Funktionelle Bildgebung der Vaskularisation und Perfusion des Prostatakarzinoms mit dynamischer MRT: Korrelation mit morphometrischen Parametern

Abstract

In den westlichen Industrieländern ist das Prostatakarzinom das häufigste Malignom beim Mann und das am zweithäufigsten zum Tode führende Tumorleiden des Mannes. Die bisher einzige Möglichkeit, ein Prostatakarzinom frühzeitig zu diagnostizieren, ist die histologische Untersuchung von Prostatagewebe. Eine sichere Differenzierung des Prostatakarzinoms gegenüber gesundem und gutartig verändertem Prostatagewebe anhand klinischer Untersuchungen, Laboranalysen und bildgebender Verfahren ist bislang nicht möglich. Dies führt zu einer erschwerten Detektion des Tumorareals für die Prostatabiopsie und damit bei einem größeren Teil der Patienten zu falsch negativen histologischen Befunden. Zielsetzung dieser Arbeit war die Etablierung eines Rattenmodells zur Differenzierung eines langsam wachsenden, orthotop implantierten Prostatakarzinoms gegenüber gesundem Drüsengewebe der Prostata an einem klinischen 1,5 Tesla MR-Ganzkörpertomographen mittels kontrastmittelgestützter dynamischer MRT. Ein weiteres Ziel war die Untersuchung der MRT als Methode zur Blutvolumenbestimmung von Prostatakarzinom und gesundem Prostatagewebe. Die vorliegende Arbeit ist die erste Studie, in der die Perfusionsparameter interstitielles Volumen, Permeablilitäts-Oberflächenprodukt, normalisierte Permeabilität und relatives Blutvolumen von Prostatakarzinom und gesundem Prostatagewebe mittels MRT bestimmt und zudem mit histologischen Vaskularisationsparametern korreliert wurden. Erfolgreich eingesetzt wurde das Tumormodell des G-Dunning Rattenprostatakarzinoms. Die Tumorinduktion erfolgte an 17 Copenhagen-Ratten durch orthotope Implantation von jeweils 1 × 106 Tumorzellen. Die MRT-Untersuchungen erfolgten 56 bis 60 Tage nach der Tumorzellimplantation mittels nativer T1-gewichteter SE und T2-gewichteter TSE sowie einer T1-gewichteten GRE-Sequenz für die kontrastmittelgestützten Untersuchungen. Verwendet wurden ein extravasierendes niedermolekulares Gd- haltiges Kontrastmittel (Gadodiamid) für die dynamischen Messungen sowie ein lang anhaltend intravasal verbleibendes eisenoxidpartikelhaltiges Kontrastmittel (VSOP-C 184) zur Blutvolumenbestimmung. Nach Durchführung der dynamischen Messungen wurden Kurven der Signalintensität in Abhängigkeit von der Zeit in Tumor und gesundem Gewebe generiert und quantitativ mittels pharmakokinetischer Modellierung ausgewertet. Die Bestimmung der relativen Blutvolumina von Tumor und gesundem Prostatagewebe erfolgte aus dem Verhältnis des Signalintensität sanstieges nach der Gabe von VSOP-C 184 und der Signalintensität im Vollblut der Tiere. Für die anschließende histologische und morphometrische Auswertung von Tumor und gesundem Prostatagewebe wurden eine H&amp;E-F;ärbung, eine modifizierte van Gieson-Färbung ohne Kernfärbung sowie eine Markierung der Gefäßendothelien mittels BSL I eingesetzt. In den nativen T2-gewichteten MRT-Bildern stellten sich die Tumoren bei allen Tieren, als hypointense Areale gegenüber dem gesunden Prostatagewebe und somit gleich einem humanen Prostatakarzinom dar. Die durchschnittliche Tumorgröße in der MRT lag in der axialen Schicht bei 10,93 mm² und zeigte eine hohe Korrelation (r = 0,75; p < 0,001) mit den Ergebnissen der histologischen Untersuchung. In den dynamischen MRT-Messungen zeigte sich ein deutlich beschleunigter sowie ein erhöhter Anstieg der Signalintensität im Tumor gegenüber dem gesunden Prostatagewebe. Das interstitielle Volumen und das Permeabilitäts- Oberflächenprodukt im Tumor waren gegenüber dem gesunden Prostatagewebe um 482 % (p<0.001) und 439 % (p<0.001) signifikant erhöht. Die in dieser Arbeit erstmals sowohl in der MRT als auch histologisch bestimmten interstitiellen Volumina weisen darauf hin, dass die Diffusionsstrecken in gesundem Prostatagewebe zu groß sind, um eine Verteilung des MRT-Kontrastmittels im gesamten Interstitium zu gewähren. Die Folge ist eine deutliche Unterschätzung des interstitiellen Volumens in MRT-Messungen, selbst mit einem stark extravasierenden Kontrastmittel. Die weiteren Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Permeabilitäts-Oberflächenprodukts im Tumor gegenüber dem gesunden Prostatagewebe in einer verstärkten Perfusion, bedingt durch ein erhöhtes Blutvolumen liegt und nicht, wie teilweise vermutet, in einer erhöhten Gefäßpermeabilität. Die ermittelten relativen Blutvolumina im Tumor lagen sowohl in der MRT mit 1,71 % zu 0,69 % als auch in den histologischen Schnitten mit 1,03 % zu 0,69 % signifikant über denen des gesunden Prostatagewebes. Die Gefäßanordnung im Gewebe zeigte viele kleine Gefäße im Tumor gegenüber wenigen Gefäßen mit einem größeren Durchmesser im gesunden Prostatagewebe. Dies könnte auf einen stärkeren Protonenaustausch im Tumor hindeuten und somit die im Tumor größere Überschätzung des Blutvolumens in der MRT im Vergleich zum gesunden Prostatagewebe erklären. In der vorliegenden Arbeit ist es erstmals gelungen, ein Rattenmodell zu etablieren, welches dazu geeignet ist, sowohl mit quantitativer Analyse von dynamischen MRT-Daten als auch durch eine Blutvolumenbestimmung in der MRT mittels eines lang anhaltend intravasal verweilenden Kontrastmittels ein kleines, langsam gewachsenes, orthotopes Prostatakarzinom von gesundem Drüsengewebe der Prostata zu differenzieren. Eine Anwendung der hier verwendeten MRT-Techniken beim Menschen könnte in Zukunft dazu dienen, die Differenzierung des Prostatakarzinoms gegenüber gesundem Prostatagewebe sowie seinen Differentialdiagnosen, wie der Prostatitis oder der benignen Prostatahyperplasie, zu verbessern.

