PLoS ONE: Forholdet mellem tilsyneladende diffusionskoefficient og Tumor cellularitet i Lung Cancer

Abstrakt

Baggrund og formål

For at prospektivt undersøge forholdet mellem den tilsyneladende diffusionskoefficienten (ADC) og cellularitet i lunge kræft.

Metoder

Sixty patienter histopatologisk bekræftet med lungekræft (41 mænd, 19 kvinder) gennemgik diffusion-vægtet magnetisk resonans af brystet (med

b-værdier

af 50 og 1000 s /mm

2). Den mediane betyde ADC (ADCmean) værdi og median minimum ADC (ADCmin) værdi inden hver primær tumor blev beregnet og sammenlignet med en median nucleo-cytoplasmatisk forhold (NCR), som blev udvalgt til at repræsentere cellularitet. Sammenhængen mellem NCR og ADCmean /ADCmin blev beregnet med SPSS 18.0 software.

Resultater

De gennemsnitlige ADCmean værdier, ADCmin værdier og median NCR var (1,07 ± 0,12) × 10

-3 mm

2 /s, (0,86 ± 0,14) × 10

-3 mm

2 /s, og (14,9 ± 2,6)% henholdsvis i adenocarcinom; (0,88 ± 0,10) × 10

-3 mm

2 /s, (0,73 ± 0,12) × 10

-3 mm

2 /s, og (20,6 ± 4,4)% henholdsvis i pladecellecarcinom; og (0,89 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /s, (0,67 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /s, og (18,3 ± 3,5)%, henholdsvis i småcellet lungecancer. NCR af pladecellecarcinom og småcellet lungekræft er større end den for adenocarcinom (P 0,01 og P = 0,002, henholdsvis). Der var et omvendt forhold mellem ADCmean /NCR og ADCmin /NCR (r = -0,60, P = 0,001 og r = -0,47, P 0,001 henholdsvis).

Konklusion

Der er en signifikant omvendt forhold mellem tumor cellularitet og ADC i lungekræft. Men tumor cellularitet sandsynligvis ikke er den eneste determinant af ADC

Henvisning:. Chen L, Zhang J, Chen Y, Wang W, Zhou X, Yan X, et al. (2014) Forholdet mellem tilsyneladende diffusionskoefficient og Tumor cellularitet i lungekræft. PLoS ONE 9 (6): e99865. doi: 10,1371 /journal.pone.0099865

Redaktør: Michael R. Emmert-Buck, National Cancer Institute, National Institutes of Health, USA

Modtaget: Marts 9, 2014 Accepteret: 16 maj 2014; Udgivet: 11 juni 2014

Copyright: © 2014 Chen et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed:. Det forfattere bekræfter, at alle data, der ligger til grund resultaterne er fuldt tilgængelige uden restriktioner. Alle data er inkluderet i papiret

Finansiering:.. Disse forfattere har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

Konkurrerende interesser:. Alle forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikt

Introduktion

Lungekræft omfatter næsten 25% af alle kræftdødsfald i verden, og dens forekomst er steget dramatisk i de sidste par år [1]. Rettidig og nøjagtig påvisning og vurdering af tumor stadie i lungekræft spiller en afgørende rolle i planlægningen af ​​relevant behandling og bestemmelse af prognosen.

Diffusion-vægtet imaging (DWI), der sporer den mikroskopiske sats på vand diffusion inden væv , er et nyt middel til overvågning tumor progression og reaktion på behandlingen. Fordi det giver oplysninger om væv cellularitet og integriteten af ​​cellemembraner, DWI har fordele i forhold til traditionelle anatomiske MRI teknikker [2]. Med fremkomsten af ​​den parallelle billeddannelsesteknik og ekko-plane MR-billeddannelsesteknikker, DW billeddannelse af maven og brysthulen er blevet mulig med hurtig billedoptagning, hvilket minimerer effekterne af brutto fysiologisk bevægelse fra respiration og hjerte bevægelse [2]. Forskellige tumorvæv har forskellige cellulære strukturer, der fører til forskellige ADC-værdier. Tidligere undersøgelser

