目的:结直肠癌是全世界范围内最常见的恶性肿瘤之一。近年来,在许多国家,由于早期的疾病筛查和治疗手段的快速发展,结直肠癌的死亡率呈现明显的下降趋势。然而,晚期结直肠癌患者的预后仍然不理想。肝脏是结直肠癌最常见的转移部位,肝转移也正是晚期结直肠癌患者最主要的死亡原因之一。虽然化疗联合靶向治疗以及多学科综合治疗模式的引入,显著延长了肝转移患者的生存,但晚期肠癌患者的生存仍不到3年。基因是决定肠癌发生发展的关键因素。研究证实,不同RAS（KRAS和NRAS）和BRAF基因状态的肠癌患者,具有不同的临床特征和预后特点,但是其影像组特征是否不同尚不清楚,肠癌肝转移的关键分子机制目前尚无全面定论。因此,本研究拟针对肠癌肝转移这一临床问题,一方面利用人工神经网络算法,基于CT影像组学特征构建基因预测模型,以实现对晚期结直肠癌肝转移患者的RAS（KRAS和NRAS）和BRAF基因突变状态的无创预测。同时,也对肠癌肝转移发生发展过程中的关键分子的潜在作用机制进行深入探讨。研究方法:1.多中心纳入2014年1月-2019年10月经系统治疗的有病理学确认的结直肠癌肝转移患者。2.利用3D-Slicer软件对患者的肝脏转移病灶进行手动逐层勾画分割。3.利用Pyradiomics方法提取肝转移病灶的影像组特征。4.根据同类相关系数（intraclass correlation coefficient,ICC）和一致性相关系数（concordance correlation coefficient,CCC）>0.75筛选稳定性和可重复性较强的特征。5.对患者的CT图像进行两种语义特征的评估:1)是否存在肝脏或区域淋巴结以外的转移性病灶,2)是肝转移病灶是否存在“微卫星”现象（单个横截面积较大的肝脏转移病灶周围围绕着多个横截面积较小的病灶）。6.利用七种算法基于语义特征、影像组特征构建RAS和BRAF基因突变状态的预测模型。7.评估各个预测模型的准确率、特异性、敏感性、AUC等指标,并评估最佳预测模型在多个亚组中的预测性能。8.验证最佳预测模型在多中心是否存在预测性能差异。9.利用单细胞转录组测序数据,筛选肠癌肝转移的关键基因。10.运用在线数据库对多聚球蛋白受体（Polymeric Immunoglobulin Receptor,PIGR）的表达情况进行验证。11.利用免疫组化和酶联免疫吸附测定法（Enzyme-linked Immunosorbent Assay,ELISA）方法检测PIGR在肠癌患者中的表达情况。12.蛋白免疫印迹（Western blotting）方法检测PIGR在肠癌细胞系中的表达情况。13.Transwell和伤口愈合实验评估细胞迁移的能力。14.应用c DNA质粒或si RNA技术对PIGR进行过表达或瞬时沉默。15.利用基因富集分析（Gene Set Enrichment Analysis,GSEA）探索PIGR相关信号通路。16.统计学分析:采用Graph Pad Prism、Pyhton和R进行统计相关分析。分子生物实验数据均为为三次独立重复实验的平均值±标准差。使用Student’s t检验评估两组数据之间的差异。P<0.05认为具有显著的统计学意义。结果:1.多中心纳入筛选合格的结直肠癌肝转移患者159例。2.利用3D-Slicer软件及Pyradiomics方法提取、筛选得到肝转移病灶的851个可重复性较强的影像组特征。3.利用人工神经网络基于影像组特征和语义特征二者联合所构建的联合评分模型（Radiomics and Semantic Features Model Based on Artificial Neural Network,RS-ANN Model）的预测性能最佳。根据每个预测模型的准确率、特异性、敏感性、AUCs等指标评估模型的预测性能,结果提示RS-ANN模型在训练集的AUC达到0.95,准确度达到81.10%,在验证集的AUC达到0.79,准确度达到71.43%,该评分模型的预测性能优于其他全部模型。4.在亚组分析中,RS-ANN模型在RAS或BRAF基因突变型的患者人群中,阳性检出率达到100%。5.该模型在不同中心的患者人群中的预测性能具有较好的一致性和外推性。6.利用单细胞转录组测序数据筛选得到多聚球蛋白受体（PIGR）是肠癌肝转移的关键基因。7.在GEPIA、TCGA-COAD和GSE39582等在线数据库中,PIGR在结肠癌组织中的表达水平高于正常结肠组织,PIGR在右半结肠癌之中的表达水平高于左半肠癌组织（P值均<0.05）。8.44例术后患者的组织标本免疫组化结果提示,PIGR在结肠癌组织中的表达水平高于正常结肠组织,PIGR在右半结肠癌中的表达水平高于左半肠癌组织。78例患者血浆中PIGR的ELISA结果提示,右半肠癌患者血浆中的PIGR表达水平高于左半肠癌患者。9.根据蛋白免疫印迹（Western blotting）检测六种肠癌细胞系中PIGR的表达水平,结果显示RKO表达水平最高,HCT15表达水平最低,据此我们后续采用si RNA在RKO细胞中进行基因沉默,用过表达质粒在HCT15细胞中进行基因过表达。10.PIGR在肠癌细胞系中影响上皮细胞间质化（Epithelial Mesenchymal Transition,EMT）的发生。在应用c DNA质粒或si RNA技术对PIGR进行过表达或瞬时沉默处理后,利用Western blotting方法检测EMT相关蛋白,发现在HCT15细胞系中过表达PIGR后,ZEB1和N-Ca表达上调;在RKO细胞系瞬时沉默PIGR后,ZEB2和N-Ca表达下调。11.PIGR影响肠癌细胞的迁移能力。Transwell的实验结果表明与NC对照组相比较,在HCT15细胞系中过表达PIGR后,HCT15细胞的迁移能力明显增强;在RKO细胞系瞬时沉默PIGR后,RKO细胞的迁移能力明显减弱。12.基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis,GSEA）的结果提示,在PIGR低表达的右半肠癌患者中,Wnt/β-catenin的通路活性明显下调。13.PIGR表达水平影响Wnt/β-catenin的通路活性。利用Western blotting方法检测Wnt/β-catenin通路的相关蛋白,发现与NC对照组相比较,在HCT15细胞系中过表达PIGR后,Wnt-β-catenin通路活性上升;在RKO细胞系瞬时沉默PIGR后,Wnt-β-catenin通路活性下降。结论:1.利用人工神经网络算法基于增强CT的影像组及语义特征构建的RS-ANN模型,可以准确地预测结直肠癌肝转移患者的RAS和BRAF基因突变状态。2.PIGR是右半肠癌肝转移发生发展过程中的关键基因。3.PIGR可能通过调控Wnt/β-catenin通路促进肠癌细胞的EMT发生,促进肠癌细胞的迁移能力,进而促进肠癌肝转移。