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A multi-technique hierarchical X-ray phase-based approach for the characterization and quantification of the effects of novel radiotherapies
A multi-technique hierarchical X-ray phase-based approach for the characterization and quantification of the effects of novel radiotherapies
Cancer is the first or second leading cause of premature deaths worldwide with an overall rapidly growing burden. Standard cancer therapies include surgery, chemotherapy and radiotherapy (RT) and often a combination of the three is applied to improve the probability of tumour control. Standard therapy protocols have been established for many types of cancers and new approaches are under study especially for treating radio-resistant tumours associated to an overall poor prognosis, as for brain and lung cancers. Follow up techniques able to monitor and investigate the effects of therapies are important for surveying the efficacy of conventionally applied treatments and are key for accessing the curing capabilities and the onset of acute and late adverse effects of new therapies. In this framework, this doctoral Thesis proposes the X-ray Phase Contrast Im-aging - Computed Tomography (XPCI-CT) technique as an imaging-based tool to study and quantify the effects of novel RTs, namely Microbeam and Minibeam Radiation therapy (MRT and MB), and to compare them to the standard Broad Beam (BB) induced effects on brain and lungs. MRT and MB are novel radiotherapies that deliver an array of spatially fractionated X-ray beamlets issued from a synchrotron radiation source, with widths of tens or hundreds of micrometres, respectively. MRT and MB exploit the so-called dose-volume effect: hundreds of Grays are well tolerated by healthy tissues and show a preferential effect on tumour cells and vasculature when delivered in a micrometric sized micro-plane, while induce lethal effects if applied over larger uniform irradiation fields. Such highly collimated X-ray beams need a high-resolution and a full-organ approach that can visualize, with high sensitivity, the effects of the treatment along and outside the beamlets path. XPCI-CT is here suggested and proven as a powerful imaging technique able to determine and quantify the effects of the radiation on normal and tumour-bearing tissues. Moreover, it is shown as an effective technique to complement, with 3D information, the histology findings in the follow-up of the RT treatments. Using a multi-scale and multi-technique X-ray-based approach, I have visualized and analysed the effects of RT delivery on healthy and glioblastoma multiforme (GBM)-bearing rat brains as well as on healthy rat lungs. Ex-vivo XPCI-CT datasets acquired with isotropic voxel sizes in the range 3.253 – 0.653 μm3 could distinguish, with high sensitivity, the idiopathic effects of MRT, MB and BB therapies. Histology, immunohistochemistry, Small- and Wide-Angle X-ray Scattering and X-ray Fluorescence experiments were also carried out to accurately interpret and complement the XPCI-CT findings as well as to obtain a detailed structural and chemical characterization of the detected pathological features. Overall, this multi-technique approach could detect: i) a different radio-sensitivity for the MRT-treated brain areas; ii) Ca and Fe deposits, hydroxyapatite crystals formation; iii) extended and isolated fibrotic contents. Full-organ XPCI-CT datasets allowed for the quantification of tumour and mi-crocalcifications’ volumes in treated brains and the amount of scarring tissue in irradiated lungs. Herein, the role of XPCI-CT as a 3D virtual histology technique for the follow-up of ex-vivo RT effects has been assessed as a complementary method for an accurate volumetric investigation of normal and pathological states in brains and lungs, in a small animal model. Moreover, the technique is proposed as a guidance and auxiliary tool for conventional histology, which is the gold standard for pathological evaluations, owing to its 3D capabilities and the possibility of virtually navigating within samples. This puts a landmark for XPCI-CT inclusion in the pre-clinical studies pipeline and for advancing towards in-vivo XPCI-CT imaging of treated organs., Weltweit gilt Krebs als häufigste bzw. zweithäufigste Ursache eines zu früh erfolgenden Todes, wobei die Zahlen rasch ansteigen. Standardmäßige Krebstherapien umfassen