Functional assessment of solid tumours and treatment strategies using MR imaging biomarkers

Endring i fysiologiske eigenskapar til ein tumor opptrer i mange tilfelle før ein ser ei endring i t.d. tumorstorleik. Utvikling av metoder for å analysere og kvantitere patofysiologiske parametre kan forbetre diagnosen, samt predikere effekten av behandlinga, og er difor av stor nytteverdi for utprøving av ny behandling. Vi har brukt dyremodellar for glioblastoma multiforme og cancer mamma i prosjektet. Både MRI og PET/CT brukt både på preklinisk og klinisk side og har difor stor translasjonell verdi, slik at erfaringar vi har gjort i dette prosjektet kan ha stor nytteverdi også for behandling av pasientar i framtida.

Postdoktorperioden finansiert av HelseVest har resultert i 5 publikasjonar, samt i ytterlegare 5 artiklar som er under bearbeiding.

Trass i utvikling av nye behandlingsformer er kreft framleis ein leiande dødsårsak i den vestlege verda, og var årsaka til 13 % av alle dødsfall på verdsbasis i 2008 (http://www.who.int/gho/ncd/mortality_morbidity/cancer_text/en/index.html). Det er eit behov for å utvikle nye diagnostiske metoder som kan identifisere dei ulike undergruppene av kreftformene, samt karakterisere korleis eigenskapane til svulsten endrar seg over tid. Personleg, eller individuell kreftbehandling, vil mest sannsynleg forbetre utbyttet av dei ulike behandlingsformene då behandlinga her er basert på dei spesifikke patofysiologiske eigenskapane til den enkelte svulsten, og har som mål å finne den riktige terapiforma til rett person til rett tid. For å kunne karakterisere svulsten og monitorere endringar over tid, må ein bruke ikkje-invasive metoder som er sensitive og kvantitative. Både MRI og PET/CT er viktige forsknings- og diagnostiske verktøy, og kan gi kvantitativ informasjon om underliggande patofysiologiske prosessar. Sidan metabolske og fysiologiske endringar oppstår raskare enn morfologiske endringar som t.d. tumorstorleik, kan fysiologisk imaging forbetre diagnostikk, prognose og predikere utfall av ulike behandlingsstrategiar.

Ein tumor er avhengig av nydanning av blodkar (angiogenese) for å kunne vekse seg større enn 2-3 mm, og angiogenese eit karakteristisk trekk for vondarta tumorer. Blodkara er imidlertid irregulære, permeable (lekke) og kan ha ein lite effektiv blodflow. Vi nyttar ei dedikert MR-maskin for forsøksdyr (7T Bruker Pharmascan) for å karakterisere blodtilførselen og lekkasjen over karveggen i tumorvev i ulike dyremodellar for glioblastom. Bruk av kontrastmiddel med ulik molekylstorleik gjer at vi betre kan karakterisere permeabiliteten til blodkara. Vaskulær permeabilitet kan vere eit mål for kor aggressiv tumoren er, og om ein har ein effekt av behandlinga. Dersom ein skal kunne evaluere ein eventuell behandlingseffekt, må ein kvantitere eigenskapane ein ser på, og det er blitt utvikla lokalt ein metode for å måle perfusjonsparametre på grunnlag av dynamiske kontrastforsterka MRI-opptak (Taxt et al, 2011). Vi har også undersøkt nye og ulike behandlingstrategier for glioblastom, og undersøkt desse vha MRI og farmakokinetisk modellering.

Endring i fysiologiske eigenskapar til ein tumor opptrer i mange tilfelle før ein ser ei endring i t.d. tumorstorleik. Utvikling av metoder for å analysere og kvantitere patofysiologiske parametre som kan gi ein tidleg peikepinn på effekt av behandling, og er difor av stor nytteverdi for utprøving av ny behandling i dyremodellar, samt for å optimalisere behandlingsstrategien til kvar enkelt pasient.

Dynamisk kontastforsterka MR og påfølgjande modellering blir også nytta i prosjektet for å karakterisere ulike eigenskapar ved vevsperfusjonen til mus som er genetisk modifiserte. Ved å slå ut enkelte gener kan ein undersøke spesifikke faktorar som regulerer t.d permeabilitet og karfunksjon i normale tilstander, noko som er viktig for å utvikle medikament som rettar seg spesifikt mot angiogenese i tumorer.

Multiple prosessar regulerer utvekslinga mellom blodkar og vev i normale og patologiske tilstander. Blodflow og permeabiliteten til utvekslingskar er ofte auka ved inflammasjon i vevet og i tumorer.Vi bruker in vivo MRI (7T Bruker Pahrmascan, som er ein dedikert dyrescanner) for å studere endring i blodflow og permeabilitet over tid i ulike dyremodellar. Kvantifisering av perfusjonsparametre er viktig for å kunne evaluere sjukdomsutvikling og eventuell behandlingseffekt.

Inflammasjon i vev vart indusert ved å injisere ein mastcelle degranulator, C48/80, intravaskulært i mus, som resulterer i frigjering av histamin frå mastcellene. Vi utførte dynamiske kontrastforsterka MRI opptak (DCE-MRI) før og etter injeksjon av C48/80, og kvantifiserte perfusjonsparametre vha to farmakokinetiske modellar. Effekten av C48/80 på vevsperfusjon og permeabilitet er kjend i litteraturen, og denne modellen var brukt for å validere ein farmakokinetisk metode som er utvikla av samarbeidspartnarar.