in vitro

[3], [4] og i dyremodeller [5], [6] viste, at ADC værdi stærkt er omvendt korreleret med tumor cellularitet og kunne anvendes til at forudsige tumorklassificering og respons på behandlingen. For nylig, en systematisk gennemgang og meta-analyse [7] baseret på aktuelt tilgængelige beviser understøtter også dette synspunkt i patienter. Traditionelt har anvendelsen af ​​DWI til evaluering af brystet været begrænset af hjerte- og respiratorisk bevægelse, som forårsager alvorlige bevægelse artefakter. Med udviklingen af ​​multikanal magnetisk resonans udstyr, og hurtige MR billeddannelsesteknikker i kombination med parallelle billeder i de sidste ti år, DWI integreret med brystet MRI har stigende anvendes i klinisk praksis [2], [8]. Det er blevet rapporteret, at DWI er i stand til effektivt at evaluere terapeutisk effektivitet efter behandling [9]. Endnu mere, det også kan skelne lymfeknuder med metastatisk lungekræft fra dem uden [10], [11], central lungekræft fra dets tilhørende atelektase [12], og maligne ensomme pulmonale knuder fra godartede dem [13]. Men indtil nu har der kun været få undersøgelser, der har diskuteret, om dette er sandt i patienter med lungecancer [2].

Således formålet med vores undersøgelse var at prospektivt vurdere, om der er en sammenhæng mellem ADC og histopatologiske tumor cellularitet i lungekræft.

Materialer og metoder

Patienter

Medical Research Ethics Committee i den tredje Military Medical University (Chongqing, Kina) revideret og godkendt den foreliggende undersøgelse. Skriftligt informeret samtykke blev opnået fra hver deltager før undersøgelsen. Mellem februar 2012 og april 2013 blev 79 konsekutive patienter, der mistænkes for at have lungekræft vurderet for berettigelse, hvis læsioner i størrelse var 20 mm. Størrelsen af ​​læsionerne blev målt på CT. Tres patienter (41 mænd, 19 kvinder) histopatologisk bekræftet med lungekræft blev inkluderet (figur S1). Den primære tumor diametre var 2,4 ~ 13,7 cm, betyder (4,9 ± 0,9) cm.

MR Imaging og DWI Metrics Måling

Alle MR-billeddannelse blev udført på en 3,0 Tesla scanner (Trio Tim, Siemens, Erlangen, Tyskland) i kombination med en 8 kanals fase-array spole. DWI blev opnået ved fri vejrtrækning [14]. DWI sekvenser blev udført med 5000/72 (gentagelse tid msek /ekkotid msek), en sektion tykkelse på 4 mm, et skæringspunkt spalte på 0,8 mm, og et synsfelt på 400 × 400 mm. Tre signaler blev erhvervet pr billede med diffusions-sensibiliserende gradienter i tre ortogonale planer og b-værdier på 50, og 1000 sek /mm

2 under fri vejrtrækning. For at minimere indflydelsen af ​​respiratorisk bevægelse på datakvalitet, blev taget to tilgange: (1) respiratorisk træning, og (2) styret fri vejrtrækning (instruktioner fra imaging radiograf). Fedt blev undertrykt ved at placere en frekvens-selektiv radiofrekvens puls før pulssekvensen. Alle ADCs (ADCmean, ADCmin) blev målt ved to brystet radiologer med 8 og 11 års erfaring. I skitserer investeringsafkast for måling af DWI målinger, vi har forsøgt at trække på den faste del af tumorer ved billeddannelse af CT-vejledt biopsi (Siemens Plus 4), se Figur 1-3.

A, CT-vejledt biopsi; B, T2WI-TIRM; C, ADC kort og ROI, hvor der er målt ADC’er er illustreret, 1 = ROI; D, svarende histopatologiske resultater for tumorprøven (original forstørrelse, HE × 400)

A, CT-vejledt biopsi.; B, T2WI-TIRM; C, ADC kort og ROI, hvor der er målt ADC’er er illustreret, 1 = ROI; D, svarende histopatologiske resultater for tumorprøven (original forstørrelse, HE × 400)

A, CT-vejledt biopsi.; B, T2WI-TIRM; C, ADC kort og ROI, hvor der er målt ADC’er er illustreret, 1 = ROI; D, svarende histopatologiske resultater for tumorprøven (original forstørrelse, HE × 400).

