I carcinomi presentano una struttura che riproduce quella dei tessuti normali ed è costituita da due compartimenti distinti ma dipendenti tra loro: il parenchima (formato da cellule neoplastiche di origine epiteliale) e lo stroma. Lo stroma è interposto tra le cellule maligne ed il tessuto normale dell’ospite, è essenziale per la crescita e la progressione del tumore, ed è prodotto dall’ospite mediante interazioni cellula-ospite. Lo stroma comprende tessuto di supporto non maligno che include plasma e proteine plasmatiche, varo tipo collagene interstiziale e fibrina. Inoltre comprende tre diversi tipi di cellule: cellule endoteliali, che costituiscono i vasi neoformati, cellule fibroblaste, che si trovano anche nel tessuto connettivo normale e cellule infiammatorie che provengono dal circolo sanguigno. I tumori solidi tra loro si differenziano in modo marcato per il contenuto di stroma e perfino all’interno del singolo tumore ci possono essere significative variazioni del contenuto stromale da un’area all’altra. Nel presente lavoro di tesi, diversi modelli di carcinomi sperimentali sono stati analizzati con tecniche di imaging in vivo - risonanza magnetica (RM) con mezzo di contrasto e tomografia a emissione di positroni (PET) dopo somministrazione di 2-fluoro-2-deossi-D-glucosio (FDG) – focalizzando l’attenzione sul compartimento stromale. L’indagine RM con mezzo di contrasto (sensibile alla vascolarizzazione tumorale) e PET-FDG (sensibile al metabolismo del glucosio) è stata integrata dall’analisi con tecniche di imaging ex vivo (istologia ed immunoistochimica). In particolare, la correlazione tra angiogenesi e metabolismo del glucosio è stata studiata per valutare la complementarietà, recentemente evidenziata nei carcinomi, tra la componente stromale e quella parenchimale. Infatti, è risaputo che le cellule maligne epiteliali sono caratterizzate da un metabolismo anaerobico, sia per l’elevato consumo di glucosio (effetto Warburg), sia per la frequente presenza di condizioni di ipossia. Nello stroma tumorale corrispondente, i fibroblasti hanno invece evidenziato un metabolismo prevalentemente aerobico, capace quindi di utilizzare i prodotti di scarto del metabolismo delle cellule tumorali, anche in virtù di una maggiore disponibilità di ossigeno fornita dalla componente vascolare annessa. Nel corso dello studio, tale complementarietà metabolica e la relativa diversa captazione alla PET-FDG è stata confermata dal confronto di due modelli di carcinomi sperimentali caratterizzati da una diversa estensione del volume stromale1 e validata con tecniche di immunoistochimica (con marcatori specifici per la neoangiogenesi e per il trasporto del glucosio). Su questi stessi modelli una diversa perfusione è stata confermata con mezzi di contrasto RM2, peraltro evidenziando anche un diverso riassorbimento (che avviene prevalentemente per via venosa, e non per via linfatica, come confermato da un altro studio su modelli di tumore mammario3). Nei tre modelli di tumore mammario (un carcinoma spontaneo, e un sarcoma ed un carcinoma sottocutanei derivati dal primo), caratterizzati per la loro differente vascolarizzazione, si è di nuovo osservato che la perfusione ed il metabolismo presentano caratteristiche di complementarietà, con zone più perfuse alla RM con mezzo di contrasto ma meno captanti alla PET-FDG e viceversa4. Gli effetti di questa organizzazione strettamente connessa con la componente stromale sono stati segnalati come possibile inconveniente quando si utilizza la PET-FDG da sola per la definizione dei margini tumorali nella pianificazione del trattamento radioterapico5. Infine, le caratteristiche della componente stromale sono state analizzate durante un trattamento anti-angiogenico6. L’analisi RM con mezzo di contrasto e l’analisi istologica hanno rivelato che la somministrazione prolungata di anti-angiogenici può promuovere lo sviluppo della componente stromale, che può avere un ruolo nella risposta adattiva del tumore a questi farmaci. In conclusione, gli studi effettuati su modelli sperimentali hanno evidenziano che la struttura compartimentale dei carcinomi, ovvero il parenchima delle cellule neoplastiche e la componente stromale associata, hanno una particolare corrispondenza con due delle due principali tecniche di imaging oncologico oggi disponibili. La complementarietà evidenziata (la RM con mezzo di contrasto è sensibile alla perfusione della componente stromale e la PET-FDG è sensibile al metabolismo della componente parenchimale) ne suggerisce un uso combinato. Inoltre, con la RM perfusionale è stato possibile studiare sia meccanismi di riassorbimento del mezzo di contrasto, sia le trasformazioni emerse durante terapia antiangiogenica. Si prevede che le osservazioni riportate, se confermate in ambito clinico, possano avere sviluppi nella diagnosi, nella definizione del trattamento e nel monitoraggio terapeutico dei carcinomi, e possano comunque essere utilizzate in ambito sperimentale visto il ruolo emergente che sta assumendo la componente stromale per comprendere la progressione tumorale e quindi per sviluppare nuovi e specifici trattamenti farmacologici.

