Probing tissue microstructure in tumors and surrounding brain: diffusion weighted MRI and beyond

Abstract

Med diffusjonsvektet MR (DMR) kan vi måle vanndiffusjon i biologisk vev, og på tross av at det underliggende mikromiljøet for diffusjon er komplekst sammensatt, har enkle tilnærmingsmodeller for det diffusjonsvektede signalet vist seg effektive for å studere biologiske endringer in-vivo.

Motivasjonen for dette arbeidet var å studere den prognostiske og diagnostiske verdien av avansert DMR av glioblastompasienter som mottar stråle- og kjemoterapeutisk behandling. I lys av dette har vi testet ut hvorvidt ulike diffusjonsparametre kan brukes som biomarkører for biologiske endringer, undersøkt forbedringspotensialet til estimeringen av ulike diffusjonsparametre ved optimalisering av opptaksparametre, samt studert underliggende diffusjonsmekanismer i biologisk vev ved hjelp av en ny tilnærming av DMR-data. Denne metoden ble videre brukt for å isolere intracellulært signal i kreftceller.

Arbeidsfokus ble fordelt over tre hoved-prosjekter:

I det første prosjektet undersøkte vi effekten av å øke diffusjon-gradientoppløsning på estimering av skalare diffusjonsparametre basert på diffusjonstensor-MR (DT-MR), både i hvit og grå hjernesubstans. I tillegg ble de samme dataene tilpasset en ”aksonorienteringdistribusjonsmodell” for å evaluere om økt gradientoppløsning kan forbedre estimeringen av underliggende sekundære akson-orienteringer. Vi sammenliknet funnene for ulike diffusjonsvektinger (b = 750s/mm2 og b = 1500 s/mm2) og antall gjennomsnittsmålinger (AGM = 1 og AGM = 2, for b = 1500s/mm2). Analysene ble gjennomført med en hensikt om å tilpasse skann-parametere for optimal estimering av forskjellige diffusjons-parametere.

I det andre prosjektet studerte vi potensialet DT-MR har til å detektere strålingsinduserte endringer i ”normal” hvit hjernesubstans som funksjon av stråledose og tid i gliom-pasienter som mottar kombinert stråle- og kjemoterapibehandling. DT-MR bilder av pasientene ble tatt før terapi, hver 2. uke under terapi, samt med oppfølging hver 3. måned etter avsluttet terapi. Endringer i DT-MR skalarene fraksjonell anisotropi (FA), gjennomsnittlig diffusivitet (GD), transversal (λt og aksial (λa) diffusivitet ble sammenliknet på tvers av doseregioner, og mot en kontrollgruppe i en longitudinell analyse.

I det tredje prosjektet ble differensierende egenskaper mellom kreftvev og normalvev relatert til det begrensede diffusjonssignalet påvist i et opptak foretatt ved konstant b-verdi og varierende diffusjonstid (Δ). Hensikten var å studere effekten ulike Δ har på diffusjonssignalet fra vannmolekyler som har begrenset bevegelighet på grunn av biologiske membraner (”begrenset diffusjon”). Metoden ble testet i en xenografisk glioblastom-musemodell.

Resultatene av de ulike arbeidene kan oppsummeres med tre punkter:

• Økt diffusjonsvektet gradientoppløsning forbedrer rekonstruksjonen av sekundære aksonorienteringer, men har minimal effekt på estimeringen skalare DTI-parametere i hvit eller grå substans utover det å forbedre signal-til-støy-nivået i opptakene (opp til 30 retninger).

• Skalare DTI parametere er følsomme for globale stråledose-induserte endringer i ”normal” hvit substans, der de høyeste doseområdene viste størst effekt. Endringer var ikke målbare før etter avsluttet behandling.

• Signal med opphav fra diffunderende vannmolekyler som aktivt begrenses av cellemembraner er avhengig av Δ og cellestørrelsen, mens signalet fra de hindrede og frittdiffunderende vannmolekylene er uavhengige av Δ i konstant b-verdi eksperimenter. Denne effekten viser seg nyttig for å isolere det begrensede diffusionssignalet, og dermed identifisere kreftceller.

I dette arbeidet har vi vist at den prognostiske verdien i forskjellige DMR modaliteter er avhengig av optimaliseringen av opptaksparametre. Arbeidet har resultert i 3 artikler, derav 2 publiserte i internasjonale tidsskrifter, og ett nylig innsendt arbeid for fagfellevurdering (peer review).

The biological microenvironment is complex, yet simplified models for the diffusion behavior demonstrate effectiveness in the assessment of microstructural changes using diffusion weighted magnetic resonance imaging (DWI).

The main objective in this thesis was to investigate the diagnostic and prognostic values of various DWI derived metrics in Glioblastoma Multiforme (GBM) patients undergoing radiochemo therapy (RCT). In light of this, in addition to testing the sensitivity of DWI-derived metrics for detecting subtle biological changes, optimization of the DTI sequences was studied by testing various sampling requirements. Furthermore, the underlying diffusion mechanisms of the biological microenvironment were studied using a novel imaging approach in order to develop biomarkers for identifying cancer cells in-vivo.

The thesis is divided into 3 main projects:

In the first project, we investigated the effect of increasing the diffusion sampling resolution on the estimation of DTI derived metrics of white matter (WM) and gray matter (GM) of the brain using a traditional diffusion tensor model, as well as on the estimation of a second fiber population using a fiber orientation distribution model. The findings were compared across diffusion weighting (b = 750s/mm2 and 1500s/mm2) and the number of signal averages (NSA = 1 and NSA = 2, at b = 1500s/mm2). These analyses were performed with the objective of establishing optimal DTI sampling requirements for the estimation of various DTI-parameters.

In the second project, we investigated the potential of using DTI as a tool for early detection of radiation injury in the normal appearing white matter (NAWM) by studying changes in various DTI-derived metrics as a function of radiation dose in GBM patients undergoing RCT. DTI data was collected before-, every two weeks during, and at 2 weeks, 3 and 6 months after the completion of therapy. The DTI-derived metrics fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), transversal (λt and axial (λa) were compared across radiation dose regions and to a control group in a longitudinal study.

In the third project, restricted diffusion was quantified and differential properties related to the intracellular restricted diffusion signal between normal and GBM tissue were demonstrated in a constant b-value and multiple diffusion time (Δ) experiment using a Xenograft GBM mouse model.

The main findings of our research can be summarized with the following statements:

• Increased gradient resolution improves reconstruction of secondary fiber tract pathways, but has minimal effect on GM- and WM-FA and –MD beyond improving the signal-to-noise ratio (SNR) up to 30 diffusion gradient directions.

• Scalar DTI parameters such as WM-FA, WM-MD, WM-λt and WM-λa can detect early global changes in the NAWM related to radiation therapy, but are not sensitive enough to detect changes at the critical phase during therapy, i.e. when termination or adjustments to protocol would still be an option.

• The restricted diffusion signal is dependent on Δ and the cellular diameter, which can be utilized to identify GBM tumor cells in-vivo.

The work presented in this thesis demonstrates how different aspects of the prognostic value of various DWI modalities are closely related to the sampling optimization. The work has resulted in 2 published papers and 1 paper submitted for publication.