Glioblastom multiforme (GBM) er ein aggressiv form for kreft der den gjennomsnittlege overlevelsen er 9-12 månader. Uttrykkinga av eit molekyl(NG2) på tumorcellene og tumorkar kan settast i samanheng med tumors aggressivitet, og er difor eit interssant mål for målretta terapi. Nydanning av kar, samt auka lekkasje frå kar til tumorvevet kan vere eit mål på malignitet. Vi har tidlegare vist at tumorer som har høgt nivå av NG2, har fleire kar, samt kar med høgare permeabilitet enn tumorer som har lågare nivå av NG2. Her undersøkte vi ved hjelp av strukturell og funksjonell MRI, effekten av å ”slå ned” dette molekylet i ein dyremodell for GBM. Svulstar som vart behandla med NG2 shRNA (via infusjonspumpe direkte til tumor) vaks seinare og hadde mindre nydanning av kar, samt lågare permabilitet enn kontrollsvulstane. NG2 kan difor vere eit viktig mål for å bremse tumorprogresjon.

Fokus for vidare arbeid vil vere å studere vevsperfusjon vha MRI i transgene mus, samt å evaluere effekt av ulike behandlingsstrategier i dyremodellar for GBM og brystkreft.

Unge mus fekk transplantert inn premalignt tumorvev frå ein donor inn i brystvevet på begge sider (MINO – mammary intraepithelial neoplasia outgrowth, linje 4). Utviklinga av tumor vart undersøkt ved hjelp av micro-PET (positron emisjons tomografi) og micro-CT (computer tomografi) 3, 5, 7 og 8 veker etter transplantasjonen for å studere permeabilitet i svulstane før, under og etter overgang frå premalign til malign. Halvparten av forsøksdyra fekk injisert 64Cu-merka albumin og halvparten fekk 64Cu-merka liposom (~100 nm i diameter) inn i halevena, og musene vart avbilda med micro-PET 0, 6, 18, 28 og 48 timar etter injeksjon av tracer. Etter det siste PET-opptaket vart musene også undersøkt ved hjelp av CT for å få anatomisk informasjon om tumor og tumorvekst over tid. Radioaktivitet i tumor, lever og blod vart målt for å lage tidskurver, og ut frå desse tidskurvene kvantifiserte vi lekkasje av tracer frå blod til tumor ved hjelp av farmakokinetiske modellar. Generelt så finn vi ein auke i permeabilitet over tid etterkvart som svulstane veks og transformerer. Lekkasje av albumin viser ein gradvis auke, medan liposom viser ei stegvis endring som er knytt til overgangen frå premalign til malign svulst. Tracer-distribusjonen i tumor er også meir heterogen med liposom enn albumin. Resultata viser at permeabilitet og distribusjon er avhengig av både malignitet og tracer, noko som er viktig informasjon når ein skal vurdere behandlingsstrategi og effektivitet. Micro-PET var eit nyttig verktøy for å følgje tumorprogresjon i dei same forsøksdyra over tid. Etter siste PET/CT-opptaket (8 veker etter transplantasjon), vart svulstane sendt til histologi slik at ein kunne samanlikne resultata frå PET med morfologien til tumor.

I eit oppfølgingsstudie vart fekk nye 8 mus transplantert inn premalignt tumorvev inn i brystvevet og undersøkt ved hjelp av micro-PET 5 veker etter transplantasjon. Formålet med denne forsøksrunden var å fange overgangen mellom premalign og malign, og samanlikne PET-resultata med histologien i transformasjonsfasen. Data frå denne runden er under bearbeiding.

Forsøka vart utført ved UC Davis, CA, USA, i samarbeid med Dr. Kathy Ferrara og Dr. Fitz-Roy Curry.

I denne studien vil vi sjå nærare på blodkara i hjernesvulstar vha MRI og dyremodellar. Ein tumor treng nyvekst av blodkar (angiogenese) for å vekse og grad av angiogenese kan seie noko om kor aggressiv tumoren er. Vi brukte ein ikkje-invasiv MR-metode som inneber at vi kan undersøke parametre som blodtilførsel, blodflow og permeabilitet i tumor før og etter behandling i samme dyret. Avansert post-prossesering av MR-bileta vha ein farmakokinetisk modell gjer at vi kan kvantifisere desse parametra, noko som er viktig dersom ein skal sjå på ein eventuell effekt av behandling. Behandlingsrespons kan gi fysiologiske endringar før strukturelle endringar som tumorstorleik. Det er difor viktig å utvikle verktøy som kan gi oss fysiologisk status til tumor for å oppdage tidleg behandlingseffekt.

Immundefekte rotter (nude rats) med humane glioblastom vart delt inn i to grupper, der ei gruppe fekk hyperbar oksygenbehandling og ei gruppe fungerte som kontroll. Hypotesen er at hyperbar oksygenbehandling vil redusere angiogenesen i hjernesvulstane, og dermed redusere tumorveksten. Hjernesvulstane vart undersøkt ved hjelp av både fysiologisk og strukturell MRI før og etter behandling.

Denne studien har eit todelt mål, der det eine målet er å finne ein eventuell effekt på angiogenese og tumorvekst etter hyperbar oksygenbehandling. Det andre målet med studien er å utvikle eit godt verktøy for å kvantifisere ”fysiologisk status” som blodflow, permeabilitet og blodvolum v.h.a av ein ikkje-invasiv metode. Vi ønskjer å samanlikne MR-funna med histologiske funn for å verifisere metoden vi nyttar. Begge delmåla er av klinisk relevans. Pasientar med glioblastom har dårleg prognose og ei ny behandlingsform som kan forlenge forventa levetid er ønskeleg. Eit godt verktøy for å detektere og måle eventuell effekt av behandling er også viktig, både i utviklinga av nye behandlingsformer og for oppfølging av pasienten under og etter behandling.