Tumor cellularitet Analyse

Histopatologiske prøver blev belagt med standard mærkning blæk (Hematoxylin-Eosin Farvning Kit , Beyotime, Jiangsu, Kina) og fikseret i 10% bufferet formaldehyd i 24 timer. De histopatologi Resultaterne var standarden for henvisning til analyse af cellularitet. Alle histopatologiske prøver blev gennemgået af en histopatolog med 20 års erfaring i histopatologi

Tumor cellularitet blev beregnet ud fra 5 vilkårligt udvalgte high-power felter i hver prøve ved hjælp af et computerprogram (ImageJ,. National Institutes of Health, Bethesda , MD) og følgende algoritme: først blev digitaliseret høj effekt × 40 objektive) felter (taget fra de oprindelige mikroskopiske billeder med en 512 × 512 display matrix og 8-bit gråtoner, der blev opnået ved hjælp af et digitalt mikroskop kamera ( Olympus DP12, Olympus Tokyo, Japan). Binære billeddata blev derefter afledt af prøven billeder ved hjælp af en tærskelværdi estimeret ud fra histogram analyse af prøven billeder. Endelig softwaren beregnede cellularitet baseret på antallet af særskilte prikker produceret af den binære procedure. Den automatiserede optælling system udført til inden for 5% tolerance i alle prøver. De automatiske indstillinger var identiske for alle prøver og celletal. Resultaterne for de 5 high-power-field celletal blev brugt til at udlede medianen celletal for prøven. Denne metode til måling cellularitet ligner de metoder, som andre forskere, der sammenlignede diffusion-vægtet imaging funktioner med tumor cellularitet [15].

Statistisk analyse

Statistiske analyser blev udført ved hjælp af statistisk software ( SPSS version 18,0, SPSS Inc, Chicago, IL, USA). The Kolmogorov-Smirnov-testen blev anvendt til at vurdere afvigelsen fra normalfordeling for alle oplysninger. Intraclass korrelationskoefficienter (ICC) blev beregnet til at evaluere den inter-observatør varians i DWI metrics målinger. For at sammenligne de ADCmean værdier og ADCmin værdier blandt histologiske typer af adenocarcinom, pladecellekræft og småcellet lungecancer, blev anvendt variansanalyse. Den post hoc hypotesetest blev udført ifølge den Fisher beskyttede mindste signifikante forskel metode. Desuden blev Pearson korrelationskoefficienterne beregnet til at evaluere sammenhængen mellem ADCmean værdier /ADCmin værdier og tumor cellularitet af lungecarcinomer. AP værdi på mindre end 0,05 blev anset for at indikere en statistisk signifikant forskel.

Resultater

ADC Værdier i lungekræft

Alle DWI billeder viste tydeligt, at der ikke var nogen signifikant modtagelighed artefakter og at de var egnede til yderligere vurdering. Alle ADCmean, ADCmin og tumor cellularitet værdier lykkedes opnået (tabel 1, figur 1-3). ICCS mellem de to radiologer til måling af ADCmean, ADCmin og tumor cellularitet værdier var 0,93, 0,92, og 0,88 hhv. De endelige værdier var gennemsnittet af de to målinger. Den ADCmean værdi af de primære tumorer var (1,00 ± 0,15) × 10

-3 mm

2 /s i alt, (0,89 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /si småcellet lungekræft, (1,07 ± 0,12) × 10

-3 mm

2 /si adenocarcinom, og (0,88 ± 0,10) × 10

-3 mm

2 /si planocellulært carcinom. Hvert sæt af data var i overensstemmelse med eller tilnærmet en normalfordeling (alle P 0,1). Analysen af ​​varians viste signifikante forskelle blandt tre grupper (P 0,05). Den ADCmin værdi af de primære tumorer var (0,80 ± 0,15) × 10

-3 mm

2 /s i alt, (0,67 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /si småcellet lungekræft, (0,86 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /si adenocarcinom, og (0,73 ± 0,13) × 10

-3 mm

2 /si planocellulært carcinom. Hvert sæt af data var i overensstemmelse med eller tilnærmet en normalfordeling (alle P 0,1). Analysen af ​​varians viste signifikante forskelle mellem tre grupper (P 0,05).