chirurgische Eingriffe, Chemotherapie und Strahlentherapie (radiotherapy, RT); oft kommt eine Kombination daraus zur Anwendung, um die Wahrscheinlichkeit der Tumorkontrolle zu erhöhen. Es wurden Standardtherapieprotokolle für zahlreiche Krebsarten eingerichtet und es wird vor allem in der Behandlung von strahlenresistenten Tumoren mit allgemein schlechter Prognose wie bei Hirn- und Lungentumoren an neuen Ansätzen geforscht. Nachverfolgungstechniken, welche die Auswirkungen von Therapien überwachen und ermitteln, sind zur Überwachung der Wirksamkeit herkömmlich angewandter Behandlungen wichtig und auch maßgeblich am Zugang zu den Fähigkeiten zur Heilung sowie zum Auftreten akuter und verzögerter Nebenwirkungen neuer Therapien beteiligt. In diesem Rahmenwerk unterbreitet diese Doktorarbeit die Technik der Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung über Computertomographie (X-ray Phase Contrast Imaging - Computed Tomography, XPCI‑CT) als bildverarbeitungs-basiertes Tool zur Untersuchung und Quantifizierung der Auswirkungen neuartiger Strahlentherapien, nämlich der Mikrobeam- und Minibeam-Strahlentherapie (MRT und MB), sowie zum Vergleich derselben mit den herkömmlichen durch Breitstrahlen (Broad Beam, BB) erzielten Auswirkungen auf Gehirn und Lunge. MRT und MB sind neuartige Strahlentherapien, die ein Array räumlich aufgeteilter Röntgenstrahlenbeamlets aus einer synchrotronen Strahlenquelle mit einer Breite von Zehnteln bzw. Hundersteln Mikrometern abgeben. MRT und MB nutzen den sogenannten Dosis-Volumen-Effekt: Hunderte Gray werden von gesundem Gewebe gut vertragen und wirken bei der Abgabe in einer Mikroebene im Mikrometerbereich vorrangig auf Tumorzellen und Blutgefäße, während sie bei einer Anwendung über größere gleichförmige Strahlungsfelder letale Auswirkungen aufweisen. Solche hoch kollimierten Röntgenstrahlen erfordern eine hohe Auflösung und einen Zugang zum gesamten Organ, bei dem die Auswirkungen der Behandlung entlang und außerhalb der Beamletpfade mit hoher Empfindlichkeit visualisiert werden können. Hier empfiehlt und bewährt sich die XPCI‑CT als leistungsstarke Bildverarbeitungstechnik, welche die Auswirkungen der Strahlung auf normale und tumortragende Gewebe feststellen und quantifizieren kann. Außerdem hat sich gezeigt, dass sie durch 3‑D-Informationen eine effektive Technik zur Ergänzung der histologischen Erkenntnisse in der Nachverfolgung der Strahlenbehandlung ist. Anhand eines mehrstufigen und multitechnischen röntgenbasierten Ansatzes habe ich die Auswirkungen der Strahlentherapie auf gesunde und von Glioblastomen (GBM) befallene Rattenhirne sowie auf gesunde Rattenlungen visualisiert und analysiert. Mit isotropen Voxelgrößen im Bereich von 3,53 bis 0,653 μm3 erfasste Ex-vivo-XPCI-CT-Datensätze konnten die idiopathischen Auswirkungen der MRT-, MB- und BB‑Behandlung mit hoher Empfindlichkeit unterscheiden. Es wurden auch Experimente zu Histologie, Immunhistochemie, Röntgenklein- und ‑weitwinkelstreuung und Röntgenfluoreszenz durchgeführt, um die XPCI‑CT-Erkenntnisse präzise zu interpretieren und zu ergänzen sowie eine detaillierte strukturelle und chemische Charakterisierung der nachgewiesenen pathologischen Merkmale zu erhalten. Im Allgemeinen wurde durch diesen multitechnischen Ansatz Folgendes ermittelt: i) eine un-terschiedliche Strahlenempfindlichkeit der mit MRT behandelten Gehirnbereiche; ii) Ca- und Fe-Ablagerungen und die Bildung von Hydroxylapatitkristallen; iii) ein ausgedehnter und isolierter Fibrosegehalt. XPCI‑CT-Datensätze des gesamten Organs ermöglichten die Quantifizierung der Volume von Tumoren und Mikroverkalkungen in den behandelten Gehirnen und der Menge des Narbengewebes in bestrahlten Lungen. Dabei wurde die Rolle der XPCI‑CT als virtuelle 3‑D-Histologietechnik für die Nachverfolgung von Ex-vivo-RT‑Auswirkungen als ergänzende Methode für eine präzise volumetrische Untersuchung des normalen und pathologischen Zustands von Gehirnen und Lungen im Kleintiermodell untersucht. Darüber hinaus wird die Technik aufgrund ihrer 3‑D-Fähigkeiten und der Möglichkeit zur virtuellen Navigation in den Proben als Leitfaden und Hilfstool für die herkömmliche Histologie vorgeschlagen, die der Goldstandard für die pathologische Evaluierung ist. Dies markiert einen Meilenstein für die Übernahme der XPCI‑CT in die Pipeline präklinischer Studien und für den Übergang zur In-vivo-XPCI‑CT von behandelten Organen.
