形态计量学在大肠癌研究中的应用与展望

数理医药学杂志 1999年第4期第12卷 综　述

作者：耿　舰　申　洪

单位：第一军医大学病理学教研室　广州510515

　　随着科学的发展，生物医学也越来越广泛、深入、有效地应用于各种数学方法。不仅像生理学、药理学等以研究功能为主的学科，应用于数学方法大力开展定量规律研究，使本学科获得了重大的进展^［1］，而且像解剖学、病理学等以研究形态为主的学科也开拓出一个又一个让数学方法大显身手的领域，并取得可喜的成果。本文就形态计量学(Morphometry)在大肠癌研究中的应用情况作一回顾和展望，以期望更多的人对它有较全面的了解。

　　1　形态计量学的概念

　　形态计量学是定量病理学重要组成部分，是指应用图像测试技术，取得描述生物组织宏观或微观形态的图像数据，并对它进行数学处理或推理，以对生物组织的形态与结构进行定量分析的一门分支学科，是由形态学与数学相结合而产生的^［2］。它包括平面计量学和体视学，广义上还包括形态结构要素计数分析，如核分裂计数等。定量反映二维图像特征的理论和方法称为平面测量学(Planimetry)，依据概率论理论，由二维结构信息获得三维空间结构定量信息的科学称之为体视学(Stereology)^［3］。

　　大肠癌形态测量学研究已有长远的历史，但以往主要是应用能定量反映二维图像特征的平面测量学。60年代后，体视学的兴起和发展为形态计量学注入新的内容和活力，使它不再局限于测试分析二维图像，并可根据二维图像数据推导出反映三维结构的体视学参数，从三维水平定量的阐明组织、细胞结构。测试手段上，已由最初的方格测试系统、称重测量法发展到基于计算机的数字化仪、图像分析仪等。测试理论、方法的改进和发展使形态计量学得到普及和深化，应用于实际工作成为可能。

　　2　形态计量学在大肠癌发病学研究中的应用

　　大肠癌的病因学和发病学虽然至今尚未完全阐明，但普遍认为是一个长期的、多因素造成的分阶段的过程。近年来，分子病理学的研究表明：单个基因的改变不能造成细胞的完全恶性转化，而是需要多基因的改变，包括几个癌基因的激活和两个或更多肿瘤抑制基因的丧失^［4］。这些阶梯性积累起来的不同基因分子水平的改变可以在相应形态学的改变上反映出来。通过形态计量同样可以研究大肠癌的发生、发展过程。Hajima^［5］的研究表明：形态定量中核浆比按大肠正常粘膜、不典型增生、癌的顺序而增大。徐兴钊^［6］等人通过形态计量学参数分析发现，核体积密度、核表面积密度、核平均直径依正常、腺瘤、腺癌顺序增加。说明在单位体积内他们是随细胞的分化程度而起变化的，分化越低其值越大。也间接说明由于基因的改变，其DNA含量也不相同的规律，从而由量的角度验证了大肠癌发生发展的上皮增生—腺瘤—癌的阶梯性演进模式。

　　3　形态计量学在大肠癌病理诊断中的应用

　　传统病理诊断法以经验判断为基础，带有一定的主观性，可因各人的知识和经验的不同而作出不同的判断。而形态计量法把组织结构的特征用一些参数如体积密度(V_v)、数密度(N_v)、粒子平均直径(d)、平均曲度(K)等表示，因而具有客观性强、重复性好的优点。国内外不少学者把形态计量学应用于大肠癌病理诊断和病理分型，显著提高了病理诊断的精确性。例如：Hamilton^［7］根据细胞核浆比及核胞顶距变异系数建立了正常大肠粘膜与腺癌的判别函数，当函数值大于O诊断为腺癌，小于O则诊断为正常粘膜，可将正常肠粘膜与腺癌完全区分。徐兴钊等^［8］用体视学方法研究大肠杯状细胞变化与癌变关系时发现：大肠息肉状腺瘤、绒毛状腺瘤、不典型增生及腺癌内所含杯状细胞的体积密度(V_v)、表面积密度(S_v)、数密度(N_v)等体视学参数与正常大肠粘膜均有显著差异，杯状细胞体积和数量随大肠上皮分化程度而起变化。分化好的肿瘤(如息肉状腺瘤)其杯状细胞体积大、数量多；分化差的肿瘤(绒毛状腺瘤、不典型增生、腺癌)其杯状细胞体积少、数量少。他们认为当V_v＜0.03、S_v＜2.3mm^-1、N_v＜16.1mm^-3考虑为癌前病变；当V_v＜0.01、S_v＜0.94mm^-1、N_v＜5.4mm^-3时考虑为腺癌。这对大肠癌早期诊断具有重要参考价值。申洪^［9］的研究表明腺体体积权重平均保积和腺体表面积与体积比对大肠腺癌性息肉和高分化腺癌有较大鉴别意义。一些学者还在大肠癌形态计量学研究中提出了新的观点。Meijer^［10］在研究腺瘤不典型增生时，发现各参数值向两端集中，即向轻度不典型增生和重度不典型增生值集中，因此认为将腺瘤不典型增生分为轻度不典型增生和重度不典型增生二个等级比三个级别更为合适。徐兴钊等^［6］也通过对核体积密度(V_v)、核表面积密度(S_v)、核平均直径(d)、核数密度(N_v)、腺体平均曲率(K_v)、腺体平均曲率的均值(K)等6项结构参数的分析和比较，对腺瘤与腺癌的过渡状态提出了阈值估计，把大肠腺瘤划为A型和B型两个亚型。低于阈值者为A型，趋于良性；高于阈值者为B型，趋于恶性。这一分型具有重要的临床意义。

