Raport științific 2015 - fizicaoradea.ro · Raport științific 2013-2015 4 10. L. Marcu, The effect of abortive division as a repopulation mechanism on head and neck cancer radiotherapy

Raportștiințific2013-2015

1

Raportștiințificsinteticintermediar

privindimplementareaînperioadaoctombrie2013–decembrie2015aproiectului

Codproiect:PN-II-ID-PCE-2012-4-0067

Titluproiect:Modelareainsilicoaproceselorbiologicedintumorilehipoxiceînvedereaindividualizăriiprotocoluluidetratament

I. ObiectiveleprevăzuteînPlanulderealizareaproiectuluipentruperioadaoctombrie2013–decembrie2014

oct2013–dec2013

Obiectivulmajoralacesteietape:CreștereauneitumorivirtualedecapșigâtfolosindtehnicicomputaționaleMonteCarlo.Activitățiplănuitepentrurealizareaobiectivului:

1. Adunareaparametrilordeinputaimodeluluipebazadatelorexistenteinliteraturadespecialitate.

2. Construireamodeluluibazatpedateledeinput.Rezultatulpreconizatpentruaceastăetapăconformplanuluiderealizareaproiectului:Model virtual de bază al unei tumori reprezentative de cap și gât (diseminare:prezentaresimpozion/conferință).

ian2014–dec2014

Obiectivul 1. Ajustarea modelului tumoral cu componente spațiale corelate cu datefurnizatedeimaginiPET/CT.Activitățiplănuitepentrurealizareaobiectivului:

1.1. IncorporareadatelorPET și CTde contrast într-unparametru complexpentruadefinidistribuțiaspațialăahipoxieitumorale.

1.2. Ajustarea parametrilor de input ai modelului de bază în funcție deparametriihipoxicișimetaboliciaipacientului.

Rezultatulpreconizatpentruaceastăetapăconformplanuluiderealizareaproiectului:Modelcomplexaluneitumorireprezentativedecapsigatavandlabazadateimagisticereale.

Obiectivul2.Simulareatratamentuluiradioterapeuticalpacientului.

Activitățiplănuitepentrurealizareaobiectivului:

1.1. Implementareamecanismelorresponsabilederepopulareatumoralăde-alungultratamentuluicuradiatie.

1.2. Simulareatratamentuluirealfolosindformalismulliniarpatraticdinradioterapie.


2

Rezultatulpreconizatpentruaceastăetapăconformplanuluiderealizareaproiectului:Rezultate simulare tratament radioterapeutic (diseminare: prezentare conferinta;articolISI).

ian2015–dec2015

Obiectivul1.Ajustareamodeluluiconformrezultatelorclinice.Activitățiplănuitepentrurealizareaobiectivului:

1.1. Compararea datelor clinice cu datele simulării având în vederedimensiunea tumorală reziduală (dacă există), distribuția hipoxiei șicomportamentuluimetabolic.

1.2. Ajustareaalgoritmuluimodululuiradioterapeutic.Obiectivul2.Validareamodelului.Activitățiplănuitepentrurealizareaobiectivului:

1.1. Recrutarea unui număr mai mare de pacienți cu tumori de cap și gâtpentrucolectareadatelordeimagisticăPET/CT.

Rezultatulpreconizatpentruaceastăetapăconformplanuluiderealizareaproiectului:Modelperfecționatpebazarezultatelorclinice.Modelvirtual finaldetumorădecapșigât(diseminare:prezentareconferință;articolISI).

II. Rezultatelecercetăriidinperioadaoctombrie2013–decembrie2015

II.1.ArticoleISI

1. L.Marcu,ThefirstRsofradiotherapy-orstandingontheshouldersofgiantsAustralasianPhysEngSciMed,38(4)(2015)(IF=0.882)(invitedarticle)

2. M.Jennings,L.Marcu,E.Bezak,PET-specificparametersandradiotracersintheoreticaltumourmodellingComputationalandMathematicalMethodsinMedicine,ArticleID415923(2015)(IF=1,08)

3. L.Marcu,W.Harriss-Phillips, S. Filip,Hypoxia inheadandneck cancer in theoryandpractice:aPET-basedimagingapproachComputationalandMathematicalMethodsinMedicine,ArticleID624642(2014)(IF=1,08)

4. L. Marcu, Tumour repopulation and the role of abortive division in squamous cellcarcinomasduringchemotherapyCellProliferation47(4):318-325(2014)(IF=3,28)

5. L. Marcu, Improving therapeutic ratio in head and neck cancer with adjuvant andcisplatin-basedtreatmentsBiomedResearchInternational2013:817279(2013)(IF=2.880)


3

II.2.ArticoleBDI

1. L.Marcu,D.Marcu,S.Filip,InsilicorepopulationmodelofvarioustumourcellsduringtreatmentbreaksinheadandneckcancerradiotherapyWorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology, InternationalScience Index,MedicineandHealthSciences9(3)(2015)

II.3.Prezentărilaconferințeinternaționale

1. L. Marcu, D. Marcu, In silico evaluation of radiobiological hypoxia and its effect ontumourcontrolduringradiotherapyProceedingsofthe39thARACongress,Frascati,Rome,Italy,28-31July(2015)

2. L.Marcu,D.Marcu,S.Filip,CancerstemcellsinahierarchicalmodeloftumourregrowthinfiveheadandneckcarcinomasWorldCongressonMedicalPhysics&BiomedicalEngineering,Toronto,Canada,7-12June(2015)

3. L.Marcu,Medicalphysics–orhowachangeincareerpathbecomesapassion

WorldCongressonMedicalPhysics&BiomedicalEngineering,Toronto,Canada,7-12June(2015)

4. L.Marcu,Theimpactofcancerstemcells(CSCs)onradiotherapyoutcome:aninsilicoapproachACPESMWABranchMeeting,Perth,Australia,17-22May(2015)(Invitedtalk)

5. L.Marcu,D.Marcu,MonteCarlosimulationofpersonalisedradiotherapyforheadandneckcancerdrivenbytumourgrowthkineticsICRR2015,The15thInternationalCongressofRadiationResearch,Kyoto,Japan,25-29May(2015)

6. L.Marcu,D.Marcu,S.Filip,InsilicorepopulationmodelofvarioustumourcellsduringtreatmentbreaksinheadandneckcancerradiotherapyIEEE,InternationalConferenceonRadiationMedicine,Dubai,UAE,11-12March(2015)

7. D.Marcu,L.Marcu,InsilicogrowthofahypoxicheadandnecktumourincludingangiogenicprocessesThe60thAnnualMeetingoftheRadiationResearchSociety,LasVegas,21-24Sept(2014)

8. L.Marcu,TheinfluenceofrepopulationmechanismsontreatmentgaptiminginheadandneckcancerradiotherapyWorkshop:Biologicalbasisofradiotherapy–wheredowestand?Stockholm,4-5Sept(2014)

9. L.Marcu,D.Marcu,InsilicosimulationoftumourradiobiologytowardsindividualisedtreatmentThe3rdInternationalCongressonPersonalisedMedicine(UPCP),Prague,26-29June(2014)


4

10. L.Marcu,TheeffectofabortivedivisionasarepopulationmechanismonheadandneckcancerradiotherapyESTRO33,Vienna,Austria,4-8April(2014)