Carcinomas have a distinct structure which mimics that of normal tissues and comprises two distinct but interdependent compartments: the parenchyma (neoplastic cells) and the stroma. Stroma is interposed between malignant cells and normal host tissues and is essential for tumor growth. Stroma is largely a product of the host and its development is induced by tumor cell-host interactions. Thus, it comprises nonmalignant supporting tissue and includes leaked plasma and plasma proteins, interstitial collagens and fibrin. Moreover it includes three types of cells: endothelial cells forming new blood vessels, fibroblasts that reside also in normal connective tissue, and inflammatory cells that are derived from the blood. Tumors markedly differ from each other in quantitative stromal content, with significant variations in stromal composition from one area to another even within a single tumor. In this thesis different carcinoma models were analyzed in vivo - by contrast enhanced magnetic resonance imaging (MRI), and by (18)F-fluorodeoxy-glucose (FDG) positron emission tomography (PET) - focusing on the role of the stromal compartment. Since contrast enhanced MRI and FDG-PET are sensitive to tumor angiogenesis and glucose metabolism respectively, our studies investigated the correlation between perfusion and glucose metabolism. The same tumor models were also evaluated ex vivo - by histology and immunohistochemistry techniques. It is well known that cancer cells are characterized by anaerobic metabolism with high glucose consumption, both in hypoxic condition and even in high oxygen tension (Warburg effect). On the other hand, it has been recently reported that in carcinomas a complementary metabolism does exist between the epithelial neoplastic cells and the stromal fibroblasts. In fact, stromal fibroblasts have shown aerobic metabolism, consistent with higher oxygen availability due to the associated vascular supply, and the capability of buffering and recycling products of anaerobic metabolism to sustain cancer cell survival. In the present thesis, the complementary stromal/epithelial metabolism was confirmed by the resulting different FDG-uptake in two carcinoma models characterized by a markedly different stromal content1. These findings were also supported by immunohistochemical examination with markers specific for neoangiogenesis and glucose transporters. On the same experimental models, a corresponding different perfusion was observed by contrast enhanced MRI2. The different distribution of the contrast agents proved to be related to stromal content, which presumably produced also a different washout pattern of the contrast agent itself. Consistently, in an additional study on experimental mammary tumors, we demonstrated that the washout of the contrast agents mainly occurs by the venous system and not by lymphatic vessels3. Moreover, three different breast tumor models (a spontaneous and an implanted carcinoma, and a mesenchymal tumor), characterized by different vascularization, were evaluated. In these models perfusion and metabolism resulted to be complementary: tumors (and tumor areas) that were characterized by higher MR contrast enhancement showed lower FDG-uptake and vice-versa4. Such effect could constitute a potential risk of tumor volume underestimation when FDGPET is used as a single imaging modality to assess tumor boundaries and to delineate the target volume in radiotherapy planning5. Finally, tumor stroma evolution was assessed during antiangiogenic therapy6. Contrast enhanced MRI and histology revealed that prolonged treatment could promote an abnormal stromal development at the periphery of carcinomas, suggesting that cancer-associated stroma can have a role in the adaptive response to treatment. In conclusion, the reported studies on experimental models showed that the compartmental architecture of carcinomas, i.e. the neoplastic cell and the cancer-associated stroma, affects the sensitivity of two major cancer imaging methods, contrast enhanced MRI and FDG-PET. Contrast enhanced MRI appeared more sensitive to the presence of cancer-associated stroma due to perfusion. FDG-PET appeared more sensitive to the presence of cancer cells, due to glucose metabolism. This “complementary sensitivity” suggests a combined application of the two modalities for a comprehensive evaluation of carcinomas. Furthermore, the contrast enhanced MRI modality allowed to evaluate both washout mechanisms and the stromal modifications occurring during antiangiogenic therapy. The reported findings, if confirmed in clinical studies, could be applied in diagnosis, treatment planning and therapy assessment of human carcinomas. In any case they are relevant in experimental studies considering the emerging role of cancer-associated stroma to understand cancer progression and eventually to develop new targeted therapies.

