Hyperpolarisert edelgass MR-deteksjon av strålingsindusert lungeskade

Lungekreft er den ledende årsaken til kreftdød i verden; hvert år tar lungekreft over 20 000 liv i Canada og mer enn én million liv globalt (1). Betydelige forbedringer har blitt gjort i behandlingen av mange andre typer kreft, men lungekreftomsorgen har ikke oppnådd lignende suksesser. Sytti prosent av krefttilfellene er på et avansert stadium ved diagnose, og stråling spiller en standardrolle som en del av både radikal og palliativ terapi i disse tilfellene. Normalt lungevev er svært følsomt for stråling. Denne følsomheten utgjør et alvorlig problem; det kan forårsake strålingspneumonitt eller fibrose (RILI), som kan føre til alvorlig funksjonshemming og noen ganger død. 37 prosent av pasienter med thoraxkreft som behandles med stråling utvikler RILI; i 20 % av strålebehandlingstilfellene er skaden på lungene moderat til alvorlig (2). I tillegg forekommer stråleindusert lungebetennelse som gir symptomer hos 5-50 % av individer som får strålebehandling for lungekreft (3, 4).

Sjansene for klinisk strålingspneumonitt er direkte relatert til det bestrålte lungevolumet (5). Stråleplanlegging forutsetter imidlertid i dag at alle deler av lungen er like funksjonelle. Identifisering av områdene i lungen som er mer funksjonelle vil være fordelaktig for å prioritere disse områdene for å spare under strålingsplanlegging. For å begrense mengden RILI for å bevare lungefunksjonen hos pasienter, planlegger klinikere strålebehandling ved bruk av konform eller intensitetsmodulert strålebehandling (IMRT). Dette gjør bruk av computertomografi (CT) skanninger, som tar hensyn til anatomiske plasseringer av både sykdom og lunge, men ikke kan vurdere funksjonaliteten til selve lungen. En viktig komponent i begrunnelsen for IMRT er at hvis doser av stråling som kommer inn i funksjonelt vev begrenses, kan stråledosen fokuseres på svulster for å skåne funksjonelt vev fra skade for å bevare eksisterende lungefunksjon (6). Derfor, for å redusere toksisitet optimalt, vil IMRT avhenge av data om ikke bare tumorplassering, men også regional lungefunksjon.

Lungefunksjonstester (PFT) kan oppdage en reduksjon i lungefunksjon på grunn av tilstedeværelse av svulster eller RILI, men fordi målingene utføres i munnen, gir ikke PFT regional informasjon om lungefunksjon. Positron emisjonstomografi (PET) avbildning kan brukes til strålingsplanlegging, men PET er begrenset i sin evne til å avgrense funksjonelt vev, det krever administrering av et radiofarmasøytisk middel, det er en langsom modalitet, og fordi det krever bruk av en syklotron, det er dyrt. Enkel-foton emisjon computertomografi (SPECT) avbildning for å måle pulmonal perfusjon som et middel for å avgrense funksjonelt vev har blitt utforsket (7-11). Mens SPECT kan oppdage ikke-funksjonelt vev, tilbyr den romlig oppløsning som bare er halvparten av CT eller PET, og den har ikke den anatomiske oppløsningen som er nødvendig for optimal bruk med IMRT. Videre, i likhet med PET, er SPECT en langsom modalitet. Gitt begrensningene til eksisterende avbildningsmodaliteter, er det et presserende udekket medisinsk behov for en avbildningsmodalitet som kan gi gratis data om regional lungefunksjon raskt og ikke-invasivt, og som vil begrense vevstoksisitet i strålebehandling for ikke-småcellet lungekreft ( NSCLC).

Hyperpolarisert (HP) gassmagnetisk resonansavbildning (MRI) har potensial til å dekke dette udekkede behovet. HP gass MRI, bruker HP xenon-129 (129Xe) for å gi ikke-invasiv, høyoppløselig bildebehandling uten behov for ioniserende stråling, paramagnetiske eller jodholdige kjemiske kontrastmidler. HP gass-MR gir de enorme fordelene ved å raskt gi høyoppløselig informasjon om lungene som er ikke-invasiv, direkte, funksjonell og regional. Konvensjonell MR oppdager vanligvis hydrogenkjernen (1H), som gir begrensninger for lungeavbildning på grunn av mangel på vannmolekyler i lungene. HP gass MRI oppdager 129Xe-kjerner, som er polarisert ved hjelp av spin-exchange optical pumping (SEOP)-teknikk for å øke deres effektive MR-signalintensitet med omtrent 100 000 ganger. HP gass MR har allerede vært stor suksess for pulmonal avbildning, og gir høyoppløselig bildeinformasjon om lungestruktur, ventilasjonsfunksjon og luftutvekslingsfunksjon. Teknologien har vist seg nyttig for avbildning av astma, kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) og cystisk fibrose, og for å vurdere effekten av terapeutika for disse sykdommene (12-21). I dette prosjektet foreslår etterforskerne å utvikle en bildeteknologi for å avgrense områder av lungen hos mennesker som er ikke-funksjonelle kontra de som er levedyktige; bruk av hyperpolarisert (HP) xenon-129 (129Xe) magnetisk resonansavbildning (MRI), vil bedre informere stråleplanleggingsstrategier, i et forsøk på å redusere RILI hos lungekreftpasienter.