11. L.Marcu,D.Marcu,S.Filip,O.Straciuc,Theimplementationoftumour-specificradiobiologicalparametersinahead&necktumourgrowthmodel,InternationalConferenceonSciences,BăileFelix,8-9November(2013)

12. O.Straciuc,C.Oncu,Zs.Lengyel,Diagnosticulimagisticmodernalcanceruluiprostatic,

InternationalConferenceonUrology,GynecologyandUrogynecologyUroGyn,Oradea14-17November(2013)

II.4.Prezentărilaconferințenaționale

1. A.Dinu,O.Straciuc,FDG-PETasanimagingbiomarkerinheadandneckcarcinomasAl2-leaCongresNaționaldeOncologieMedicalășiRadioterapie,Sinaia,23-25Oct(2014)

2. O.Straciuc,C.Oncu,Diagnosticulimagisticmodernalcancerului,ConferințaAr-Medica,Arad,2-4Noiembrie(2013)

II.5.Cărți/capitoledespecialitateinternaționale/revisteISInumărspecial

1. L.Marcu(editor),ContemporaryIssuesinHeadandNeckCancerManagementInTechPublishing,ISBN:978-953-51-2135-0(2015)

2. L. Marcu, E. Bezak, I. Toma-Dasu, A. Dasu (editors), Predictive Models Of TumourResponseToTreatmentUsingFunctionalImagingTechniques(Specialissuejournal)ComputationalandMathematicalMethodsinMedicine,ISSN:1748-670X(2015)

3. L.Marcu,I.Toma-Dasu,A.Dasu,The6Rsofheadandneckcancerradiotherapy(book

chapter)In:ed.L.Marcu,Contemporary issues inheadandneckcancermanagement, InTechPubl.,ISBN978-953-51-2135-0(2015)

II.6.Lucrări/articoleînpregătiresausubmise

1. L.Marcu,Future treatmentdirections forHPV-associatedheadandneckcancerbasedonradiobiologicalrationaleandcurrentclinicalevidenceCriticalReviewsinOncology/Hematology(2015)(submis)

2. R.Chirla,L.Marcu,PET-basedquantificationofstatisticalpropertiesofhypoxic tumorsubvolumesinheadandneckcancerPhysicaMedica(2015)(submis)

3. L.Marcu,D.Marcu,S.Filip,Cancerstemcelldynamicsandradiobiologicalhypoxiawith

treatmentimplicationsinaheadandnecktumourmodelCellProliferation(înlucru)


5

II.7.TezăDisertație,UniversitateadinOradea,Specializarea–FizicaExplorărilorșiTerapiilorBiomedicale(sesiuneaiulie2014)

Titlultezei:FDG-biomarkerîndiagnosticulimagisticalformațiunilortumoralemalignedinsferacapuluișigâtuluiMasterand:AncuțaDinuCoordonatoriștiințifici:prof.univ.dr.LoredanaMarcu&conf.univ.dr.OresteStraciuc


6

III. Descrierearealizărilorștiințificeobținute

oct2013–dec2013

Proiectul de față își propune realizarea unui model virtual complex al unei tumori

tipicedecapșigâtprecumșisimulareatratamentuluiradioterapeutic,conformprotocoalelorinternaționale de tratament pentru carcinoamele avansate de cap și gât. În cercetărianterioare am realizat un model virtual de bază care a incorporat o serie de parametribiologici și radiobiologici specifici creșterii și dezvoltării unei tumori de cap și gât. Uneleprocese însă, nu au fost incluse înmodelul de bază, prin urmare scopul proiectului de fațăconstă în cuprinderea elementelor radiobiologice principale care influențează răspunsultumorii la radiația ionizantăurmândca în final să seevaluezerăspunsul tumoriivirtuale latratamentulcuradiație.

Repopulareacelularășihipoxiasuntfactoricheieînceeacepriveștecomportamentultumoriiși succesul tratamentului cu radiație. Mecanismele de repopulare tumorală trebuie să fiecuprinse în modelul de bază, pentru a putea analiza evoluția tumorii de-a lungultratamentului.Unelementimportantcucarene-amocupatînaceastăprimăfazăaproiectuluiafoststudiulamănunțitalliteraturiidespecialitatecuprivirelamecanismelederepopularealecelulelorscuamatedincomponențatumorilordecapșigât.

Mecanismele de repopulare tumorală care au fost puse în evidență experimental sau semi-empiricsunturmătoarele: recrutareacelulară,diviziuneaabortivă, repopulareaacceleratăacelulelorstemșipierdereadiviziuniiasimetriceacelulelorstem(Withers1993,Dörr1997)(tabelul1includedefinițiileacestormecanisme).Tabelul 1. Mecanismele de repopulare tumorală și efectul lor asupra diferitelor tipuri deceluletumorale

Mecanismulderepopulare

Efect/definiție Tipulceluleiafectate

Recrutarecelulară RecirculareacelulelordinfazaG0înciculcelular

Celulepasivesauneproliferative

Repopulareaccelerată

Scădereadurateicicluluicelular

Celulestemproliferative

Pierdereadiviziuniiasimetrice

Diviziuneasimetricăacelulelorstemînmitoză(adicădouăcelulefiicădetipstem)

Celulestemproliferative

Diviziuneaabortivă Numărlimitatdediviziunecelulară,dupăcareceluladevinesterilă

Celuleproliferativediferențiate(cuproliferarefinită)

În această fază a proiectului am simulat mecanismele de repopulare, punând accent cuprecădere pe mecanismul cel mai puțin studiat în literatura de specialitate și anumediviziunea abortivă a celulelor cu proliferare finită și influența acestui mecanism asupracelorlaltefenomenederepopularetumorală.


