Molecular imaging for the quantitative assessment of tumor proliferation, progression and the early assessment of molecular targeted treatment response

Ullrich, Roland Tillmann (2011). Molecular imaging for the quantitative assessment of tumor proliferation, progression and the early assessment of molecular targeted treatment response. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Molecular imaging allows for in vivo monitoring of important processes for tumor development, tumor growth and, finally, treatment response. The major goal of this study was to investigate different multi-modal imaging techniques for the assessment of different tumor specific molecular processes (Jacobs et al., 2005a; Ullrich et al., 2008a; Ullrich et al., 2008b). In the first step, I investigated the use of [18F]FLT for the non-invasive in vivo assessment of tumor proliferation in different types of tumor models in men and mice. [18F]FLT reacts as a substrate of thymidinkinase 1 (TK1) that is highly expressed during S-phase of the cell cycle. Shields et al could show that the accumulation of [18F]FLT reflects cells entering the s-phase in vitro and in vivo (Shields et al., 1998). Here, we first sought to analyze the accuracy of [18F]FLT to detect tumor cell proliferation in patients with gliomas. We investigated the dynamic [18F]FLT distribution for the asessment of tumor cell proliferation in vivo (Ullrich et al., 2008a). In patients with newly diagnosed high grade gliomas we showed by the use of kinetic analyses that the phosphorylation rate of [18F]FLT by thymidine kinase 1 can be detected and, most importantly, is related to tumor cell proliferation as in vitro assessed by Ki-67 immunostaining. We concluded that [18F]FLT PET represents an accurate marker for the in vivo assessment of tumor cell proliferation in patients with gliomas. We next hypothesized that [18F]FLT PET might provide a sensitive marker for monitoring treatment induced G1 arrest in Non small cell lung cancer (NSCLC). Herewith, we analyzed [18F]FLT in comparison to [18F]FDG PET as a marker for monitoring anti-proliferative treatment response. In collaboration with the Cancer Genomic Group by Dr. Roman Thomas we investigated the potential of [18F]FLT to detect treatment response to specific Epithelial growth factor receptor (EGFR) inhibition in an EGFR-dependent NSCLC model. We used two EGFR-inhibition sensitive cell lines harboring the L858R mutation leading to oncogenic dependency on EGFR signaling. To validate the specificity of EGFR-inhibition we applied the EGFR inhibition resistant cell line H1975 harboring both the L858R and the T790M mutation. The T790M mutation prevents Erlotinib from binding to the intracellular domain of the EGFR. Only two days after initiation of treatment we observed a striking decrease in [18F]FLT uptake in the EGFR-mutant tumor xenograft due to 6 therapy induced G1 arrest. The specificity of this approach is confirmed by a complete lack of [18F]FLT response in the T790M EGFR-resistant xenografts. Moreover, the reduction of [18F]FLT uptake after 2 days translated into dramatic tumor shrinkage 6 days later (Ullrich et al., 2008c). Together, these data strongly suggest [18F]FLT PET as a robust marker to assess tumor proliferation, to detect induction of G1 arrest and, thus, to detect therapy response at a very early time point. Tumor growth requires new vessel formation as a critical step in tumor progression. In a recent study our group found a significant correlation between the expression of CD31 and [11C]MET uptake in gliomas (Kracht et al., 2003). [11C]MET is transported via the L amino acid transporter that is expressed on endothelial cells suggesting this tracer for imaging angiogenesis. Based on these findings we further investigated the relationship between [11C]MET uptake and angiogenesis during tumor progression by comparing uptake ratios of [11C]MET and the expression of the vascular endothelial growth factor (VEGF) in patients with gliomas. Here, we again found a significant correlation between changes in VEGF expression and [11C]MET uptake (Ullrich et al., 2009). Moreover, increase in [11C]MET uptake of more than 14,6 % was highly sensitive and specific to detect malignant progression in patients with gliomas. In summary, multi-modal imaging enables to assess tumor relevant processes, to monitor changes in tumor growth and, finally, to assess treatment response to agents targeting those processes.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Molekulare Bildgebung zur quantitativen Bestimmung von Tumorproliferation, -progression und der frühen Bestimmung von Therapieansprechen	German

Translated abstract:

Abstract

Language

In dieser Arbeit untersuchten wir das Potential unterschiedlicher Bildgebungsansätze der Positronen-Emissions-Tomographie zur Darstellung relevanter Prozesse für das Tumorwachstum mit dem Ziel diese Bildgebungsansätze zu nutzen, um Therapieansprechen nicht-invasiv bestimmen zu können. Hierbei untersuchten wir in einem ersten Ansatz die [18F]FLT Positronen-Emissions- Tomographie PET zur nicht-invasiven Bestimmung von Tumorzellproliferation in Menschen und in Mäusen. Der Radiotracer [18F]FLT reagiert als Substrat der Thymidinkinase 1 (TK1). TK1 ist ein Enzym, das vermehrt während der S-Phase des Zellzyklus exprimiert wird. Die Mitarbeiter um Shields konnten in vitro als auch in vivo zeigen, dass [18F]FLT spezifisch in Zellen akkumuliert, die sich in der S-Phase des Zellzyklus befinden. Wir untersuchten das Potential der [18F]FLT PET um Tumorzellproliferation in Patienten mit glialen Gehirntumoren zu bestimmen. Mittels dynamischer [18F]FLT PET Messungen bestimmten wir die Kinetik von [18F]FLT im Tumor. Bei Patienten mit neu-diagnostizierten hochgradigen Gliomen versuchten wir anhand der Kinetik von [18F]FLT im Tumorgewebe die Phosphorylierungsrate von [18F]FLT durch die Thymidinkinase 1 zu detektieren um diese dann mit der Proliferationsrate aus den Tumorgewebeschnitte mittels Ki-67 zu vergleichen. Hierbei zeigten wir, dass wir (a) aus der [18F]FLT Kinetik die TK1 Aktivität bestimmen können und (b) dass die in vivo erhobenen Daten aus der [18F]FLT Kinetik mit der histologisch erhobenen Proliferationsrate korreliert. Wir schließen daraus, dass wir anhand der kinetischen Auswertung der [18F]FLT Verteilung die Proliferationsrate nicht-invasiv in Patienten mit hochgradigen Gliomen bestimmen können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen untersuchten wir das Potential der [18F]FLT PET Bildgebung zur Darstellung von Therapieansprechen. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Roman Thomas verglichen wir die [18F]FLT PET mit der [18F]FDG PET zur Darstellung von Therapieansprechen von Erlotinib induzierter EGFRInhibition in einem EGFR-abhängigen subkutanen NSCLC Modell in der Maus. Als NSCLC Modell verwendeten wir 2 EGFR sensitive Zelllinien, bei denen eine L858R Mutation zu einer onkogenen Abhängigkeit vom EGFR Signalweg führt. Zur Validierung der Spezifität unseres Ansatzes verglichen wir diese beiden Zelllinien mit einer weiteren Zelllinie (H1975), die neben der L858R Mutation die T790M Mutation trägt. Die T790M Mutation führt hierbei zu einer Konformationsänderung in der ATP8 Bindungstasche des EGFR, die eine Bindung von Erlotinib und somit die Erlotinib vermittelte EGFR Rezeptorinhibition verhindert. Bereits nach 2 Tagen Erlotinib- Therapie beobachteten wir eine deutliche Abnahme der [18F]FLT Aufnahme im PET in den L858R mutierten Zellinien. In den Xenotransplanaten mit der zusätzlichen T790M Mutation zeigte sch dagegen keine Veränderung in der [18F]FLT Anreicherung im PET. Die [18F]FLT PET ist somit ein geeignetes Verfahren um Therapieansprechen nach Erlotinib-Therapie frühzeitig zu detektieren. Die Ausbildung von tumoreigenen Gefäßen ist ein essentieller Schritt zum malignen Wachstum. In einer vorangegangenen Studie fanden wir eine signifikante Korrelation zwischen der Expression des Endothelzellmarkers CD31 und der Anreicherung von [11C]MET in der PET bei Patienten mit Gliomen (Kracht et al., 2003). Die zelluläre Aufnahme von [11C]MET wird über den LAT1 Transporter gesteuert, der insbesondere auf Endothelzellen exprimiert ist. Basierend auf diesen Ergebnissen untersuchten wir den Zusammenhang zwischen der [11C]MET Aufnahme und der Expression des vaskulären Wachstumsfaktors VEGF in Patienten mit Gliomen. Hierbei zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der [11C]MET Aufnahme und der Expression VEGF. Desweiteren zeigte sich, dass eine Zunahme der [11C]MET Aufnahme über 14,6 % spezifisch und sensitiv für eine Malignisierung des Tumors war. Die [11C]MET PET ist somit ein vielversprechender Marker um nicht invasiv die Malignisierung von Gliomen zu detektieren (Ullrich et al., 2009).

German

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