（肿瘤床和间质区域）和每平方毫米肿瘤中的TILs数目淘汰。这些结果外白，富含间质、紧要由不可熟型间质形状和较低免疫细胞浸润（间质和肿瘤内）的肿瘤更大概具有晦气的结构学特色。

遵照QuantCRC的结果，察觉正在肿瘤分级（初级别 vs 高级别，%高级别 10.3 vs 32.9, P 0.001）、粘液含量（NOS腺癌 vs 粘液性癌，%粘液 1.3 vs 52.9, P 0.001）和印戒细胞癌（NOS腺癌 vs 印戒细胞癌，%印戒细胞癌 0.0 vs 38.9, P 0.001）方面存正在不同（睹外1和附外6）。与惯例腺癌比拟，髓样癌与高级别形状学、炎症型间质和增长的TILs相干。遵照肿瘤名望，QuantCRC的结果也有所差异，近端肿瘤与肿瘤：间质比、%粘液、%高级别、%炎症型间质和TILs比拟远端肿瘤体现出更高的值。

正在遵照分子突变实行分层时，QuantCRC的特色显示出明显不同（外2）。MMRD肿瘤体现出更高的肿瘤：间质比，较低的%TB/PDC，较高的%粘液，较高的%高级别肿瘤，较低的不可熟型间质（肿瘤床和间质区域），较高的炎症型间质（肿瘤床和间质区域），较低的成熟型间质（肿瘤床和间质区域），以及较高的每平方毫米肿瘤中的TILs数目，与MMRP肿瘤比拟。此中，TILs的不同尤为明显（MMRP vs MMRD，26.8 vs 64.0，P0.001）。

正在MMRP组中，存正在KRAS或BRAF突变与增长的%粘液占比相干。MMRP BRAF突变的肿瘤具有最高的%TB/PDC和%高级别。正在MMRD组中，KRAS和BRAF突变也与增长的%粘液占比相干。与KRAS/BRAF野生型的MMRD CRC比拟，KRAS和BRAF突变的MMRD肿瘤具有更高的肿瘤：间质比和每平方毫米肿瘤中的TILs数目。MMRD BRAF突变的肿瘤具有最高的%高级别肿瘤。结尾，正在MMRP和MMRD组中，CIMP阳性肿瘤显示出更高的%TB/PDC和%高级别肿瘤。正在MMRP组中，CIMP阳性肿瘤显示出更高的%粘液占比。正在MMRD组中，CIMP阳性肿瘤显示出更众的TILs数目。

遵照来自I-III期肿瘤的结果，将QuantCRC的数据分为含有相称组的四分位数。当服从%TB/PDC、%肿瘤、%间质、肿瘤:间质比、每平方毫米肿瘤中的TILs数目、%不可熟型间质（肿瘤床）、%炎症型间质（肿瘤床）和%成熟型间质（肿瘤床）实行分层时，RFS存正在明显不同（图4）。当以肿瘤床内百分比（图4）或间质区域内百分比来量度时，间质亚型与RFS相干。

操纵Cox比例危险模子基于阶段、MMR情形和QuantCRC实行了RFS的预测练习。模子中的变量仅限于那些对付切除的CRC而言易于获取且不受病理医师窥察者间变异的影响。阶段能够从病理讲述和病历中获取，QuantCRC仅须要肿瘤的数字化H&E切片。因为众数采用普查筛查，MMR情形对付CRC现正在是容易获取的。模子练习操纵80%的具有复发数据的I-III期CCFR队伍（n=1928）实行，正在CCFR肿瘤中保存了20%行动内部测试队伍（n=483）。非CCFR肿瘤（UPMC、Mount Sinai和Seattle-Puget，n=938）用于外部验证队伍。

为了天生临床上有效的预后器械，确定了练习、内部测试和外部验证队伍中I、II和III期CRC的2个月间隔内的RFS预测概率。正在练习队伍中，III期肿瘤36个月RFS预测概率的频率散布如图5A所示。为了确定危险组，将36个月预测的RFS结果低于第33个百分位数的肿瘤视为高危险，介于第34个到第65个百分位数之间的为中等危险，高于第66个百分位数的为低危险。将这些截断操纵于内部测试和外部验证队伍中的36个月预测RFS结果，并通过Kaplan-Meier明白评估RFS的不同 (图5B和C)。正在内部测试和外部验证队伍中，这些危险组正在RFS方面显示出明显不同 (正在外部验证队伍中，低危险组与高危险组的危险比为2.72，95% CI为1.62-4.89，P=0.0002)。图5D显示了外部验证队伍中遵照危险组分类的QuantCRC特色。除了粘液百分比（%mucin）、印戒细胞癌百分比（%SRCC）、坏死百分比（%necrosis）和成熟间质百分比（stromal region）之外，QuantCRC特色正在危险组之间显示出明显不同。

正在练习队伍中，显示了II期肿瘤36个月RFS预测概率的频率散布，如图6A所示。操纵第33个和第66个百分位数来确定高、中、低危险肿瘤。当这些截断值操纵于内部测试和外部验证队伍中的II期肿瘤时，察觉了RFS的明显不同（正在外部验证队伍中低危险组与高危险组的危险比为3.18，95% CI为1.51-6.73，P=0.002）（图6B和C）。正在II期危险组中察觉了QuantCRC特色的明显不同，除了坏死百分比（%necrosis）、成熟间质百分比（肿瘤床）和成熟间质百分比（stromal region）之外（图6D）。

该探究具有几个便宜。最初，该探究明白了来自美邦、加拿大和澳大利亚中央的大型CRC队伍。其次，作家操纵的措施应允与临床病理特色、分子突变和预后实行众重比拟。第三，病理学家确定的TB分级和CD8免疫组化可用于一个别肿瘤，从而能够与QuantCRC特色直接实行比拟。第四，作家将QuantCRC与阶段和MMR相连系，拓荒了一个强壮的预后器械，不受窥察者间的变异影响，并正在外部验证队伍中始末安排后明显预测了RFS，支配了已开发的危险身分。这项探究也存正在极少限度性。QuantCRC依赖于Aiforia平台，大概会限度该模子的普及操纵。其它，QuantCRC仅操纵于肿瘤的一个代外性切片；然而，仅从1个切片中获取有代价的预后消息，证明了量化措施的效用。作家也没有正在临床情况中实行QuantCRC的前瞻性测试。总之，作家的探究结果外白，对CRC图像实行定量病理明白能够供应足够的消息，用于加强惯例病理讲述。

本文结果显示了定量数字病理学正在CRC中供应已知结构学特色周详评估的潜力，并闪现了数字化H&E图像中的强壮消息量。当诈欺这些消息时，能够加强惯例病理讲述，并行动预后生物标记物。