7

Diviziunea accelerată a celulelor stem și diviziunea abortivă suntmecanisme controlate dehipoplaziatisulară,pecândpierdereaasimetrieiînmitozăesteunfenomenrezultatînurmaepuizăriicelulelorstem(Dörr2003).Recrutarea celulelor din faza G0 a ciclului celular este, probabil, cel mai natural și mai ‘laîndemână’ mecanism de repopulare, datorită existenței celulelor neproliferative din afaraciclului mitotic care prin stimuli specifici (cum ar fi radioterapia sau chimioterapia) potreintra în ciclul celular și contribui astfel la procesul de diviziune celulară. Cu toate căexistența acestui mecanism în cadrul tumorilor este unanim acceptată de comunitateaștiințifică,datelecantitativecuprivire la tipurileșicantitateadecelulerecrutate lipsescdinliteraturadespecialitate.Tubiana (Tubiana 1988) a arătat că într-o populație tumorală netratată de celulehematopoietice,proporțiadecelulestemrecirculateestesub2%dinnumărultotaldecelule.Deoarece rata de proliferare a cancereor hematologice este mult mai mare decât cea amalignităților solide, limita de 2% de celule stem recrutate poate reprezenta o limităsuperioarăîntumorilesolide.Modelarea insilicoatumorilordecapșigâtcuconsiderenteledemaisusafostrealizatădecătredirectoruldeproiectpentruaelucidarolulșicontribuțiaacestui mecanism de repopulare (Marcu 2004). Am arătat că recrutarea celulară este unmecanismmai slab decât repopularea accelerată a celulelor stem sau decât lipsa diviziuniiasimetriceacelulelorstem,indiferentdenumăruldecelulerecrutate.Înradioterapie,repopulareaacceleratășimecanismuldediviziunesimetricăacelulelorstemsunt anihilate prin creșterea dozei de radiație (Dörr 2009). Diviziunea abortivă poate, deasemenea, interacționa cu răspunsul clinic, prin rebalansarea pierderii continue a celulelorprin tratamentul cu radiație.Astfel, estenevoiedeo analiză cantitativă a acestuimecanismpentruaevaluaimpactulsăuasupracreșteriitumoraleindusedetratament.La ora actuală nu există date în literatura de specialitate cu privire la influența diviziuniiabortive,doaramecanismelorlegatederepopulareacelulelorstem(Trott1999,Marcu2004,Marcu2010,Harriss-Phillips2011).Pentru a evalua mecanismul de repopulare în cauză, s-a simulat întâi creșterea tumoriivirtuale de cap și gât având în componență trei categorii de celule care pot influențadezvoltarea și comportamentul tumorii: celule stem, celule cu proliferare finită și celuleneproliferative(celedinfazaG0).Celuleleproliferativesedividdeunnumărfinitdeori(doarcâtevagenerații)–procescarepoartănumeledediviziuneabortivă.Pentruaobțineotumorăvirtualăcuproprietățisimilareceleireale,creștereatumoriitrebuiesă fie ghidată de parametri cinetici bine definiți, cum ar fi: durata ciclului celular,lungimea/duratafiecăreifazeacicluluicelular,ratadecreștere,volumuldedublaretumoralăși,nuînultimulrând,procentuldeceluledinfiecarecategoriesus-amintită.Astfel,amrealizatunstudiucuprivirelanumărulmaximdediviziuniprincarepoatetreceocelulăproliferativăfărăaalteracaracteristicilecineticealetumorii.Modelarea in silico a arătat că un numărmaimare de 3 diviziuni succesive ale unei celuleproliferative conduce la o rată de creștere nerealistă din punct de vedere biologic. Cumvolumulmediudedublaretumoralăacancerelordecapșigâtestede45dezile,amarătatcă


8

numărulmaximdegenerațiinoicreateînurmadiviziuniiuneiceluleproliferativepentrucaretumoraseîncadreazăînratadecreșterebiologicvalidăestede3(figura1).Oricenumărdegenerațiipeste3,dupăcumreieseșidinfigura1,arrezultaîntr-untimpdedublarevolumicăfoartescurtnefiindînconcordanțăcurealitatea.

Figura1.Număruldeceluletumoraleînfuncțiedenumăruldegenerațiiatribuitecelulelorcuproliferarefinită.

Oaltăobservațieasimulăriisereferălaraportuldintreprocentuldeceluleproliferative(P)versusstem(S) în timpulactivăriimecanismelorderepopularecelulară, șianume, raportul(P/S)creștecudurata/lungimeacicluluicelularalcelulelorstematuncicândmecanismulderepopulare accelerată este activat. Creșterea este chiar supra-liniară (figura 2), ceea ceînseamnăcărepopulareaprindiviziuneabortivădepășeștepeaceeacauzatădecelulelestem.Pedealtăparte, încazul ciclurilormitoticescurte (sub10ore) raportulP/Sdescreștede-alungultratamentuluicupânăla12%,ceeaceindicăoscădereacontribuțieimecanismuluidediviziune abortivă în comparație cu repopularea prin celule stem. Cu toate acestea, atuncicândduratamedieacicluluicelularestede33deore(adicămediacaracteristicătumorilordecapșigât),raportulP/Sesteaproapeconstantde-alungultratamentului(figura2).

Figura 2. Raportul de celule proliferative versus stem (P/S) în funcție de durata ciclului celular alcelulelorstem.

1.E+01

1.E+03

1.E+05

1.E+07

1.E+09

1.E+11

1.E+13

0 1 2 3 4 5 6

Noofcells

Noofgenerations


9

Am arătat că pe lângă mecanismele de repopulare specifice celulelor stem, celuleleproliferativecupotențialfinitdeproliferarepotcontribuilacreștereatumorală.Deasemenea,raportul P/Sesteputernicdependentdedurata ciclului celular al celulelor stem, sugerândfaptulcăarexistaunefectsinergeticîntrerepopulareaacceleratășimecanismuldediviziuneabortivăacelulelorcuproliferarefinită.

Cercetarea din această primă fază a proiectului a condus la rezultate cu privire larelațiadelegaturădintrevariatemecanismederepopularetumoralăspecificecarcinoamelordecapșigâtșiposibilulimpactasuprarăspunsuluitumoral,urmândcaînfazeleurmătoare,să studiem a doua mare componentă care dictează rezultatul tratamentului cu radiație, șianumehipoxiatumorală.

ian2014–dec2014

În această etapă s-a urmărit răspunsul tumorii avasculare la efectul radiației cu/fărăchimioterapie,urmândca implementareaparametrilor referitori lahipoxie, săpermităapoievaluarearăspunsuluitumoriivasculareșihipoxice.

A. Mecanismelede repopulare tumorală careau fostpuse înevidențăexperimental sausemi-empiric sunt următoarele: recrutarea celulară, diviziunea abortivă, repopulareaacceleratăacelulelorstemșipierdereadiviziuniiasimetriceacelulelorstem(Withers1993,Dörr 1997). Diviziunea accelerată a celulelor stem și diviziunea abortivă sunt mecanismecontrolate de hipoplazia tisulară, pe când pierderea asimetriei în mitoză este un fenomenrezultatînurmaepuizăriicelulelorstem(Dörr2003).

În radioterapie, repopularea accelerată și mecanismul de diviziune simetrică acelulelorstemsuntanihilateprincreștereadozeideradiație(Dörr2009).Diviziuneaabortivăpoate,de asemenea, interacționa cu răspunsul clinic, prin rebalansareapierderii continueacelulelor prin tratamentul cu radiație. Astfel, este nevoie de o analiză cantitativă a acestuimecanismpentruaevaluaimpactulsăuasupracreșteriitumoraleindusedetratament.

Pânăînmomentulînceperiiproiectuluinuexistaudateînliteraturadespecialitatecuprivire la influențadiviziunii abortive,doaramecanismelor legatede repopulareacelulelorstem(Trott1999,Marcu2004,Marcu2010,Harriss-Phillips2011),motivpentrucareacesttipderepopulareafostamplustudiatîncadrulacestuiproiectiarrezultateleobținuteaufostpublicate în revista ISI Cell Proliferation (Marcu 2014a) iar altele prezentate la conferințainternaționalăESTRO33,Viena,2014.

Mecanismele de repopulare au un impact major asupra răspunsului tumorii laradioterapie și chimioterapie. Astfel, următorul pas în cadrul proiectului a fost studiulefectului repopulării asupra programării întreruperilor tratamentului cu radiație.Întreruperea sau pauza de tratament în cazul protocoalelor agresive pentru pacienții cutumoridecapșigâtsepracticăpentruaoferițesutuluisănătostimpderepararealeziunilorADN-uluișiderecreștere/repopulareațesutuluinormal.

