Quantitative Analysis of Vascular Function in Malignant Tumours

Abstract

Sammendrag: Formålet med denne avhandlingen var å undersøke den vaskulære funksjonen i ondartede svulster ved hjelp av histologiske og immunohistokjemiske (IHC) snitt og se etter assosiasjoner med magnetresonanstomografi (MR) og klinisk-patologiske parametere. Den vaskulære funksjonen av ondartede svulster er kjent for å ha en sterk innflytelse over kreft sin respons på kjemoradioterapi (CRT), og mye av dette tilskrives tumorhypoksi og reduksjon av strålingseffektivitet gjennom oksygeneffekten. Det finnes for øyeblikket ingen metoder som er anvendelige i klinisk praksis for å vurdere tumorhypoksi. MR har blitt foreslått som en potensiell ikke-invasiv avbildningsmodalitet som kan vurdere tumorhypoksi og MR-maskiner er allerede i omfattende klinisk bruk. For å studere validiteten av dataene fra en MR kan man bruke IHC-bilder. Bilder fra histologiske- og IHC-snitt har vært brukt til å studere svulster i en hvis tid, men de ulike metodene som brukes av ulike forskningsgrupper gjør at resultatene er vanskelige å sammenligne. Som et resultat av disse problemene har det blitt utviklet automatiserte dataprogrammer.

103 pasienter med endetarmskreft gjennomgikk statisk $T_2^*$-vektede MR og dynamisk sensitivitetskontrast (DSC) MR før de fikk CRT og kirurgi. Statisk $R_2^*$ (den resiproke av $T_2^*$) ble kalkulert fra de $T_2^*$-vektede bildene. Tidskurver for dynamisk $R_2^*$ ble funnet fra DSC-dataene, før toppverdi ($R_2^*$-peak$_{enh}$) og arealet under kurven ($R_2^*$-AUC) ble kalkulert. MR-dataene ble deretter korrelert med klinisk-patologiske parametere. Studien av IHC parameterne fokuserte på digitaliserte bilder av histologiske og IHC prøver. De undersøkte parameterne ble generert gjennom et automatisert dataprogram utviklet i Matlab. Bildene fra 39 pasienter ble analysert and parametere ble generert. Resultatet fra IHC bildene ble korrelert med MR-dataene og de klinisk-patologiske parametere.

I analysen av MR-dataene ble det funnet signifikante resultater for $R_2^*$-peak$_{enh}$ og $R_2^*$-AUC. Fire signifikante resultater ble funnet for parameteren $R_2^*$-AUC ($0.008-0.047$). Intervaller med høyere tider hadde flere signifikante resultater enn de lavere tidsintervallene. $R_2^*$-peak$_{enh}$ ble funnet til å korrelere med pN ($p=0.024$). Fra korrelasjonen mellom IHC data og MR data, ble det funnet at microåre tettheten (MVD)($p=0.037$), interkapilær distanse (ICD)($p=0.004$) og årestørrelse ($p=0.008$) hadde signifikante korrelasjoner med $R_2^*$. Årestørrelsen ble også korrelert med $R_2^*$-peak$_{enh}$ ($p=0.034$) og mange sterke trender ble funnet for andre parametere. Mange av parameterne som har blitt foreslått som prognostiske faktorer i litteraturen viste gode trender mot signifikans eller var signifikante.

For å konkludere, så fant denne avhandlingen en håndfull med signifikante resultater og de fleste synes å være i tråd med hva som har blitt indikert i litteraturen. Allikevel, det lave antallet av pasienter gjør det vanskelig å trekke noen klare konklusjoner basert på resultatene. Studier med større pasientgrupper burde gjennomføres for å verifisere at resultatene i denne avhandlingen er korrekte og en større mengde signifikante resultater burde bli funnet da. Til slutt, denne avhandlingen har demonstrert bruken av automatiserte dataprogrammer i analysen av IHC bilde. Dette burde være hoved metoden for å studere IHC bilder i framtiden for å forsikre at like metoder blir brukt når forskere vil sammenligne resultater. I tillegg, fjerner det automatiserte systemet subjektiv subjektiv vurdering fra prosessen og gjør at større mengder data kan bli analysert.

Abstract: The purpose of this thesis was to investigate the vascular function of malignant tumours using histological and immunohistochemical (IHC) sections and look for associations with magnetic resonance imaging (MRI) and clinicopathological parameters. The vascular function of malignant tumours is known to have a strong influence on the tumours response to chemoradiotherapy (CRT) and much of this is attributed to tumour hypoxia and its reduction of radiation effectiveness through the oxygen effect. There is currently no methods applicable in the clinical setting to assess tumour hypoxia. MRI has been proposed as a potential non-invasive imaging modality that could assess tumour hypoxia and MRI machines are already in widespread clinical use. To study the validity of the data from an MRI the study of IHC images could be used. Images from histological and IHC sections have been used to study tumour vasculature for some time, but the varying methods used by different research groups make the results hard to compare. As a result of these problems automated computer programs have been developed.

$103$ patients with rectal cancer underwent static $T_2^*$-weighted MRI and dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI before CRT and surgery. The static $R_2^*$ (the reciprocal of $T_2^*$) was calculated from the $T_2^*$-weighted images. Dynamic $R_2^*$ time curves were derived from the DSC data, before the peak value ($R_2^*$-peak$_{enh}$) and the area under the curve ($R_2^*$-AUC) were calculated. The MRI data was then correlated with clinicopathological parameters. The study for the IHC parameters focused on digitized images of histological and IHC samples. The investigated parameters are obtained through an automated computer program developed in Matlab. The IHC analysis was performed on a substudy of 39 of the patients in the total cohort, the images were analysed and parameters were generated. The results from the IHC images were correlated with the MRI data and clinicopathological parameters.

In the analysis of the MRI data, significant results were found for $R_2^*$-peak$_{enh}$ and $R_2^*$-AUC. Four significant results were found for the parameter $R_2^*$-AUC ($p=0.008-0.047$). High time intervals had higher amounts of significant results than the lower ones. $R_2^*$-peak$_{enh}$ was found to correlate with nodal metastasis ($p=0.024$). From the correlation between IHC data and MRI data, the parameters microvessel density (MVD) ($p=0.037$), inter capillary distance (ICD)($p=0.004$) and vessel size ($p=0.008$) were found to be significantly correlated with $R_2^*$. Vessel size was also correlated with $R_2^*$-peak$_{enh}$ ($p=0.034$) and several strong trends for other parameters were also found. Many of the parameters that have been suggested as prognostic factors in the literature showed good trends towards significance in the analysis or were significant.

In conclusion this thesis found a handful of significant results and most seem to be in line with what is indicated in the literature. However the small number of patients makes it difficult to draw any clear conclusions based on the results. Studies with larger patient groups should be done to verify that the results are indeed correct and a larger quantity of significant results, is then likely to be found. Finally, this thesis has demonstrated the use of an automated computer program in the analysis of IHC images. This should be the main method for studying IHC images for the future to ensure that similar methods were used when researchers want to compare results. Additionally the automated system removes any subjective bias from the process and enables larger amounts of data to be analysed.