　　4　形态计量学在大肠癌预后判断中的应用

　　形态计量学研究中可根据癌细胞的各种参数大小对预后进行判断。Sato在对大肠病变细胞超微结构的研究中发现，随着细胞逐渐取得恶性特征，细胞核逐渐变圆，癌细胞的核最圆，形状因子(PE)最大。Mitmaker^［11］等人研究认为形状因子PE指数大于0.84是预后不良的标志。Carson^［12］等人的研究发现大肠癌病人核的体密度较大者，其生存期长、预后好。周末工^［13］等应用逐步判别分析法对80例预后不同的结直肠癌患者的8项指标进行统计分析，结果表明组织学分组、细胞核浆比、DNA指数及临床分期这4项指标与预后关系密切，用回代法和刀切法检验所得判别函数的效果，符合率分别为83.7%和81.5%。易平勇等^［14］在对大肠腺癌的核形态定量分析中发现核面积(NA)、核面积标准差(SDNA)、核周长(NP)、等效核直径(ND)、核体积(NV)5项参数是判断预后的重要因素，并且发现中度分化大肠腺癌核形态定量参数值变化较大，是一群异质性肿瘤^［15］。NA≥77.60um²组的5年生存率显著低于NA≤77.60um²。从定量角度解释了为什么组织学分级相同的腺癌在临床上可表现不同的生物学行为，这是传统的病理诊断无法比拟的。

　　5　形态计量学在大肠癌研究中的应用展望

　　目前，绝大多数形态计量学研究的是待测组织成分的总量或密度，对组织成分的形状和空间分布了解不够。新近发展的所谓二阶体视学^［16,17］，主要就是针对空间分布的研究，但尚处在理论阶段，实际应用很少。八十年代以来发展和完善起来的一系列新的抽样方法及无偏估计法，如各向同性切片或垂直切片可无偏估计某些结构参数(表面积、长度等)；体视框(disector)方法可无偏估计粒子数；体积加权平均体积能无偏估计粒子平均尺寸。这些方法在以后的工作中应不断推广。

　　从我们检索到的国内外文献来看，目前大肠癌形态计量学研究多局限于细胞和核的测试。事实上，肿瘤的异型性不仅包括细胞异型性，还包括组织结构的异型性。因此，在大肠癌形态计量学研究中应拓宽视野，不要忽视组织结构特征的定量描述，不断开发和引入新的特异性强的参数，解决许多参数在良、恶性病变的分布重叠难题。

　　形态计量学要注意与其它研究方法的结合。国内杨一平^［18］利用免疫组织化学和原位杂交技术使病灶染色后作形态定量，以研究实验性肝癌诱发过程中组织特异酶表型及其基因表达的变化。这是值得推荐的一种多手段综合研究方法。

　　大肠癌形态计量学的测试技术要向着基于计算机控制的各种图像测试和分析仪器方向发展，向着全自动操作、测试和人工智能系统方向发展，使之逐步过渡到实际工作中。

　　参考文献

　　1　孙瑞元.定量药理学.人民卫生出版社，1987.

　　2　叶常青.形态计量学在病理学中应用的回顾和展望.中华病理学杂志，1990，19(4)：241.

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收稿日期：1999-01-22