Folosindformalismulliniar-pătraticdesupraviețuirecelulară:𝑆 = 𝑒! !"!!!! ,

undeSreprezintăpopulațiadecelulesupraviețuitoare,Dreprezintădozatotalăderadiațieiarα și β sunt coeficienți specifici tumorali ce caracterizează radiosensibilitatea țesutului, s-ausimulat,asupratumoriivirtuale, tratamentederadioterapiealterată(non-convențională)pebazatrialuluiRTOG(RadiationTherapyandOncologyGroup):1.6Gy/fracție,de2oripezi,la6orediferență, 5 zilepe săptămână și unnumăr totalde42de fracțiunidedoză. Folosindmodelul liniar-pătraticdinradiobiologie, s-ausimulat trei timpidiferițipentru întreruperea


10

tratamentului și anume: după 20, 24 și 28 de fracțiuni de doză. Au fost monitorizate atâtcelulele stem cât și cele diferențiate, iar contribuția acestora la repopularea tumoralăanalizate (rezultate prezentate laWorkshop: Biological basis of radiotherapy –where dowestand? Stockholm, 2014). Datorită activării mecanismelor de repopulare pe parcursultratamentului radioterapeutic, există o creștere procentuală semnificativă atât a celulelorstem (%S) cât și a celulelor diferențiate (%P) care contribuie la dezvoltarea continuă atumorii. Dacă înainte de începerea tratamentului tumora a inclus 6% celule stem și 10%celule diferențiate, de-a lungul radioterapiei, ambele procentaje au crescut drastic, creșterecareadepinsșidemomentullacareaavutlocîntrerupereatratamentuluiînvederearefaceriițesutuluisănătos.Astfel,procentulcelulelorstemavariatdela41.3%(pentrupauzadupă20fracțiidedoză)la36.6%(pentrupauzadupă28fracțiidedoză).Încazulcelulelordiferențiate,procentul loravariatde la30.5%(pentrupauzadupă20 fracțiidedoză) la33.7%(pentrupauzadupă28fracțiidedoză)(figura1).Oobservațieinteresantăestefaptulcăprocentuldecelule stemdescreșteodată cu întârzierea întreruperii tratamentului.Acest lucru seexplicăprin faptul că prin întreruperea timpurie nu au loc pierderi celulare suficient de mari înrândul celulelor stem pentru un control tumoral adecvat. Comportamentul celulelordiferențiate pare a fi opus, ceea ce oferă astfel perderi celulare constante de-a lungultratamentului.

Figura1. Influențamomentului de întrerupere a tratamentului cu radiație asupra celulelor stem (S) respectivdiferențiate(P).

Modelul virtual a arătat că atât celulele stem cât și cele diferențiate contribuie larepopularea tumorii pe parcursul tratamentului. Acest lucru se observă din curbele desupraviețuirecelularăilustrateînfigura2.

Diferențaesențială întrecontribuțiacelordouăcategoriideceluleconstă în faptulcădiviziunealimitată(adicănumărullimitatdegenerații)acelulelordiferențiateduce,înultimăinstanță, la extincția lor de-a lungul iradierii, pe când celulele stem, având proprietatea deimortalitate,potrecreștetumora,chiarșidelaosingurăcelulăstem.Astfel,pentrueradicareaacestora,tratamentulcuradiațienecesităajustăricaresăținăcontdeabilitateadeproliferarerapidăatumorilordecapșigât.

20

25

30

35

40

45

50

After20fx After24fx After28fx

Percentageofcells

Timingoftreatmentgap

%S %P


11

Figura 2. Curbele de supraviețuire celulară ale populațiilor de celule stem și diferențiate sub efectultratamentuluiacceleratcuradiațieșiîntrerupereatratamentuluidupă20defracțiidedoză.

B. Tumoriidecapșigât crescute in silico(figura3și3a) i s-auatribuitparametrii caredescriu starea de oxigenare a tumorii (Marcu 2014b), care sunt reprezentați prin pO2(presiuneaparțialăaoxigenului),gradientuloxigenuluișidistanțadedifuziede lacapilar lacelulă.Valorileșiprincipalelecaracteristiciale tumoriihipoxicesunt trecute în tabelul1 iarschemalogicădedezvoltareatumoriiînfigura4.

Figura3.Ilustrareagraficăadistribuțieicelulelortumoraledecapșigâtcrescuteinsilico.

Figura3a.Imagineamărităauneisecțiunitumorale,undecuroșusuntreprezentatecelulelestem,cuverdecelediferențiateiarcuportocaliuceluleleneproliferative.

Învedereasimulăriidezvoltăriispațialeatumorii,aufostincluseșiceluleendoteliale,

caresuntstimulatedelipsaoxigenuluicelularsăporneascăprocesuldeangiogenezătumorală(rezultateprezentatelaThe60thAnnualMeetingoftheRadiationResearchSociety,LasVegas,Sept.2014).

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Num

berofcells

Treatmenttime(days)

Stemcells Differentiatedcells


12

Tabel1.Proprietățiletumoriihipoxicedecapșigâtcrescuteinsilico

Proprietăți/caracteristici Cuantificarea

Compozițiacelulară(calitativă) CeluletumoraleStemDiferențiateNeproliferative

Celulevasculare Endoteliale

Compozițiacelulară(cantitativă) Celuletumorale

2.6%stem12%diferențiate85.4%neproliferative

Cineticatumorală

Duratamedieacicluluicelular

33ore

Variațiadurateimediiacicluluiceular

±10%dinciclulcelularmediu

Duratadiferitelorfazealecicluluicelular

M(7%),G1(40%),S(30%),G2(23%)

Timpuldedublarevolumetrică

53zile

Factoruldepierderecelulară

85%

Oxigenareatumorală pO2Dela20%(înapropiereavaselordesânge)la0.3%

Figura4.Schemalogicăacreșteriitumoriihipoxice


13

ImagisticaPET/CTjoacăunrolcrucialîntratamentultumorilordecapșigâtdatorităinformațiilorpecarelepoatefurnizacuprivirelamalignitateaacestortumori,stadiultumoralși,nuînultimulrând, informațiiceprivescagresivitateatumoralăcareînmultesituațiiestestrâns legată de nivelul de oxigenare. Pentru obținerea acestor detalii, un număr de 40 deleziunimalignedecapșigât,delapaciențiscanațilaCentrulPETDiagnosztikadinOradeaaufost studiate și analizate. În urma examinării acestor imagini, s-a observat că formațiuniletumoralelocal-avansatesuntcelemainumeroase(65%).

UnparametruimportantcareafostinvestigatafostSUV(StandardisedUptakeValue).SUV nu este o mărime echivalentă cu radiodensitatea dată de unitățile Hounsfield dinimagisticaCT sau încărcareapost-contrast. Cantitateade FDG (fluoro-deoxiglucoză) care sefixează în tumoră / organism în urma injectării radiofarmaceuticului depinde demetabolismulglucidiccaracteristic fiecăruiorgan, ceeaceatragedupăsineșimodificărialeparametruluiSUV.AcestparametruspecificFDG-PETesteunindicefizico-biologiccareoferăinformațiidespreagresivitateatumoriișiactivitateametabolicătumorală.Acestlucrureieseșidinfigura5,undes-areprezentatevoluțiaSUVpre-tratamentșide-alungultratamentuluilaun pacient care a avut 4 examinări PET. Valorile SUV ridicate (și în continuă creștere de-alungul examinărilor) denotă agresivitatea tumorii și rezistența sa la tratamentul radio- șichimioterapeutic. Un astfel de comportament tumoral este adesea pus pe seama hipoxieitumorale,careîmpiedicăeficiențatratamentuluicuradiațiedatorităradiorezistențeicelulelorhipoxice și a tratamentului chiomioterapeutic datorită perfuziei neadecvate a agentuluimedicamentos.FDGpoateficonsideratastfel,unmarkeralniveluluideproliferaretumoralăinvivo.