Prostate cancer is still the most common malignant tumor in men in Western countries and the second most common cause of cancer death in men. Histological examination is currently the only method that enables early diagnosis of prostate cancer. Clinical examination, laboratory tests, and imaging techniques do not allow reliable differentiation of prostate cancer from normal prostate tissue or benign processes. The lack of a reliable diagnostic tool may lead to a false-negative histological diagnosis in some patients because suspicious areas are missed by prostate biopsy. The aim of this study was to establish a rat model for the differentiation of slow- growing, orthotopically implanted prostate cancer from healthy prostate tissue by means of contrast-enhanced dynamic magnetic resonance imaging (MRI) on a 1.5-Tesla clinical whole-body scanner. Another aim was to test the capability of MRI in determining the blood volume of prostate cancer and healthy prostate tissue. This is the first study that uses MRI to determine the perfusion parameters interstitial volume, permeability surface area product, normalized permeability, and relative blood volume in prostate cancer and healthy prostate tissue and correlates the results with histologic parameters of vascularization. The tumor model successfully used in this study was the G-Dunning rat prostatic cancer. Tumors were induced in 17 Copenhagen rats by means of orthotopic implantation of 1 × 106 tumor cells per animal. The MRI studies were performed 56 to 60 days after tumor cell implantation using unenhanced T1-weighted SE and T2-weighted TSE sequences and a contrast- enhanced T1-weighted GRE sequence. Two contrast agents were used, an extravasating low-molecular-weight gadolinium-based contrast agent (gadodiamide) for dynamic studies and an iron oxide particle agent (VSOP-C 184) with a long intravascular residence time for blood volume determination. Following dynamic MRI, signal intensity-time curves were generated for tumor and healthy prostate tissue and quantitatively analyzed using a pharmacokinetic model. The relative blood volumes of tumor and healthy prostate tissue were determined from the ratio of the signal intensity increase after VSOP-C 184 administration and the signal intensity of whole blood. The tissue specimens for histologic and morphometric analysis of tumor and prostate tissue were prepared using H&amp;E; and modified Van Gieson stain without nuclear staining and labeling of the vascular endothelium with BSL I. The unenhanced T2-weighted MR images depicted the tumors as low-signal- intensity areas relative to normal surrounding prostate tissue in all rats, which corresponds to the signal pattern of human prostate cancer. The mean tumor size determined on axial MR images was 10.93 mm² and highly correlated (r = 0.75; p < 0.001) with the results of the histological determined size. On contrast-enhanced dynamic MRI the tumors enhanced much earlier and more intensely than healthy prostate tissue. The interstitial volumes and permeability-surface area products of the tumors were significantly higher compared with normal prostate tissue (482 % and 439 %, respectively; both p<0.001). The interstitial volumes, which were determined in the present study for the first time using both MRI and histology, suggest that the diffusion pathways in healthy prostate tissue are too long for distribution of the MR contrast agent throughout the interstitial space. As a consequence, MRI markedly underestimates interstitital volume even if a contrast agent with pronounced extravasation is used. The results show that the higher permeability surface area product of prostate tumors compared with normal prostate tissue is due to increased perfusion secondary to an increased blood volume rather than an increased vessel permeability, as suggested by some investigators. The relative tumor blood volumes determined by MRI and histologic examination were significantly higher than in healthy prostate tissue (1.71 % versus 0.69 % and 1.03 % versus 0.69 %, respectively). Analysis of vascular patterns revealed many small vessels in the tumor while there were fewer but larger vessels in the normal prostate. These patterns might suggest a higher proton exchange rate in prostate tumors and possibly explain the greater overestimation by MRI of the tumor blood volumes compared with normal prostate tissue. This study for the first time established a rat model that can be used to differentiate slow-growing orthotopic prostate cancer from healthy prostate tissue by using quantitative analysis of dynamic MRI data as well as MRI blood volume determination following administration of a contrast agent with a long intravascular half-life. The MRI technique investigated here might in the future improve the differentiation of prostate cancer from healthy prostate tissue and from the differential diagnosis of prostate cancer such as prostatitis or benign prostate hyperplasia in humans.