Tumor cellularitet i lungekræft

NCR af de primære tumorer var (16,7 ± 4,0)% i total, (18,3 ± 3,5)% i småcellet lungecancer, (14,9 ± 2,6)% i adenocarcinom, og (20,6 ± 4,4)% i pladecellecarcinom. Hvert sæt af data var i overensstemmelse med eller tilnærmet en normalfordeling (alle P 0,1). Analysen af ​​varians viste signifikante forskelle blandt tre grupper (P 0,05). Blandt disse er de NCRs af pladecellecarcinom ((20,6 ± 4,4)%) og småcellet lungecancer ((14,9 ± 2,6)%) var højere end den for adenocarcinom ((14,9 ± 2,6)%), og forskellen var statistisk signifikant (P 0,01 og P = 0,002, henholdsvis). Den NCR af pladecellekræft celler var større end for småcellet lungekræft celler, men forskellen var ikke statistisk signifikant (P = 0,198).

Korrelationen mellem ADC værdi og cellularitet i lungekræft

Korrelation analyse viste, at ADCmean værdi og lungetumor cellularitet signifikant negativt korreleret (r = -0,60, P 0,001), se figur 4; I mellemtiden, ADCmin værdier og lunge tumor cellularitet var signifikant negativt korreleret (r = -0,47, P 0,001), se figur 5.

AC, adenocarcinom; SQCC, planocellulært karcinom; SLCC, småcellet lungekræft

AC, adenocarcinom.; SQCC, planocellulært karcinom; SLCC, småcellet lungekræft.

Diskussion

Vi har udført korrelation analyser for både ADCmean og ADCmin med tumor cellularitet og har vist, at både ADCmean og ADCmin havde en negativ sammenhæng med tumor cellularitet i lungekræft. Matoba

et al

[16] udført korrelationsanalyse mellem ADCmean og tumor cellularitet i 9 tilfælde af lungekræft og fundet lignende resultater, som vi gjorde. Dette resultat betyder, at DWI kan have stort potentiale anvendelse i diagnosticering og behandling af lungekræft. Beyond skelne lungekræft fra benigne tumorer og centrale lungekræft fra dens tilhørende atelektase, samt lymfeknude staging for lungekræft, kan DWI anvendes til at evaluere terapeutisk effektivitet efter tidlig behandling. Morfologiske metoder, såsom WHO standarder og RECIST kriterier, er de hyppigst anvendte metoder til at vurdere tumor terapi på klinikken. Sammenlignet med disse metoder, ADC værdier synes at ændre sig betydeligt meget tidligere end morfologiske ændringer forekomme [17], [18]. DWI er også nyttigt for CT-vejledt perkutan lunge biopsi, som er den mest almindelige minimalt invasive midler til at få adgang histopatologiske prøver. På grund af heterogenitet lungevæv distribution, den positive biopsi sats er ca. 80% [19] til 94,8% [20], og nøjagtigheden skal forbedres. Den ekstra DWI billeder og ADC map hjælp til at undgå ikke-neoplastiske tumorer og vælg ROI med relativt højere densitet for punktering, hvilket kan forbedre nøjagtigheden af ​​lunge biopsier.