Figura5.EvoluțiaSUVtumoralîncursulunorexaminărisuccesivealeunuipacientcutumorădecapșigâttratatcuradiațieșichimioterapie.

Valorile crescute ale SUV în cazul pacienților care prezintă tumori radiorezistenteexplică, de asemenea, efectul hipoxiei tumorale asupra metabolismului glucozei. Aceastăobservațieesteînconcordanțăcurezultatelestudiilorcliniceraportateînliteratură,conformcărora, tumorilehipoxicetindsprevaloricrescutealeSUV(>9)(Zimny2006).Tumoriledecap și gât sunt adesea hipoxice și prezintă, în afară de zona de hipoxie cronică și zone cuhipoxieacutăcaresedatoreazăblocajului temporalal capilarelor formateprinangiogenezătumorală(Marcu2014b).Acesteaprezintăunaspectneregulat,aleator,datorităinstabilitățiispațio-temporalealeregiunilorcuhipoxieacută.Cuacesteconsiderente, înmodelul insilicooxigenareacelulelordepindededistanțapână lacelmaiapropiatcapilar, iargradientulpO2stimuleazăceluleleendotelialepentruaformanoivasedesângeîndirecțiazonelorhipoxice.Datorită cineticii celulare, vasele nou formate pot fi strangulate, moment în care regiunearespectivă devine acut hipoxică. Pe acest model hipoxic se va simula, în etapa următoare,efectulradioterapiei.

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5

SUV

NumarexaminariPET


14

ian2015–dec2015Obiectivulmajoralproiectuluidefațăestecreștereainsilicoauneitumorivirtualede

cap și gât urmată de modelarea răspunsului tumoral la tratamentul cu radiație. În cadrulsimulăriirăspunsuluilaradioterapie,estenevoiedeimplementareaparametrilorcareduclacreștereaacceleratăa celulelor tumorale în timpul tratamentuluiprecumși a condițiilordeoxigenaretumorală,condițiicarepotschimbasemnificativefectulradiațieiasupratumorii. Fiindfactoricheieîncomportamentultumoriișialsuccesuluitratamentuluicuradiație- repopularea celulară și hipoxia au fost ținta cercetării și a modelării. Astfel, evoluțiaproiectuluiaurmatdouăcăi:

1. Cea de studiu și simulare a mecanismelor de repopulare celulară în decursultratamentuluicuradiație

2. Cea de studiu și simulare a proceselor legate de hipoxia tumorală și distribuțiahipoxieiîntumoră.

Pentru realizarea obiectivelor acestui an (ajustarea și validareamodelului conform datelorclinice) am realizat un studiu al efectului variației inter-pacient asupra răspunsului latratament,adicăimpactulcineticiidecreșteretumorală,ahipoxieișiafracțieidecelulestemcanceroase(CSC)asuprarăspunsuluilatratament(obiectivul1).Datorită faptului că tumorile ORL sunt puternic heterogene din punctul de vedere alconținutuluișidistribuțieihipoxice,precumșidatoritălipseiabilitățiiFDG-uluideacuantificahypoxiaînacestetumori,amefectuatometa-analizăatuturorstudiilorPET/CTpublicateînultimul deceniu care au implementat radiotrasori specifici hipoxiei pentru imagisticatumorilorORL(obiectivul2).Rezultatele/concluziileau fost folosite încontinuarepentruoptimizareașivalidareamodelului.

NevoiadecuantificareahipoxieitumoraleDatorităfaptuluicătumorilesuntentitățineomogene,avândsubpopulatiidedecelulehipoxiceradiorezistente,dozaadministratăîndecursulradioterapieiartrebuisăfieneuniformăpentruapermiteescalareadozeiînregiunilehipoxiceșireducereadozeiînzonelederadiorezistențăscăzută.Radioterapiațintităpehipoxiefoloseștetehnica‘dosepainting’avândpotențialuldeacreștedozatumoralăfărăacreștecomplicațiilețesutuluisănătos.Modelareabiologicăfolosindimagistica moleculară specifică hipoxiei este puternic încurajată pentru progresultratamentuluiindividualizatșipentruimplementareasistemelordeplanificareatratamentuluiavând bază biologică (Marcu 2014a, Jennings 2015). Astfel, se pune problema corelăriicantitativeîntreparametriiimagisticișicaracteristiciletumorale.Acestobiectivareînvederecuantificareaproprietățilorstatisticealesubvolumelortumoralehipoxice în cancerele ORL având la bază imagistica PET, precum și impactul acestorsubcategorii de celule asupra răspunsului tumorii la tratamentul chimio-radioterapeuticconvențional.Meta-analizadatelorPETavândlabazăradiotrasorispecificihipoxieitumorale(Chirla&Marcu2015)Întumoriledecapșigât(ORL),ceimaiutilizațiradiotrasorispecificihipoxieisuntF-FMISOșimairecent,F-FAZA,pecândalțimarkerutilizațipentruacestetumori,cumarfiF-FETNIM,Cu-


15

ATSM, F-EF3, F-EF5 și F-HX4, sunt reprezentați foarte slab în literatura de specialitate.MarkeriiPEThipoxicitrebuiesăseacumulezeînțesutulhipoxicșisăfieeliminațieficientdințesuturilenehipoxice. ImaginileF-FAZAprezintăunraporttumoră-semnalde fondmaimaredecât F-FMISO, datorită unei eliminări mai rapide ale trasorului din țesutul nehipoxic. Alțitrasori ce prezintă potențial în imagistica hipoxiei prin PET sunt: Cu-ATSM, F-FETNIM și F-HX4.62-Cu-ATSMprezintăcelmaibuncontrast,înmaipuținde30minutespost-injectare.EF3are o eliminare rapidă din țesutul normal comparativ cu EF5, iarmetaboliții acestui trasorcontribuiemultmaipuținlasemnaldecâtîncazulFETNIM,FAZAșiFMISO.Prin compilarea datelor clinice a sute de pacienți diagnosticați cu tumori ORL, dar încănetratați (vezi Tabelul 1), am observat că în medie 73% din totalul cancerelor ORL sunthipoxice după cum reiese din imagistica PET. Cummarea majoritate a pacienților prezintătumoriprimaresaunodale,amdeterminatfracțiilehipoxicerelativlanumărultumorilor.Table 1. Frecvența hipoxiei și impactul asupra răspunsului la tratamentul standard. În acolade s-a reprezentatnumăruldetumori/paciențiconsiderați.