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Romano, Mariele
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Romano, Mariele (2021): A multi-technique hierarchical X-ray phase-based approach for the characterization and quantification of the effects of novel radiotherapies. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Cancer is the first or second leading cause of premature deaths worldwide with an overall rapidly growing burden. Standard cancer therapies include surgery, chemotherapy and radiotherapy (RT) and often a combination of the three is applied to improve the probability of tumour control. Standard therapy protocols have been established for many types of cancers and new approaches are under study especially for treating radio-resistant tumours associated to an overall poor prognosis, as for brain and lung cancers. Follow up techniques able to monitor and investigate the effects of therapies are important for surveying the efficacy of conventionally applied treatments and are key for accessing the curing capabilities and the onset of acute and late adverse effects of new therapies. In this framework, this doctoral Thesis proposes the X-ray Phase Contrast Im-aging - Computed Tomography (XPCI-CT) technique as an imaging-based tool to study and quantify the effects of novel RTs, namely Microbeam and Minibeam Radiation therapy (MRT and MB), and to compare them to the standard Broad Beam (BB) induced effects on brain and lungs. MRT and MB are novel radiotherapies that deliver an array of spatially fractionated X-ray beamlets issued from a synchrotron radiation source, with widths of tens or hundreds of micrometres, respectively. MRT and MB exploit the so-called dose-volume effect: hundreds of Grays are well tolerated by healthy tissues and show a preferential effect on tumour cells and vasculature when delivered in a micrometric sized micro-plane, while induce lethal effects if applied over larger uniform irradiation fields. Such highly collimated X-ray beams need a high-resolution and a full-organ approach that can visualize, with high sensitivity, the effects of the treatment along and outside the beamlets path. XPCI-CT is here suggested and proven as a powerful imaging technique able to determine and quantify the effects of the radiation on normal and tumour-bearing tissues. Moreover, it is shown as an effective technique to complement, with 3D information, the histology findings in the follow-up of the RT treatments. Using a multi-scale and multi-technique X-ray-based approach, I have visualized and analysed the effects of RT delivery on healthy and glioblastoma multiforme (GBM)-bearing rat brains as well as on healthy rat lungs. Ex-vivo XPCI-CT datasets acquired with isotropic voxel sizes in the range 3.253 – 0.653 μm3 could distinguish, with high sensitivity, the idiopathic effects of MRT, MB and BB therapies. Histology, immunohistochemistry, Small- and Wide-Angle X-ray Scattering and X-ray Fluorescence experiments were also carried out to accurately interpret and complement the XPCI-CT findings as well as to obtain a detailed structural and chemical characterization of the detected pathological features. Overall, this multi-technique approach could detect: i) a different radio-sensitivity for the MRT-treated brain areas; ii) Ca and Fe deposits, hydroxyapatite crystals formation; iii) extended and isolated fibrotic contents. Full-organ XPCI-CT datasets allowed for the quantification of tumour and mi-crocalcifications’ volumes in treated brains and the amount of scarring tissue in irradiated lungs. Herein, the role of XPCI-CT as a 3D virtual histology technique for the follow-up of ex-vivo RT effects has been assessed as a complementary method for an accurate volumetric investigation of normal and pathological states in brains and lungs, in a small animal model. Moreover, the technique is proposed as a guidance and auxiliary tool for conventional histology, which is the gold standard for pathological evaluations, owing to its 3D capabilities and the possibility of virtually navigating within samples. This puts a landmark for XPCI-CT inclusion in the pre-clinical studies pipeline and for advancing towards in-vivo XPCI-CT imaging of treated organs.

