Hyperpolarisierter Edelgas-MRT-Nachweis einer strahleninduzierten Lungenschädigung

Lungenkrebs ist weltweit die häufigste Krebstodesursache; Jedes Jahr fordert Lungenkrebs über 20 000 Todesopfer in Kanada und mehr als eine Million Menschenleben weltweit (1). Bei der Behandlung vieler anderer Krebsarten wurden signifikante Verbesserungen erzielt, aber die Behandlung von Lungenkrebs hat keine ähnlichen Erfolge erzielt. Siebzig Prozent der Krebserkrankungen befinden sich bei der Diagnose in einem fortgeschrittenen Stadium, und die Bestrahlung spielt in diesen Fällen sowohl als Teil der Radikal- als auch der Palliativtherapie eine Standardrolle. Normales Lungengewebe ist sehr empfindlich gegenüber Strahlung. Diese Empfindlichkeit stellt ein ernsthaftes Problem dar; es kann eine Strahlenpneumonitis oder -fibrose (RILI) verursachen, die zu schweren Behinderungen und manchmal zum Tod führen kann. Siebenunddreißig Prozent der mit Bestrahlung behandelten Brustkrebspatienten entwickeln RILI; in 20 % der Bestrahlungsfälle ist die Lungenschädigung mittelschwer bis schwer (2). Darüber hinaus tritt bei 5-50 % der Personen, die eine Strahlentherapie gegen Lungenkrebs erhalten, eine strahleninduzierte Pneumonitis auf, die Symptome hervorruft (3, 4).

Die Wahrscheinlichkeit einer klinischen Strahlenpneumonitis hängt direkt mit dem bestrahlten Lungenvolumen zusammen (5). Allerdings geht die Bestrahlungsplanung derzeit davon aus, dass alle Teile der Lunge gleich funktionsfähig sind. Die Identifizierung der Bereiche der Lunge, die funktioneller sind, wäre vorteilhaft, um diese Bereiche für die Schonung während der Bestrahlungsplanung zu priorisieren. Um die RILI-Menge zum Erhalt der Lungenfunktion bei Patienten zu begrenzen, planen Ärzte eine Strahlenbehandlung mit konformaler oder intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT). Dabei werden Computertomographie (CT)-Scans verwendet, die anatomische Orte sowohl der Krankheit als auch der Lunge berücksichtigen, aber die Funktion der Lunge selbst nicht beurteilen können. Ein wichtiger Bestandteil der Begründung von IMRT ist, dass, wenn Strahlendosen, die in funktionelles Gewebe eindringen, begrenzt werden, die Strahlendosis auf Tumore konzentriert werden kann, um funktionelle Gewebe vor Verletzungen zu bewahren und die bestehende Lungenfunktion zu erhalten (6). Um die Toxizität optimal zu reduzieren, würde IMRT daher nicht nur von Daten zur Tumorlokalisation, sondern auch zur regionalen Lungenfunktion abhängen.

Lungenfunktionstests (PFTs) können eine Abnahme der Lungenfunktion aufgrund des Vorhandenseins von Tumoren oder RILI erkennen, aber da die Messungen am Mund durchgeführt werden, liefern PFTs keine regionalen Informationen über die Lungenfunktion. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Bildgebung kann für die Bestrahlungsplanung verwendet werden, aber PET ist in seiner Fähigkeit, funktionelles Gewebe abzugrenzen, begrenzt, es erfordert die Verabreichung eines radiopharmazeutischen Mittels, es ist eine langsame Modalität und, da es die Verwendung eines Zyklotrons erfordert, es ist teuer. Die Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT)-Bildgebung zur Messung der Lungenperfusion als Mittel zur Abgrenzung von funktionellem Gewebe wurde untersucht (7-11). Während SPECT nicht funktionelles Gewebe erkennen kann, bietet es eine räumliche Auflösung, die nur halb so hoch ist wie die von CT oder PET, und es besitzt nicht die anatomische Auflösung, die für eine optimale Verwendung mit IMRT erforderlich ist. Darüber hinaus ist SPECT wie die PET eine langsame Modalität. Angesichts der Einschränkungen bestehender Bildgebungsverfahren besteht ein dringender ungedeckter medizinischer Bedarf an einem Bildgebungsverfahren, das schnell und nicht-invasiv ergänzende Daten zur regionalen Lungenfunktion liefern kann und das die Gewebetoxizität bei der Strahlentherapie bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs begrenzt ( NSCLC).

Magnetresonanztomographie (MRT) mit hyperpolarisiertem (HP) Gas hat das Potenzial, diesen unerfüllten Bedarf zu decken. HP-Gas-MRT, verwendet HP Xenon-129 (129Xe), um eine nicht-invasive, hochauflösende Bildgebung bereitzustellen, ohne dass ionisierende Strahlung, paramagnetische oder jodierte chemische Kontrastmittel erforderlich sind. HP-Gas-MRT bietet die enormen Vorteile, schnell hochauflösende Informationen über die Lunge bereitzustellen, die nicht invasiv, direkt, funktionell und regional sind. Herkömmliche MRT erkennt typischerweise den Wasserstoff(1H)-Kern, was aufgrund des Mangels an Wassermolekülen in der Lunge Einschränkungen für die Lungenbildgebung mit sich bringt. Die HP-Gas-MRT detektiert 129Xe-Kerne, die mithilfe der SEOP-Technik (Spin-Exchange Optical Pumping) polarisiert werden, um ihre effektive MR-Signalintensität um etwa das 100.000-fache zu erhöhen. HP-Gas-MRT ist bereits weithin erfolgreich für die Lungenbildgebung und liefert hochauflösende Bildgebungsinformationen über Lungenstruktur, Ventilationsfunktion und Luftaustauschfunktion. Die Technologie hat sich für die Bildgebung von Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und zystischer Fibrose sowie für die Bewertung der Wirksamkeit von Therapeutika für diese Erkrankungen als nützlich erwiesen (12-21). In diesem Projekt schlagen die Forscher vor, eine bildgebende Technologie zu entwickeln, um Bereiche der Lunge beim Menschen abzugrenzen, die nicht funktionsfähig sind, und solchen, die lebensfähig sind; Die Verwendung von hyperpolarisiertem (HP) Xenon-129 (129Xe) Magnetresonanztomographie (MRT) wird Strahlplanungsstrategien besser informieren, um RILI bei Lungenkrebspatienten zu reduzieren.