TrasorPET

Fracțiade

paciențihipoxici

Fracțiade

tumorihipoxiceprimare

Fracțiade

tumorihipoxicenodale

Fracțiade

tumorihipoxice*

Fracțiadeeșecînpacienținehipoxici

Fracțiadeeșecînpaciențihipoxici

Raportuleșecurilorînpaciențihipoxici/nehipoxici

Sursa

F-FMISO 0.74{207}

0.58{113}

0.66{58}

0.54{169}

0.141{65} 0.59{97} 4.1**

LeeetalTachibanaetalKikuchietalHendricksonetalRajendranetalDirixetalRischinetalYasudaetalSatoetalZipsetalNorikaneetal

F-FAZA 0.72{79}

0.69{68}

0.57{56}

0.63{124} 0.07{14} 0.40{26} 5.7

PostemaetalGrosuetalServagi-VernatetalMortensenetal

62-Cu-ATSM - 0.60

{40} - - 0.14{16} 0.64{24} 4.7 MinagawaetalSatoetal

F-FETNIM - - - - - 0.63{19} - Lehtioetal

F-EF5 - 0.73{22} - - 0.0{6} 0.47{16} - Komaretal

F-HX4 0.70{10}

0.75{12} - - - - - Chenetal

ZegersetalTotal 0.73 0.63 0.61 0.58 0.12 0.55 4.6 Nr.tumori - 255 114 293 - - - Nr.pacienți

296 - - - 101 182 283

*Doar studii care au inclus ambele tipuri de tumori **S-au exclus pacienții tratați cu tirapazamină (agent sensibilizator al celulelor hipoxice).


16

Paciențiicutumorihipoxicetratațicuchimio-radioterapiestandardaufost, înmedie,de4,6orimaiexpușilaeșecdecâtpaciențiicutumorioxigenate.

În timpul tratamentului standard cu radiație are loc o reoxigenare celulară considerabilădupăcumseobservășiînTabelul2dincares-auexcluspaciențiicutumorinehipoxiceșis-auanalizatdateleprovenitedelapaciențicucelpuținotumorăhipoxicăORL.HV-P,HV-NșiHV-all reprezintă volumele hipoxice pentru tumorile primare, nodale respectiv ambele tipuri.Scanuriledelamijlocultratamentuluiaufostrealizate înperioadadintresfârșitulceleide-adoua săptămâni și a cincea săptămână de radioterapie, prin urmare există o variațieconsiderabilăîntrerezultate.

Tabel2.Volumulhipoxicpre-șimid-tratamentinpaciențicutumorihipoxice.Înacolades-areprezentatnumăruldetumori/paciențiconsiderați.

TrasorPET

HV-P(ml)

baselinemedia

(median)*

RaportHV-P

mediamid/preterapie

(mediana)

HV-N(ml)baselinemedia

(mediana)

RaportHV-N

mediamid/preterapie

(mediana)

HV-all(ml)

baselineaverage

(mediana)**

RaportHV-all

mediamid/preterapie

(mediana)

Raportpaciențihipoxici

mid/preterapie

Sursa

F-FMISO 8.2 (3.4) {44} - - - 15.2 (8.1)

{18} 0.07

(0.004) {8}

0.27 {92}

Choi et al Lee et al Hendrickson et al Chang et al Dirix et al Rischin et al Figueiredo et al Zips et al Bittner et al Okamoto et al Lin et al

F-FAZA 9.8 (4.5) {46}

0.23 (0.08) {14}

11.5 (3.4) {32}

0.11 (0.0) {5}

10.5 (3.8) {78}

0.17 (0.03) {23}

0.52 {23}

Grosu et al Servagi-Vernat et al Mortensen et al Bollineni et al

F-FETNIM

14.3 (4.5) {18} - 3.6 (1.4)

{9} - 10.7 (3.6) {27} - - Lehtio et al

F-EF5 6.0 (1.2) {16} - - - - - - Komar et al

F-HX4 6.5 (2.3) {6} Zegers et al Total 9.6 (3.6) 0.23 (0.08) 9.8 (2.5) 0.11 (0.0) 11.0 (4.0) 0.15 (0.01) 0.32 Deviația standard 14.1 0.30 18.6 0.16 16.5 0.24 - Gama de valori 0.1 - 78.6 0.0 - 0.91 0.1 - 96.5 0.0 - 0.35 0.02 – 96.5 0.0 – 0.91 0.11 –

0.67 Nr. tumori 121 14 41 5 129 31 - Nr. pacienți - - - - - - 115

* Doi pacienți cu HV-P > 157 ml au fost excluși ** Doar studii care au inclus ambele tipuri de tumori. Unele studii au prezentat doar cel mai mare HV.


17

În Figurile 1 și 2 sunt reprezentate distribuțiile statistice ale fracțiilor hipoxice (HF)(excluzând tumorile nehipoxice) compilate dintr-un număr mare de surse. Se observă otendință spre fracțiunimici, cândvolumul tumoralGTVestedeliniatpebaza imagisticiiCT,distribuțiaHFprezentândodescreștereexponențială,indiferentdetipuldetrasorfolositsaudeorigineatumorii(primarăsaunodală).

Figura1.Distribuțiastatisticăafracțieihipoxice(HF),măsuratăprinPETșiCT,excluzândtumorilenehipoxice,pentru: (a) F-FMISO și (b) F-FAZA pentru toate tumorile, (c) F-FAZA pentru tumorile primare și (d) F-FAZApentrutumorilenodale.


18

Figura 2. Distribuția statistică a fracției hipoxice (HF), măsurată prin PET și F-FDG PET, excluzând tumorilenehipoxice,pentru:(a)F-FMISOși(b)F-FETNIM,toatetumorile.

Nu s-a observat o corelație semnificativă între SUV maxim și volumul hipoxic fracțional(folosing delinierea prin CT) în cazul folosirii radiotrasorului F-FAZAPET. S-a găsit, însă, ocorelațieputernică(r=0.96)întrevaloareaSUVmedianăT/M(tumourtomuscleratio)șiHF,așadupăcumreiesedinFigura3.

Figure3.CorelareafracțieihipoxiceșiavaloriimedianeSUVT/M(tumoră/mușchi)măsuratăprinF-FAZAPETintumorileprimare,excluzândtumorilenehipoxice.CoeficientuldecorelațiePearson,r,esteprezentatînimagine.S-auprocesatdateledindiferitestudiirealizatecuF-FAZApentruverificarealegăturiidintreHFșivolumultumoralGTV(Figura4),fărăînsăaseobservavreocorelație.Tumorilemaimaritindsăprezinteofracțiehipoxicăsimilarătumorilordedimensiunimaimici.

Figura4. Corelarea fracției hipoxice și a volumului tumoralGTVmăsurat prinF-FAZAPET și CTpentru toatetumorile hipoxice. Coeficientul de corelație Pearson, r, este prezentat în imagine. Graficul echivalent F-FMISOducelaconcluziisimilare,dardateleprezintăostatisticămairedusă.


19

Sumar:S-aefectuatometa-analizăa tuturordatelorclinicedin literaturadespecialitatepetrasorii PET specifici hipoxiei și s-au extras datele relevante pentru statistica distribuțieivoxelilor hipoxici din imaginile PET, a comportamentului tumoral în timpul chimio-radioterapieișicorelareacurezultatultratamentului. OproporțiemaredetumoriORLsunthipoxice (vezi Tabelul 1) și cu toate că prezintă un răspuns semnificativ la tratament (veziTabelul 2), probabilitatea de eșec al tratamentului este de 4,6 orimaimare decât în cazultumorilornehipoxice.S-aanalizatdistribuția fracțieihipoxicepentrudiferiți trasoriși tipuritumorale(primarvsnodal)șis-aajunslaconcluziacăizolareavolumuluitumoralmetabolicactiv este eficient în vederea excluderii voxelilor nehipoxici din tumorile scanate. Fracțiahipoxică se corelează cu raportul median al SUV tumoră-mușchi pentru un prag T/Mprestabilit.Cutoateacestea,HFnusecoreleazăcuvolumultumoralGTV,sugerândfaptulcădimensiuneatumoralădeliniatădeCTnuinfluențeazăprocentuldevoxelihipoxici..ModeluloptimizatdetumorăORL(decapșigât)hipoxicăConsiderândrezultateledemaisus,modelulafostoptimizatpentrudiferitenivelealehipoxieiradiobiologice,delahipoxieseveră(3mmHg)pânălaoxigenare(10mmHg),cuunraportdeintensificare al oxigenului (OER) egal cu 3. Radiorezistența celulelor hipoxice a fostcuantificată prin parametrul SFhypoxic care reprezintă fracția de supraviețuire a celulelorhipoxiceșiesteexprimatăînfuncțiederaportuldeintensificarealoxigenuluișialfracțieidesupraviețuire a celulelor oxice (normoxice) corespunzătoare fiecărei faze a ciclului celular(rezultateprezentatelaThe39thARACongress,Frascati,July2015).Astfel:

SF!"#$%&' = 1−1− SF!"#$"%&'

OER

Alături de hipoxie,modelul consideră și populația de celule stem canceroase (Marcu 2004,2010,2014b,2015)(rezultateprezentatelaWorldCongressonMedicalPhysics&BiomedicalEngineering, Toronto, June 2015). Prima identificare a celulelor stem canceroase (CSC) întumorileORLestelegatădemuncaluiPrinceetal(2007)careareușitsăizolezeosubgrupădeceluleprezentândproprietățitipicecelulelordetipstem(sușe).Pânăînprezent,numărulderapoartecantitativereferitoarelaCSCîntumorileORLestefoarteredus.Rezultatelearatăcăexistădiferențesemnificative întrestudii.Astfel, înexperimentelecondusedeTangetal.(2013) proporția de CSC în diferite linii celulare ORL variază între 1.7% și 13.5%. Un altexperiment similar condus de Harper et al. (2007) a arătat că proporția de CSC în liniacelularăCaLH3estede12.3%.Acestnumăr limitatde studii cantitativealeCSC în tumorileORL pot însă asista la analiza in silico ale diferitelor efecte asupra răspunsului tumoral șicomportamentuluidintimpultratamentuluialefracțiilor/proporțiilordeCSC.Pentrustudiulvariabilitățiiinter-pacientarăspunsuluilatratament,s-audezvoltattreigrupetumoraleORLcucineticidecreșterediferite(moderată,medieșirapidă)(figura5șitabelul3)(rezultate preliminare au fost prezentate la The 15th International Congress of RadiationResearch,Kyoto,May2015).Ierarhiacelulelortumoraleareurmătorularanjament:(1)celulestemcanceroase(CSC)caresepotdivideatâtsimetriccâtșiasimetric,(2)celulediferențiate,careauoviațămaiscurtășinuauproprietățidetipstem(3)celulepasive,caresuntlocalizateînafaracicluluicelular.Carezultatalunoriterațiimultiple,s-aajunslavaloareade1.9cașiprobabilitatedediviziunesimetricăaCSCastfelcatumorainsilicosărespectecaracteristiciledecreșterealeuneitumoriORLbiologice.Cufiecaregeneraredenoicelule,atâtceluleimamecât și celulei fiice li se alocă o durată a ciclului celular. Valorile ciclului celular sunt create


20

conformuneidistribuțiigaussieneasimetricetruncatelaodeviațiestandardsprevalorilemaimicișidouădeviațiistandardsprevalorilemaimari(figura6).

Figura5.CreștereaexponențialăatreigrupedetumoriORLavândcineticidecreșterediferite.

Figura6.DistribuțiaGaussianăacicluluicelular(cct) în jurulvaloriimediipentrutumoracuoduratămedieaciclului celular de20h.Durata ciclului celular este reprezentatăpe abscisă iar numărul de celule tumoralepeordonată.Tabel1.Parametridecreșteretumoralăconformmodeluluiinsilico

Parametru Tumora1 Tumora2 Tumora3 Dateliteratură(gamavalori)[sursa]

DuratafazeiS6.67h 11h 20h

11h13.7h(7.3-37.5)[Tannock1998]

Duratamedieacicluluicelular(gamavalori) 20h

(12–36)33h

(20–60)60h

(36-108)

33h(20-60)[Forster1992]

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

0 500 1000 1500

Num

bero

ftum

ourcells

Growth1me(days)

Cells20cct Cells33cct Cells60cct


21

Timpdedublareînvolum 31d 52d 96d 45d(33-150)

[Tannock1998]Indexdemarcare(labellingindex) 4.71% 4.69% 4.67% 8%(1.2-30)

[Forster1992]Ratadediviziunecelulară(24h) 2.3% 1.3% 0.74% -

(derivatdinmodel)Procentuldecelulestemtumoralepre-tratament

5.37% 5.42% 5.36%-

(derivatdinmodel)

Factordepierderecelulară 85% 85%[Wigg2001]

S-asimulattratamentulhiperfracționatasupratumoriivirtuale(1.2Gydedouăoripezi,5zilepe săptămână, 7 săptămâni, doza totală de 84Gy) crescute în condiții diferite de hipoxie șiavândfracțiidiferitedecelulestemtumorale.Modelulinsilicoaarătatcăexistăunefectsinergeticputernicîntrehipoxiatumoralășifracțiade celule stem tumorale (rezultate preliminare au fost prezentate la ACPESM WA BranchMeeting,Perth,Australia,May2015încadruluneiprezentăriinvitate).Maimult,modelulademonstratcăcineticacreșteriitumoraleîncadrultumorilorcuaceeașihistopatologie, influențează, de asemenea, răspunsul tumorii la tratament. Astfel, tumorileORL cu creștere mai lentă, prezintă o dependență liniară cu nivelul hipoxiei / al fracțieicelulelorstemtumorale,întimpcetumorileORLcuoproliferarerapidă,prezintăocreștereexponențialăcunivelulhipoxiei/alfracțieicelulelorstemtumorale(figurile7și8).

Figura7.Interacțiuneadintrecineticadecreștereșitiparuldediviziuneacelulelorstemtumoralepentrutumorilecuhipoxieredusă(9mmHg).40

45

50

55

60

65

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%Num

berof1.2Gyfractions

fortumourkill

ProbabilityofCSCsymmetricaldivision

60cct 33cct 20cct


22

Figura8.Interacțiuneadintrecineticadecreștereșitiparuldediviziuneacelulelorstemtumoralepentrutumorilecuhipoxieseveră(3mmHg).Legenda:CSC = cancer stemcell (celule stemtumorale);cct = cell cycle time(durata cicluluicelular)

Acest comportament tumoral ar necesita teste predictive înaintea începerii tratamentuluitumorilorORLînvederearealizăriiuneiterapiipersonalizate.IV.Concluzii

Pânălamomentuldefață,proiectulși-aatinsobiectiveleprevăzute.Astfel:

• AfostdezvoltatunmodelinsilicodetipMonteCarloauneitumorivirtualedecapșigâtcuparametribiologicireali.

• Aufoststudiateși implementatemecanismelederepopulare tumoralăcareseactiveazăîntimpultratamentuluiradio-/chimioterapeutic.

• Folosind formalismul liniar-pătratic de supraviețure celulară, au fost simulatetratamentecuradiațieatâtconformtrialurilorclinicecâtșimodificate,pentruastudiasensibilitateaparametrilortratamentuluilarăspunsultumoral.