Abstract

Weltweit gilt Krebs als häufigste bzw. zweithäufigste Ursache eines zu früh erfolgenden Todes, wobei die Zahlen rasch ansteigen. Standardmäßige Krebstherapien umfassen chirurgische Eingriffe, Chemotherapie und Strahlentherapie (radiotherapy, RT); oft kommt eine Kombination daraus zur Anwendung, um die Wahrscheinlichkeit der Tumorkontrolle zu erhöhen. Es wurden Standardtherapieprotokolle für zahlreiche Krebsarten eingerichtet und es wird vor allem in der Behandlung von strahlenresistenten Tumoren mit allgemein schlechter Prognose wie bei Hirn- und Lungentumoren an neuen Ansätzen geforscht. Nachverfolgungstechniken, welche die Auswirkungen von Therapien überwachen und ermitteln, sind zur Überwachung der Wirksamkeit herkömmlich angewandter Behandlungen wichtig und auch maßgeblich am Zugang zu den Fähigkeiten zur Heilung sowie zum Auftreten akuter und verzögerter Nebenwirkungen neuer Therapien beteiligt. In diesem Rahmenwerk unterbreitet diese Doktorarbeit die Technik der Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung über Computertomographie (X-ray Phase Contrast Imaging - Computed Tomography, XPCI‑CT) als bildverarbeitungs-basiertes Tool zur Untersuchung und Quantifizierung der Auswirkungen neuartiger Strahlentherapien, nämlich der Mikrobeam- und Minibeam-Strahlentherapie (MRT und MB), sowie zum Vergleich derselben mit den herkömmlichen durch Breitstrahlen (Broad Beam, BB) erzielten Auswirkungen auf Gehirn und Lunge. MRT und MB sind neuartige Strahlentherapien, die ein Array räumlich aufgeteilter Röntgenstrahlenbeamlets aus einer synchrotronen Strahlenquelle mit einer Breite von Zehnteln bzw. Hundersteln Mikrometern abgeben. MRT und MB nutzen den sogenannten Dosis-Volumen-Effekt: Hunderte Gray werden von gesundem Gewebe gut vertragen und wirken bei der Abgabe in einer Mikroebene im Mikrometerbereich vorrangig auf Tumorzellen und Blutgefäße, während sie bei einer Anwendung über größere gleichförmige Strahlungsfelder letale Auswirkungen aufweisen. Solche hoch kollimierten Röntgenstrahlen erfordern eine hohe Auflösung und einen Zugang zum gesamten Organ, bei dem die Auswirkungen der Behandlung entlang und außerhalb der Beamletpfade mit hoher Empfindlichkeit visualisiert werden können. Hier empfiehlt und bewährt sich die XPCI‑CT als leistungsstarke Bildverarbeitungstechnik, welche die Auswirkungen der Strahlung auf normale und tumortragende Gewebe feststellen und quantifizieren kann. Außerdem hat sich gezeigt, dass sie durch 3‑D-Informationen eine effektive Technik zur Ergänzung der histologischen Erkenntnisse in der Nachverfolgung der Strahlenbehandlung ist. Anhand eines mehrstufigen und multitechnischen röntgenbasierten Ansatzes habe ich die Auswirkungen der Strahlentherapie auf gesunde und von Glioblastomen (GBM) befallene Rattenhirne sowie auf gesunde Rattenlungen visualisiert und analysiert. Mit isotropen Voxelgrößen im Bereich von 3,53 bis 0,653 μm3 erfasste Ex-vivo-XPCI-CT-Datensätze konnten die idiopathischen Auswirkungen der MRT-, MB- und BB‑Behandlung mit hoher Empfindlichkeit unterscheiden. Es wurden auch Experimente zu Histologie, Immunhistochemie, Röntgenklein- und ‑weitwinkelstreuung und Röntgenfluoreszenz durchgeführt, um die XPCI‑CT-Erkenntnisse präzise zu interpretieren und zu ergänzen sowie eine detaillierte strukturelle und chemische Charakterisierung der nachgewiesenen pathologischen Merkmale zu erhalten. Im Allgemeinen wurde durch diesen multitechnischen Ansatz Folgendes ermittelt: i) eine un-terschiedliche Strahlenempfindlichkeit der mit MRT behandelten Gehirnbereiche; ii) Ca- und Fe-Ablagerungen und die Bildung von Hydroxylapatitkristallen; iii) ein ausgedehnter und isolierter Fibrosegehalt. XPCI‑CT-Datensätze des gesamten Organs ermöglichten die Quantifizierung der Volume von Tumoren und Mikroverkalkungen in den behandelten Gehirnen und der Menge des Narbengewebes in bestrahlten Lungen. Dabei wurde die Rolle der XPCI‑CT als virtuelle 3‑D-Histologietechnik für die Nachverfolgung von Ex-vivo-RT‑Auswirkungen als ergänzende Methode für eine präzise volumetrische Untersuchung des normalen und pathologischen Zustands von Gehirnen und Lungen im Kleintiermodell untersucht. Darüber hinaus wird die Technik aufgrund ihrer 3‑D-Fähigkeiten und der Möglichkeit zur virtuellen Navigation in den Proben als Leitfaden und Hilfstool für die herkömmliche Histologie vorgeschlagen, die der Goldstandard für die pathologische Evaluierung ist. Dies markiert einen Meilenstein für die Übernahme der XPCI‑CT in die Pipeline präklinischer Studien und für den Übergang zur In-vivo-XPCI‑CT von behandelten Organen.