Imaging multimodale in carcinomi sperimentali: il ruolo della componente stromale

FARACE, Paolo
2009-01-01

Abstract

I carcinomi presentano una struttura che riproduce quella dei tessuti normali ed è costituita da due compartimenti distinti ma dipendenti tra loro: il parenchima (formato da cellule neoplastiche di origine epiteliale) e lo stroma. Lo stroma è interposto tra le cellule maligne ed il tessuto normale dell’ospite, è essenziale per la crescita e la progressione del tumore, ed è prodotto dall’ospite mediante interazioni cellula-ospite. Lo stroma comprende tessuto di supporto non maligno che include plasma e proteine plasmatiche, varo tipo collagene interstiziale e fibrina. Inoltre comprende tre diversi tipi di cellule: cellule endoteliali, che costituiscono i vasi neoformati, cellule fibroblaste, che si trovano anche nel tessuto connettivo normale e cellule infiammatorie che provengono dal circolo sanguigno. I tumori solidi tra loro si differenziano in modo marcato per il contenuto di stroma e perfino all’interno del singolo tumore ci possono essere significative variazioni del contenuto stromale da un’area all’altra. Nel presente lavoro di tesi, diversi modelli di carcinomi sperimentali sono stati analizzati con tecniche di imaging in vivo - risonanza magnetica (RM) con mezzo di contrasto e tomografia a emissione di positroni (PET) dopo somministrazione di 2-fluoro-2-deossi-D-glucosio (FDG) – focalizzando l’attenzione sul compartimento stromale. L’indagine RM con mezzo di contrasto (sensibile alla vascolarizzazione tumorale) e PET-FDG (sensibile al metabolismo del glucosio) è stata integrata dall’analisi con tecniche di imaging ex vivo (istologia ed immunoistochimica). In particolare, la correlazione tra angiogenesi e metabolismo del glucosio è stata studiata per valutare la complementarietà, recentemente evidenziata nei carcinomi, tra la componente stromale e quella parenchimale. Infatti, è risaputo che le cellule maligne epiteliali sono caratterizzate da un metabolismo anaerobico, sia per l’elevato consumo di glucosio (effetto Warburg), sia per la frequente presenza di condizioni di ipossia. Nello stroma tumorale corrispondente, i fibroblasti hanno invece evidenziato un metabolismo prevalentemente aerobico, capace quindi di utilizzare i prodotti di scarto del metabolismo delle cellule tumorali, anche in virtù di una maggiore disponibilità di ossigeno fornita dalla componente vascolare annessa. Nel corso dello studio, tale complementarietà metabolica e la relativa diversa captazione alla PET-FDG è stata confermata dal confronto di due modelli di carcinomi sperimentali caratterizzati da una diversa estensione del volume stromale1 e validata con tecniche di immunoistochimica (con marcatori specifici per la neoangiogenesi e per il trasporto del glucosio). Su questi stessi modelli una diversa perfusione è stata confermata con mezzi di contrasto RM2, peraltro evidenziando anche un diverso riassorbimento (che avviene prevalentemente per via venosa, e non per via linfatica, come confermato da un altro studio su modelli di tumore mammario3). Nei tre modelli di tumore mammario (un carcinoma spontaneo, e un sarcoma ed un carcinoma sottocutanei derivati dal primo), caratterizzati per la loro differente vascolarizzazione, si è di nuovo osservato che la perfusione ed il metabolismo presentano caratteristiche di complementarietà, con zone più perfuse alla RM con mezzo di contrasto ma meno captanti alla PET-FDG e viceversa4. Gli effetti di questa organizzazione strettamente connessa con la componente stromale sono stati segnalati come possibile inconveniente quando si utilizza la PET-FDG da sola per la definizione dei margini tumorali nella pianificazione del trattamento radioterapico5. Infine, le caratteristiche della componente stromale sono state analizzate durante un trattamento anti-angiogenico6. L’analisi RM con mezzo di contrasto e l’analisi istologica hanno rivelato che la somministrazione prolungata di anti-angiogenici può promuovere lo sviluppo della componente stromale, che può avere un ruolo nella risposta adattiva del tumore a questi farmaci. In conclusione, gli studi effettuati su modelli sperimentali hanno evidenziano che la struttura compartimentale dei carcinomi, ovvero il parenchima delle cellule neoplastiche e la componente stromale associata, hanno una particolare corrispondenza con due delle due principali tecniche di imaging oncologico oggi disponibili. La complementarietà evidenziata (la RM con mezzo di contrasto è sensibile alla perfusione della componente stromale e la PET-FDG è sensibile al metabolismo della componente parenchimale) ne suggerisce un uso combinato. Inoltre, con la RM perfusionale è stato possibile studiare sia meccanismi di riassorbimento del mezzo di contrasto, sia le trasformazioni emerse durante terapia antiangiogenica. Si prevede che le osservazioni riportate, se confermate in ambito clinico, possano avere sviluppi nella diagnosi, nella definizione del trattamento e nel monitoraggio terapeutico dei carcinomi, e possano comunque essere utilizzate in ambito sperimentale visto il ruolo emergente che sta assumendo la componente stromale per comprendere la progressione tumorale e quindi per sviluppare nuovi e specifici trattamenti farmacologici.