• S-astudiat,înmodseparat,răspunsulpopulațieidecelulestemșicelalcelulelordiferențiatelaefectulradiației.

• În modelul spațial de creștere tumorală s-a inclus tensiunea parțială aoxigenului,pentruailustraniveluldeoxigenarespațială.

• S-a realizat un amplu studiu clinic, pe 40 de pacienți cu tumori de cap și gâtexaminațilaPET,princares-aanalizatcorelareaSUVcuagresivitateatumorii–agresivitatecareestestrânslegatădestatutulhipoxictumoral.

• Valorile ridicate ale SUV în cazul pacienților care prezintă tumoriradiorezistente explică efectul hipoxiei tumorale asupra metabolismuluiglucozei.

• S-aarătatcăPET/CTbazatperadiotrasorulF-FGDnuoferăoanalizăcantitativăa distribuției sau nivelului de hipoxie, prin urmare este nevoie de efectuareaunorinvestigațiisuplimentarecareaulabazătrasorispecificihipoxieicumarfiF-FAZA,F-MISO,F-FETNIM,F-EF5,F-HX4șiCu-ATSM.

• S-arealizatometa-analizăatuturordatelorclinicedinliteraturadespecialitatepetrasoriiPETspecificihipoxieișis-auextrasdatelerelevantepentrustatisticadistribuțieivoxelilorhipoxicidinimaginilePET,acomportamentuluitumoralîntimpulchimio-radioterapieișicorelareacurezultatultratamentului.

0

100

200

300

400

500

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%Num

berof1.2Gyfractions

fortumourkill

ProbabilityofCSCsymmetricaldivision

60cct 33cct 20cct


23

• Imagistica PET/CT folosind trasori specifici hipoxiei are potențialul de astratificarăspunsulpaciențilorlatratamentulchimio-radioterapeutic.

• S-a arătat că fracția hipoxică se corelează într-o bună măsură cu valoareamedianăaSUVdarnuși cuvolumul tumoral, sugerând faptulcădimensiuneatumoralădeliniatădeCTnuinfluențeazăprocentuldevoxelihipoxici.

• Modelul in silico a fost optimizat pentru diferite nivele ale hipoxiei tumoraleprecumșifracțiidiferitealecelulelorstemtumorale,arătândfaptulcăexistăunefectsinergeticputernicîntreaceștidoifactori.

• Mai mult, modelul a demonstrat că cinetica creșterii tumorale în cadrultumorilor cu aceeași histopatologie, influențează, de asemenea, răspunsultumorii la tratament. Astfel, tumorile ORL cu creștere mai lentă, prezintă odependență liniară cu nivelul hipoxiei / al fracției celulelor stem tumorale, întimpcetumorileORLcuoproliferarerapidă,prezintăocreștereexponențialăcunivelulhipoxiei/alfracțieicelulelorstemtumorale.

Bazatperezultatelesus-amintite,înfazafinalăaproiectului,tumorahipoxicăvafitratatăcuoserie de scheme de radioterapie, în mare parte neconvenționale, tocmai pentru a găsiprotocolul optim de tratament al tumorilor ORL în funcție de nivelul hipoxiei și al fracțieicelulelorstemtumorale.

Referințebibliografice:

1. ChirlaR,MarcuL,PET-basedquantificationofstatisticalpropertiesofhypoxictumorsubvolumesinheadandneckcancer,PhysicaMedica(2015)(submitted)

2. Dörr W, ThreeA'sofrepopulationduring fractionated irradiation of squamous epithelia: Asymmetryloss,Accelerationofstem-celldivisionsandAbortivedivisions,IntJRadiatBiol.1997;72(6):635-43.

3. Dörr W, Modulationofrepopulationprocesses in oral mucosa: experimental results, Int J RadiatBiol.2003,79(7):531-7.

4. DörrW,Timefactorsinnormaltissueresponsestoirradiation,In:JoinerM,vanderKogelA,Basicclinicalradiobiology,4thed,CRCPress,2009.

5. ForsterG,CookeTG,CookeLD,etal.Tumourgrowthratesinsquamouscarcinomaoftheheadandneckmeasuredbyinvivobromodeoxyuridineincorporationandflowcytometry,BrJCancer1992;65(5):698-702.

6. HarperL,PiperK,CommonJ,etal.Stemcellpatternsincelllinesderivedfromheadandnecksquamouscellcarcinoma,JOralPatholMed2007;36(10):594-603.

7. Harriss-Phillips WM,Bezak E,Yeoh EK, Monte Carlo radiotherapy simulations ofacceleratedrepopulationand reoxygenation for hypoxic head and neck cancer, Br JRadiol.2011;84(1006):903-18.

8. JenningsM,MarcuL,BezakE,PET-specificparametersandradiotracersintheoreticaltumourmodelling,ComputationalandMathematicalMethodsinMedicine2015;ArticleID415923.

9. MarcuL,vanDoornT,Olver I,Modellingofpost-irradiationacceleratedrepopulationinsquamouscellcarcinomas,PhysMedBiol.2004;49(16):3767-79.

10. Marcu L, Bezak E, Modellingoftumourrepopulationafter chemotherapy, Australas Phys Eng SciMed.2010;33(3):265-70.

11. MarcuL,Harriss-PhillipsW,FilipS,Hypoxiainheadandneckcancerintheoryandpractice:aPET-basedimagingapproach,ComputationalandMathematicalMethodsinMedicine2014a,ArticleID624642.

12. Marcu L, Tumour repopulation and the role of abortive division in squamous cell carcinomas duringchemotherapy,CellProliferation2014b;47(4):318-325.

13. MarcuL,ThefirstRsofradiotherapy-orstandingontheshouldersofgiants,AustralasianPhysEngSciMed2015,38(4).

14. PrinceME, Sivanandan R, Kaczorowski A, et al. Identification of a subpopulation of cellswith cancerstemcellpropertiesinheadandnecksquamouscellcarcinoma.ProcNatlAcadSciUSA2007;104:973–978.


24

15. TangAL,Owen JH,Hauff SJ, et al.Headandneck cancer stemcells: theeffectofHPV--an invitro andmousestudy,OtolaryngolHeadNeckSurg2013;49(2):252-60.

16. Trott K (1999) The mechanisms of acceleration of repopulation in squamous epithelia during dailyirradiation.ActaOncol.38,153–157.

17. TubianaM(1988)Repopulationinhumantumours,ActaOncol.27,83–88.18. TannockIF,HillRP.Thebasicscienceofoncology,3rded.,McGraw-Hill,pp.135-165,1998.19. WiggD.Applied radiobiology andbioeffectplanning,Madison,Wisconsin,MedicalPhysicsPublishing,

2001.20. WithersHR(1993)Treatment-InducedAcceleratedHumanTumorGrowth,SeminRadiatOncol.3,135-

143.21. Zimny M, Gagel B, DiMartino E, Hamacher K, et al (2006) FDG--a marker of tumour hypoxia? A

comparisonwith [18F]fluoromisonidazole andpO2-polarography inmetastatic head andneck cancer.EurJNuclMedMolImaging33(12):1426-31.

Directorproiect,

prof.univ.dr.LoredanaGabrielaMARCU

Documents

Raport științific 2015 - fizicaoradea.ro · Raport științific 2013-2015 4 10. L. Marcu, The effect of abortive division as a repopulation mechanism on head and neck cancer radiotherapy