Determination of the intersection of metabolic volume and vascularization volume from hepatocellular carcinoma and its impact on life prolongation after Selective Internal Radiation Therapy

Abstract

Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist eine bösartige Erkrankung der Hepatozyten (Leberzellen). Patienten mit intermediärem HCC Stadium (lokal fortgeschritten ohne Metastasen) erhalten palliative Lokalbehandlungen wie etwa die Transarterielle Chemoembolisation (TACE) oder die selektive interne Radiotherapie (SIRT). Hierbei werden den Patienten winzige, radioaktive Mikrosphären über die Leberarterie in den Tumor verabreicht. Diese bestrahlen einerseits den Tumor von innen und blockieren andererseits im Falle der Verwendung von SIR-Spheres® die Kapillargefäße des Tumors, sodass dieser "ausgehungert" und das Tumorwachstum erheblich verlangsamt wird. Eine prätherapeutisch-nuklearmedizinische Untersuchung, der sogenannte Leber-Lungen-Shunt-Scan mit Technetium (99mTc albumin aggregated (MAA)), stellt sicher, dass keine dieser radioaktiven Sphären über Verbindungen von der Leber zu anderen Organen gelangen kann. Hierbei werden, ähnlich wie bei der SIRT, mit Technetium beladene Mikrosphären über einen Katheter in die Leberarterie appliziert und mit einer Einzelphotonenemissiontomographie/Computer-Tomographie (Single Photon Emissionstomography - SPECT/CT) dargestellt. Diese Analyse erlaubt, dass man Rückschlüsse auf das arteriell-durchblutete Tumorvolumen ziehen kann. Die Annahme, dass Patienten mit Tumoren, die gut vaskularisiert sind, besser von der SIRT profitieren, war Anlass und Idee dieser Arbeit. Eine volumetrische Analyse könnte hier in Zukunft ermöglichen, SIRT Kandidaten besser zu selektieren und deren Prognose präziser vorherzusagen. In dieser Studie wurde einerseits die arterielle Versorgung, dargestellt mittels Technetium-MAA-Scan, und andereseits der Cholinstoffwechsel, dargestellt duch die eine Fluoroethylcholine- Positronen-Emissions-Tomographie (FEC-PET/CT), von 24 HCC Patienten miteinander kombiniert. Die Vereinigungsmenge dieser beiden Volumina ergibt das Tumorvolumen mit erhöhter arterieller Vaskularisierung. Die dadurch gewonnenen kombinierten Volumenparameter wurden anschließend mit den Überlebensdaten der Patienten (verbliebene Tage nach der Flourcholine-PET/CT bis zum Tod) sowie deren Tumormarkerwerten (Alphafoetoprotein - AFP) vor und nach der Behandlung verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Patienten mit geringeren metabolisch-aktiven Volumina in der Regel tendenziell eine höhere Lebenserwartung haben. Grenzwertoptimierungskurven (Receiver Operating Characteristic - ROC) haben insgesamt gezeigt, dass Patienten mit einem metabolischen Volumen, das prozentuell eine hohe arterielle Blutversorgung aufweist, eine schlechtere Prognose haben als Patienten mit einem geringeren mikrovaskularisierten Tumor. Dies konnte auch mit einer multiplen logistischen Regressionsanalyse, bestehend aus mehreren unabhängigen Parametern, gezeigt werden. Jedoch sind aufgrund der geringen Patientenzahl die Einzelfaktoren in der multiplen logistischen Regressionsanalyse mit Ausnahme des hoch-vaskularisierten metabloischen Volumens nicht signifikant. Die AFP-Werte in dieser Arbeit waren in den ROC-Analysen nicht signifikant. Dies kann wiederum damit erklärt werden, dass die Probandenzahl sehr niedrig ist. Die vorliegende Arbeit zeigt das Potential dieser Methode, jedoch ist eine höhere Anzahl an Patienten notwendig, um eine quantitative Aussage treffen zu können.

Hepatocellular carcinoma (HCC) is a severe disease of the hepatocytes (liver cells). Patients with intermediate HCC (locally advanced without metastasis) receive palliative local treatments, such as the trans-arterial chemoembolization (TACE) or the Selective Internal Radiation Therapy (SIRT). This therapy, utilizing small radioactive spheres, has shown promising results in prolonging the life expectancy of patients with unresectable HCC. These particles irradiate the tumor on the one hand, and block in the case of the usage of SIR-Spheres® the tumor capillaries on the other hand, yielding in "starvation" of the tumor and, therefore, a deceleration of its progression. An important requirement for patients considering this therapy is the assessment of the hepatopulmonary shunting. Shunts facilitate access from the liver to other organs, so that particles may dislocate, causing severe damages. The evaluation is performed by a technetium (99mTc) albumin aggregated (MAA) scan, where, similar to SIRT, small radiative spheres are injected into the hepatic artery. 99mTc emits 140 keV gamma rays which can be detected by Single Photon Emission Computed Tomography/Computed-Tomography (SPECT/CT). In addition, MAA-SPECT allows also a quantitative estimation of the tumor volume, which is highly vascularized and, therefore, well blood perfused. The assumption that patients with tumors, which are highly vascularized, profit from SIRT, was the motivation of this thesis. A volumetric analysis should assist in the future the selection of possible candidates for SIRT and improve their prognosis. The aim of this thesis was the volumetric analysis of 24 patients with HCC. The vascularization of the liver was determined by MAA-SPECT/CT. The metabolic volume was determined by a Fluoroethylcholine Positron-Emission-Tomography/Computed-Tomography (FEC-PET/CT). The combined volumes of vascularization and metabolism result in a volume which is highly metabolized and vascularized. These computations were analyzed and compared with the survival data (remaining days after FEC-PET/CT till death) and the tumor marker Alpha-fetoprotein (AFP) before and after the SIRT of each patient, respectively. The results of this study suggest that patients with smaller tumor volumes have by trend an increased median survival. Receiver Operating Characteristic analyses (ROC) have shown that patients with a metabolic volume, which is highly vascularized, have a poorer prognosis in comparison with patients with low-vascularized metabolic-active tumor volumes. A multiple logistic regression analysis, comprised of several parameters confirms these results. However, these individual factors except of the metabolic tumor volume are not significant presumably due to the small number of patients. The ROC-analyses from the AFP-values were not significant in this study, again due to the low number of patients. Investigations with more patients are required for a quantitative conclusion, yet, the present thesis shows the potential of this volumetric analysis regarding prognosis and life expectancy of HCC patients.