Pathologische Validierung der funktionellen Bildgebung bei Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinomen

HINTERGRUND UND EINSTELLUNG

1.1. EINFÜHRUNG

Die gleichzeitige (Chemo-) Strahlentherapie (CRT) ist der aktuelle Behandlungsstandard für Patienten mit lokal fortgeschrittenem Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom (HNSCC). Die Nähe wichtiger funktioneller Strukturen zum Tumor macht die Behandlung jedoch sehr komplex. Die behandlungsbedingte Toxizität kann schwerwiegend sein, wobei Xerostomie und Dysphagie die Lebensqualität des Patienten ernsthaft erschweren. Die Anwendung veränderter Fraktionierungsschemata und/oder gleichzeitiger Chemotherapie hat zu erheblichen Verbesserungen der lokoregionären Kontrolle geführt, was zu signifikanten Verbesserungen des Gesamtüberlebens geführt hat. Obwohl sich die Prognose der mit RT behandelten Patienten bei lokal fortgeschrittenem HNSCC kontinuierlich verbessert, gibt es immer noch eine hohe Anzahl lokoregionärer Misserfolge.

Unter Verwendung einer hochgradig konformalen Strahlentherapie können die Forscher den therapeutischen Index erhöhen, indem sie den strahlenresistenteren Teilen des Tumors höhere Dosen verabreichen, während sie die Dosis für das umgebende Gewebe beibehalten oder sogar reduzieren. Die funktionelle Bildgebung kann uns helfen, diese strahlenresistenten Subvolumina zu definieren und das Bruttotumorvolumen (GTV) in Zukunft besser abzugrenzen. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (DWI) und die dynamische kontrastverstärkte MRT (DCE-MRI) können uns weitere Einblicke in die zugrunde liegenden biologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften des Tumors geben. Im Moment sind sich die Forscher jedoch nicht sicher, wie sie die verschiedenen Bildgebungsparameter interpretieren sollen, die von diesen funktionellen Bildgebungsmodalitäten erhalten werden. Deshalb wollen die Forscher die Bildgebungsparameter mit den pathologischen Eigenschaften des Tumors korrelieren. Auf der anderen Seite wollen die Forscher den GTV, der auf den funktionellen Bildgebungsmodalitäten definiert wurde, mit dem pathologischen GTV korrelieren und sehen, ob diese Modalitäten uns helfen können, den GTV in Zukunft genauer abzugrenzen.

1.2. BILDGEBENDE MODALITÄTEN

1.2.1. FDG-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET)

Ein erhöhter Glukosestoffwechsel ist ein grundlegendes Merkmal vieler bösartiger Tumore, einschließlich HNSCC. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) nach Injektion von radioaktiv markierter 2'-Fluordesoxyglukose (18F-FDG) kann uns helfen, diesen Metabolismus in Tumoren anhand des standardisierten Aufnahmewerts (SUV) zu messen und zu quantifizieren. Mehrere Studien haben einen hohen SUV vor der Behandlung mit einem signifikant schlechteren Ergebnis bei HNSCC korreliert. Darüber hinaus scheinen die meisten Lokalrezidive innerhalb des FDG-PET-definierten GTV aufzutreten. Die molekulare Grundlage dafür ist nicht vollständig verstanden.

Proliferierende Tumorzellen verbrauchen in hohem Maße Glukose und setzen Laktat und kein CO2 frei. Dadurch unterbinden sie die von den Mitochondrien getriebene oxidative Phosphorylierung von Glucose bei der ATP-Produktion (=Warburg-Effekt). Mehrere molekulare Parameter wurden mit diesem glykolytischen Schalter in Verbindung gebracht, wie z. B. die Aktivierung des durch Hypoxie induzierten HIF1α und das erhöhte Vorhandensein von GLUT-Glukosetransportproteinen. Bisher wurde keine eindeutige Korrelation zwischen dem Vorliegen einer Hypoxie und der FDG-Aufnahme gefunden.

1.2.2. Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (DWI)

Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (DWI) kann Gewebe basierend auf der zufälligen Verschiebung von Wassermolekülen charakterisieren. In biologischen Geweben wird diese Verschiebung durch zugrunde liegende gewebespezifische Barrieren begrenzt, und dieser Unterschied kann unter Verwendung von Werten des scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) quantifiziert und visualisiert werden. Eine Studie an 165 Patienten in unserem Zentrum mit HNSCC hat gezeigt, dass der ADC-Wert vor der Behandlung ein starker und unabhängiger prognostischer Faktor für das Ergebnis ist. Patienten mit einem hohen ADC-Wert sprechen schlechter auf ionisierende Strahlung an als Patienten mit einem niedrigeren ADC-Wert. Es gibt derzeit keine eindeutige Erklärung dafür, warum Tumore mit einer höheren Zelldichte strahlenempfindlicher sind als Tumoren mit einer niedrigen Dichte. Eine Reihe von mikroskopischen Merkmalen beeinflussen die Wasserdiffusionsfähigkeit im Gewebe (Vorhandensein von Nekrose, Zelldichte, Entzündung, Integrität von Zellmembranen). Viele davon beeinflussen auch die Strahlen- und Chemosensitivität der Tumore.

