Quantitative imaging biomarkers to characterize the tumor microenvironment in liver tumors for tumor detection and therapy response assessment

Abstract

Purpose: These studies aimed to employ multiparametric MRI (mpMRI) to establish non-invasive, quantitative imaging biomarkers for the early detection of solid liver tumors and the characterization of tumor- and therapy-associated microenvironmental tumor alterations. Methods: 39 New Zealand White rabbits with orthotopically implanted VX2 liver tumors were subjected to diagnostic study arms (N=30) or underwent drug-eluting bead transarterial chemoembolization (DEB-TACE) with either 40µm (N=5) or 100µm (N=4) idarubicin-loaded Oncozene® microspheres. 3T mpMRI was performed 14, 21, and 28 days following tumor implantation in the diagnostic study groups including a MOLLI sequence for native T1 mapping and a gadobutrol-based and elastin-specific, molecular MRI contrast agent (ESMA, N=12) to evaluate the extracellular matrix. In the treatment arm, mpMRI was performed 24-72h post-TACE and included dynamic contrast-enhanced (DCE) MRI, diffusion-weighted imaging (DWI), and biosensor imaging of redundant deviation in shifts (BIRDS) assessing the extracellular pH (pHe). Laboratory parameters and ex-vivo analysis included histopathological and histochemical staining, fluorescence confocal microscopy, and element-specific, laser ablation inductively coupled mass spectrometry (LA-ICP-MS) for gadolinium-bound elastin contrast distribution. Results: Native T1 mapping accurately distinguished the viable tumor rim from the partly necrotic tumor center and peritumoral surrounding (F(1.43,34.26) = 106.93, P<0.001). MpMRI using the elastin-specific contrast agent demonstrated a superior discrimination of the different tumor regions compared to gadobutrol (χ²(4) = 65.87; P<0.001) and significantly correlated with elastin fiber depositions quantified in histopathology (R = 0.84, P<0.001) and LA-ICP-MS (R=0.73, P<0.01). Embolized tumors demonstrated a devascularization of the previously hyper-enhanced, viable tumor rim in DCE-MRI (mean arterial enhancement [%] 8 ± 12 vs. controls 36 ± 51, P=0.07) as well as post-procedural increases in diffusion in DWI (apparent diffusion coefficient [x10-3mm2/s] 1.89 ± 0.18 vs. liver 2.34 ± 0.18, P=0.002) in both microsphere sizes. BIRDS demonstrated profound tumor acidosis pre- (mean pHe tumor 6.79 ± 0.08 vs. liver 7.13 ± 0.08, P=0.02), and post-TACE (tumor 6.8 ± 0.06 vs. liver 7.1 ± 0.04, P=0.007). The therapeutic effects quantified by mpMRI were confirmed in laboratory analyses and histopathology in both microsphere diameters. Conclusions: The combination of different, quantitative, non-invasive imaging biomarkers in mpMRI allows for a reliable characterization and quantification of the tumor and tumor microenvironmental alterations and therapy-related changes following DEB-TACE. Therefore, mpMRI may be used to detect liver tumors in earlier stages and predict tumor response to locoregional therapies.

Zielsetzung: Ziel der Studien war die Etablierung nicht-invasiver, quantitativer Prädiktoren mittels multiparametrischer MRT (mpMRT) für eine frühere Identifizierung solider Lebertumoren und Charakterisierung tumor- sowie therapie-assoziierter Veränderungen des Tumormikromilieus. Methodik: 39 weiße Neuseeländer Kaninchen mit orthotop implantierten VX2 Lebertumoren wurden entweder in diagnostische Studienarme randomisiert (N=30) bzw. durchliefen transarterielle Chemoembolisation mit Idarubicin-beladenen Oncozene® Mikrosphären in einem Durchmesser von 40µm (N=5) oder 100µm (N=4). Im diagnostischen Studienarm erfolgte die 3T mpMRT 14, 21 und 28 Tage nach Tumorimplantation und beinhaltete neben einer MOLLI Sequenz für T1 Mapping die Applikation eines Elastin-spezifischen MRT-Kontrastmittels (ESMA, N=12) zur Beurteilung der extrazellulären Matrix. In der Therapiegruppe erfolgte die mpMRT 24-72h post interventionell und beinhaltete neben dynamischen, kontrastverstärkten (DCE-MRT) und Diffusions-gewichteten (DWI) MRT-Sequenzen eine Biosensor imaging of redundant deviation in shifts (BIRDS) Sequenz zur Beurteilung des extrazellulären pHs (pHe). Die laborchemische und ex-vivo Analyse umfasste histopathologische und immunhistochemische Färbungen, konfokale Fluoreszenz-Mikroskopie sowie die Elementen-spezifische Laserablations Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) zur Bestimmung der Elastin-spezifischen Kontrastmitteldistribution. Ergebnisse: Im nativen T1 Mapping gelang eine Unterscheidung zwischen dem vitalen Tumorrand, dem partiell nekrotisierten Tumorkern und der peritumoralen Umgebung (F(1,43; 34,26) = 106,93, P<0,001). Die Anwendung von ESMA ergab eine verbesserte Abgrenzbarkeit der einzelnen Tumorregionen im Vergleich zu Gadobutrol (χ²(4) = 65,87; P<0,001) und korrelierte mit der histopathologisch (r=0.84, P<0.001) und mittels LA-ICP-MS gesicherten (r=0,73, P<0,01) extrazellulären Elastinakkumulation. Embolisierte Tumore zeigten eine Devaskularisierung des zuvor hyperenhancenden Tumorrandes in der DCE-MRT (mittleres arterielles Enhancement [%] 8 ± 12 vs. Kontrollen 36 ± 51, P=0,07) sowie eine Zunahme der Diffusionskapazität in DWI (apparenter Diffusionskoeffizient [x10-3 mm2 /s] 1,89 ± 0,18 vs. Leber 2,34 ± 0,18, P=0,002) in beiden Mikrosphärengrößen. BIRDS zeigte eine deutliche Tumorazidose prä- (mittlerer pHe Tumor 6,79 ± 0,08 vs. Leber 7,13 ± 0,08, P=0,02) und post-therapeutisch (Tumor 6,8 ± 0,06 vs. Leber 7,1 ± 0,04, P=0,007). Die mittels der mpMRT quantifizierten Therapieeffekte korrelierten mit den Labor- und histopathologischen Analysen in beiden Mikrosphärendurchmessern. Schlussfolgerung: Die Kombination aus unterschiedlichen, quantitativen, nicht-invasiven Prädiktoren in der mpMRT erlaubt, den Tumor und die Tumormikroumgebung verlässlich zu charakterisieren sowie therapiebezogene Veränderungen zu quantifizieren. Dies ermöglicht, Lebertumore in früheren Stadien zu detektieren und das Therapieansprechen nach lokoregionären Therapien vorauszusagen.