Vores resultater eksperimentelt kontrollerer negativ sammenhæng mellem ADC og cellularitet i en mere kvantitativ måde og kan være af værdi for mere nøjagtigt modellere diffusionsprocessen. Højere nuklear /cytoplasma-forhold vil reducere ekstracellulære rum, hvilket kan føre til lavere tilsyneladende diffusionskoefficient [2]. I den anden side vil højere cellularitet føre til flere cellemembraner, at vandmolekylerne (eller partikler af enhver art) ville skulle diffundere igennem. Denne tilføjelse af barrierer kan også føre til lavere tilsyneladende diffusionskoefficient. Imidlertid kan regressionsmodellen af ​​ADC, som vi har etableret, ikke forklare de observerede data perfekt (r = -0,60). Foruden celledensitet, den nukleare /cytoplasma-forhold, og store kerner, er diffusionen af ​​vandmolekyler også påvirkes af mange andre karakteristiske træk ved tumorer, herunder perfusion, mængden af ​​intracellulære makromolekylære proteiner, celleproliferation, og ekstracellulære rum i forhold til normalt væv [2], som kan være en af ​​grundene til, at modellen ikke passede dataene nøjagtigt.

Både ADCmin og ADCmean værdier er blevet rapporteret at korrelere inverst med glial og nonglial tumor cellularitet som følge af den begrænsede diffusion af vand [15], [21] – [23]. I undergruppen analyse af Chen

et al

[7], blev ADCmean værdier rapporteret at korrelere mere omvendt end ADCmin værdier, og der var ingen signifikante forskelle mellem undergrupper af ADCmean og ADCmin (r = -0,70 og -0,60). Der var heller ingen signifikante forskelle mellem disse værdier (-0.60 og -0,47) i vores undersøgelse, hvilket betyder, at målingen af ​​ADC værdi og tumor cellularitet er konsistent og stabil.

Vores resultater viser, at tumoren cellularitet af forskellige histologiske typer af lungekræft er ikke det samme. Resultaterne fra undersøgelserne af Matoba

et al

[16] og Razek

et al

[24] viser også, at cellularitet af adenocarcinom var signifikant lavere end for pladecellekræft i ikke- småcellet lungekræft. Derfor er vi spekulere, at ADC værdier kan give en vis værdi at skelne disse to forskellige histologiske typer af lungekræft. Dog er yderligere store, prospektive undersøgelser berettiget til at validere disse resultater.

De indikatorer til måling af tumor cellularitet inkluderet celledensitet, nuklear-cytoplasmatisk ratio og celle-forholdet nukleare. Celledensiteten blev beregnet ved at dividere det totale areal af tumor cellekerner med arealet af den histologi sektion. Den nukleare-cytoplasmatisk-forholdet blev beregnet ved at dividere den procentdel af nukleare område ved procentdelen af ​​det cytoplasmatiske område. Forholdet nukleare celle blev beregnet ved at dividere procentdelen af ​​det nukleare område ved den procentdel af celleområdet. Sammenlignet med celletæthed, kan det nukleare-cytoplasma ratio og cellens forholdet nukleare ikke blot afspejle celletæthed men kan også afspejle den nukleare /cytoplasma ratio og store kerner, som alle disse faktorer påvirker ADC-værdier [2].

Der er nogle begrænsninger for denne undersøgelse. Først undersøgelsen omfattede kun adenocarcinom, pladecellekræft og småcellet lungecancer, og andre sjældne histologiske typer af lungekræft, såsom store celle lungekræft, kunne ikke inkluderes. For det andet blev den totale celletæthed i betragtning til sammenligning, så tumorceller ikke blev separeret fra ikke-tumorceller. Fysiologisk imidlertid ikke-tumorceller påvirker også vandet diffusivitet i vævet, og de fleste tidligere rapporter ikke skelne tumorceller. For det tredje, denne undersøgelse kun fokuserede på sammenhængen af ​​tumor cellularitet og ADC værdi i biopsi site, som ikke kan repræsentere hele tumor.

Som konklusion, vores undersøgelse viste, at den ADCmean værdi og ADCmin værdi var væsentligt negativt korreleret med tumor cellularitet hos patienter med lungecancer. Men tumor cellularitet sandsynligvis ikke er den eneste faktor for ADC.

Støtte Information

figur S1.

Flowchart illustrerer udvælgelsen af ​​studier

doi:. 10,1371 /journal.pone.0099865.s001

(TIF)