1.2.3. Dynamische kontrastverstärkte Magnetresonanztomographie (DCE-MRT)

Die dynamische kontrastverstärkte MRT (DCE-MRI) ist eine nicht-invasive Bildgebungsmodalität, die für die Charakterisierung der vaskulären Eigenschaften von Geweben entwickelt und evaluiert wurde. Eine ausreichende Sauerstoffversorgung ist für die Wirksamkeit ionisierender Strahlung unerlässlich. Die Tumorangiogenese ist jedoch weit davon entfernt, perfekt zu sein, und neu gebildete Gefäße zeigen Permeabilität, Gewundenheit und eine allgemein schlechte Funktionalität. Diese vaskulären Eigenschaften könnten uns einen Einblick in die Aggressivität und Strahlenempfindlichkeit des Tumors geben. Die dynamische Computertomographie (CT) hat gezeigt, dass Perfusionsmessungen das Ergebnis bei Kopf- und Halskrebs nach Strahlentherapie vorhersagen können. Eine ähnliche quantitative Bewertung der DCE-MRT wurde auch mit der Reaktion auf ionisierende Strahlung bei Patienten mit HNSCC korreliert. Eine kürzlich durchgeführte Studie mit einer begrenzten Anzahl von Patienten korrelierte bestimmte DCE-MRT-Parameter mit intratumoraler Hypoxie. Bisher wurde jedoch keine räumliche Korrelation durchgeführt.

LERNZIELE

2.1. HAUPTZIELE

Das Hauptziel dieser Studie ist es, DWI, DCE-MRT und FDG-PET mit der räumlichen Verteilung von Hypoxie bei Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren zu korrelieren.

2.2. SEKUNDÄRE ZIELE

A. Korrelation der Ergebnisse der funktionellen Bildgebung mit intrinsischen molekularen Parametern, die Proliferation, Hypoxie und Glukosestoffwechsel darstellen.

B. Validierung der Verwendung der Hypoxie-Marker und des 15-Gen-Hypoxie-Genexpressions-Klassifikators.

C. Vergleich des aus der Pathologie abgeleiteten Tumorvolumens mit den Volumina, die auf den verschiedenen anatomischen und funktionellen Bildgebungsmodalitäten abgegrenzt wurden.

STUDIENDESIGN

Die Zielgruppe dieser Studie sind Patienten mit einem histologisch gesicherten Plattenepithelkarzinom des Kehlkopfes, das für eine Operation geeignet ist, im Stadium T3-4. Vor der Behandlung werden die Patienten einer FDG-PET/CT und MRT mit DW und DCE unterzogen, die der optimalen Visualisierung des Primärtumors und der Analyse dienen. Die bildgebenden Verfahren werden möglichst zeitnah zur Operation durchgeführt (PET/CT eine Woche vor der Operation; MRT einen Tag vor der Operation).

Vor der Behandlung werden drei Schichten auf den bildgebenden Modalitäten von einem Radiologen basierend auf ihrer visuellen Qualität und Heterogenität der funktionellen Parameter ausgewählt. Diese interessierenden Regionen werden mit verschiedenen histopathologischen Parametern auf dem Resektionspräparat verglichen. Der Radiologe wählt auch Regionen basierend auf DWI- und DCE-Parametern aus, die vermutlich hypoxisch sind. Aus diesen Regionen wird eine Biopsie entnommen.

Nach der totalen Laryngektomie wird das Resektat orientiert und Biopsiematerial aus den Regionen im Tumor entnommen, die auf den bildgebenden Modalitäten ausgewählt wurden. Der Rest des Präparats wird in Formaldehyd fixiert. Um die Schrumpfung des Tumors aufgrund der Fixierung zu berücksichtigen, wird das Resektionspräparat in einen Karton mit einer Agaroselösung gelegt und mit einem MRT mit T1w/T2-Bildern gescannt. Daraus wird ein Schrumpfungsfaktor berechnet, der die abgegrenzten T1- und T2-gewichteten Bilder vergleicht.

Nach der Fixierung wird der Tumor in etwa 5 mm dicke Makroscheiben zerschnitten. Auf jedem Makroschnitt wird das Tumorvolumen abgegrenzt. Daraus wird das pathologische Tumorvolumen unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Schrumpfungsfaktors ermittelt. Dieses pathologische Volumen wird mit dem auf den Bildgebungsmodalitäten abgegrenzten Tumorvolumen verglichen. Bei den verschiedenen präoperativen funktionellen Bildgebungsmodalitäten werden 4 separate Beobachter das GTV abgrenzen. Die unterschiedlichen Volumina werden verglichen und die Überlappung wird nach der 3D-Probenrekonstruktion und -registrierung berechnet.

Das aus der funktionellen Bildgebung gewonnene GTV wird mit dem pathologischen Tumorvolumen des Resektats korreliert. Diese Informationen werden uns einen besseren Einblick in die wahre Leistungsfähigkeit der untersuchten funktionellen Bildgebungstechniken bei der Bestimmung des Tumorvolumens geben. Dies ist wichtig, um die Rolle der funktionellen Bildgebungsmodalitäten in der zukünftigen Behandlungsplanung zu beurteilen.

Auf den drei Ebenen, die vom Radiologen für die Bildgebungsmodalitäten ausgewählt werden, werden 4 µm dicke Scheiben genommen. Auf jeder Ebene wird eine immunhistochemische Färbung durchgeführt (GLUT-1-, CA-IX-, HIF-1α-, VEGF- und KI 67-Färbung wird durchgeführt).

IHC wird nach einem halbquantitativen Bewertungssystem unter Verwendung einer Feldanalyse bewertet, bei der jedem Feld eine Bewertung von 1-4 entsprechend dem ungefähren Bereich der Immunfärbung (0:0 %, 1:1-5 %, 2: 5- 15 %, 3: 15-30 % und 4: > 30 %.