imaging multimodale; carcinoma
Carcinomas have a distinct structure which mimics that of normal tissues and comprises two distinct but interdependent compartments: the parenchyma (neoplastic cells) and the stroma. Stroma is interposed between malignant cells and normal host tissues and is essential for tumor growth. Stroma is largely a product of the host and its development is induced by tumor cell-host interactions. Thus, it comprises nonmalignant supporting tissue and includes leaked plasma and plasma proteins, interstitial collagens and fibrin. Moreover it includes three types of cells: endothelial cells forming new blood vessels, fibroblasts that reside also in normal connective tissue, and inflammatory cells that are derived from the blood. Tumors markedly differ from each other in quantitative stromal content, with significant variations in stromal composition from one area to another even within a single tumor. In this thesis different carcinoma models were analyzed in vivo - by contrast enhanced magnetic resonance imaging (MRI), and by (18)F-fluorodeoxy-glucose (FDG) positron emission tomography (PET) - focusing on the role of the stromal compartment. Since contrast enhanced MRI and FDG-PET are sensitive to tumor angiogenesis and glucose metabolism respectively, our studies investigated the correlation between perfusion and glucose metabolism. The same tumor models were also evaluated ex vivo - by histology and immunohistochemistry techniques. It is well known that cancer cells are characterized by anaerobic metabolism with high glucose consumption, both in hypoxic condition and even in high oxygen tension (Warburg effect). On the other hand, it has been recently reported that in carcinomas a complementary metabolism does exist between the epithelial neoplastic cells and the stromal fibroblasts. In fact, stromal fibroblasts have shown aerobic metabolism, consistent with higher oxygen availability due to the associated vascular supply, and the capability of buffering and recycling products of anaerobic metabolism to sustain cancer cell survival. In the present thesis, the complementary stromal/epithelial metabolism was confirmed by the resulting different FDG-uptake in two carcinoma models characterized by a markedly different stromal content1. These findings were also supported by immunohistochemical examination with markers specific for neoangiogenesis and glucose transporters. On the same experimental models, a corresponding different perfusion was observed by contrast enhanced MRI2. The different distribution of the contrast agents proved to be related to stromal content, which presumably produced also a different washout pattern of the contrast agent itself. Consistently, in an additional study on experimental mammary tumors, we demonstrated that the washout of the contrast agents mainly occurs by the venous system and not by lymphatic vessels3. Moreover, three different breast tumor models (a spontaneous and an implanted carcinoma, and a mesenchymal tumor), characterized by different vascularization, were evaluated. In these models perfusion and metabolism resulted to be complementary: tumors (and tumor areas) that were characterized by higher MR contrast enhancement showed lower FDG-uptake and vice-versa4. Such effect could constitute a potential risk of tumor volume underestimation when FDGPET is used as a single imaging modality to assess tumor boundaries and to delineate the target volume in radiotherapy planning5. Finally, tumor stroma evolution was assessed during antiangiogenic therapy6. Contrast enhanced MRI and histology revealed that prolonged treatment could promote an abnormal stromal development at the periphery of carcinomas, suggesting that cancer-associated stroma can have a role in the adaptive response to treatment. In conclusion, the reported studies on experimental models showed that the compartmental architecture of carcinomas, i.e. the neoplastic cell and the cancer-associated stroma, affects the sensitivity of two major cancer imaging methods, contrast enhanced MRI and FDG-PET. Contrast enhanced MRI appeared more sensitive to the presence of cancer-associated stroma due to perfusion. FDG-PET appeared more sensitive to the presence of cancer cells, due to glucose metabolism. This “complementary sensitivity” suggests a combined application of the two modalities for a comprehensive evaluation of carcinomas. Furthermore, the contrast enhanced MRI modality allowed to evaluate both washout mechanisms and the stromal modifications occurring during antiangiogenic therapy. The reported findings, if confirmed in clinical studies, could be applied in diagnosis, treatment planning and therapy assessment of human carcinomas. In any case they are relevant in experimental studies considering the emerging role of cancer-associated stroma to understand cancer progression and eventually to develop new targeted therapies.
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