TY  - THES
A1  - Buckel, Lisa
T1  - Evaluating the combination of oncolytic vaccinia virus and ionizing radiation in therapy of preclinical glioma models
T1  - Evaluierung der Kombination von onkolytischem Vaccinia Virus und ionisierender Strahlung in vorklinischen Gliomamodellen
N2  - Glioblastoma multiforme (GBM) represents the most aggressive form of malignant brain tumors and remains a therapeutically challenge. Intense research in the field has lead to the testing of oncolytic viruses to improve tumor control. Currently, a variety of different oncolytic viruses are being evaluated for their ability to be used in anti-cancer therapy and a few have entered clinical trials. Vaccinia virus, is one of the viruses being studied. GLV-1h68, an oncolytic vaccinia virus engineered by Genelux Corporation, was constructed by insertion of three gene cassettes, RUC-GFP fusion, β-galactosidase and β- glucuronidase into the genome of the LIVP strain. Since focal tumor radiotherapy is a mainstay for cancer treatment, including glioma therapy, it is of clinical relevance to assess how systemically administered oncolytic vaccinia virus could be combined with targeted ionizing radiation for therapeutic gain. In this work we show how focal ionizing radiation (IR) can be combined with multiple systemically delivered oncolytic vaccinia virus strains in murine models of human U-87 glioma. After initial experiments which confirmed that ionizing radiation does not damage viral DNA or alter viral tropism, animal studies were carried out to analyze the interaction of vaccinia virus and ionizing radiation in the in vivo setting. We found that irradiation of the tumor target, prior to systemic administration of oncolytic vaccinia virus GLV-1h68, increased viral replication within the U-87 xenografts as measured by viral reporter gene expression and viral titers. Importantly, while GLV-1h68 alone had minimal effect on U-87 tumor growth delay, IR enhanced GLV-1h68 replication, which translated to increased tumor growth delay and mouse survival in subcutaneous and orthotopic U-87 glioma murine models compared to monotherapy with IR or GLV-1h68. The ability of IR to enhance vaccinia replication was not restricted to the multi-mutated GLV-1h68, but was also seen with the less attenuated oncolytic vaccinia, LIVP 1.1.1. We have demonstrated that in animals treated with combination of ionizing radiation and LIVP 1.1.1 a strong pro-inflammatory tissue response was induced. When IR was given in a more clinically relevant fractionated scheme, we found oncolytic vaccinia virus replication also increased. This indicates that vaccinia virus could be incorporated into either larger hypo-fraction or more conventionally fractionated radiotherapy schemes. The ability of focal IR to mediate selective replication of systemically injected oncolytic vaccinia was demonstrated in a bilateral glioma model. In mice with bilateral U-87 tumors in both hindlimbs, systemically administered oncolytic vaccinia replicated preferentially in the focally irradiated tumor compared to the shielded non- irradiated tumor in the same mouse We demonstrated that tumor control could be further improved when fractionated focal ionizing radiation was combined with a vaccinia virus caring an anti-angiogenic payload targeting vascular endothelial growth factor (VEGF). Our studies showed that following ionizing radiation expression of VEGF is upregulated in U-87 glioma cells in culture. We further showed a concentration dependent increase in radioresistance of human endothelial cells in presence of VEGF. Interestingly, we found effects of vascular endothelial growth factor on endothelial cells were reversible by adding purified GLAF-1 to the cells. GLAF-1 is a single- chain antibody targeting human and murine VEGF and is expressed by oncolytic vaccinia virus GLV-109. In U-87 glioma xenograft murine models the combination of fractionated ionizing radiation with GLV-1h164, a vaccinia virus also targeting VEGF, resulted in the best volumetric tumor response and a drastic decrease in vascular endothelial growth factor. Histological analysis of embedded tumor sections 14 days after viral administration confirmed that blocking VEGF translated into a decrease in vessel number to 30% of vessel number found in control tumors in animals treated with GLV-164 and fractionated IR which was lower than for all other treatment groups. Our experiments with GLV-1h164 and fractionated radiotherapy have shown that in addition to ionizing radiation and viral induced tumor cell destruction we were able to effectively target the tumor vasculature. This was achieved by enhanced viral replication translating in increased levels of GLAF-2 disrupting tumor vessels as well as the radiosensitization of tumor vasculature to IR by blocking VEGF. Our preclinical results have important clinical implications of how focal radiotherapy can be combined with systemic oncolytic viral administration for highly aggressive, locally advanced tumors with the potential, by using a vaccinia virus targeting human vascular endothelial growth factor, to further increase tumor radiation sensitivity by engaging the vascular component in addition to cancer cells.
N2  - Glioblastoma multiforme (GBM) verkörpert die aggressivste Form von bösartigen Gehirntumoren und seine Therapie gestaltet sich schwierig. Weitläufige Forschung hat dazu geführt, dass onkolytische Viren zur Verbesserung der Tumorbehandlung untersucht wurden. Gegenwärtig wird eine Vielzahl an verschiedenen onkolytischen Viren untersucht und einige wenige befinden sich bereits in klinischen Studien. Eines der Viren die untersucht werden, ist das Vaccinia-Virus. GLV-1h68, ein onkolytisches Vaccinia- Virus, wurde durch die Einfügung von drei Genkasseten, RUC-GFP Fusion, β- Galaktosidase und β- Glucuronidase in das Genom des LIVP Stammes hergestellt. Da fokale Bestrahlungstherapie aus der Behandlung von Krebs, nicht nur im Falle von Glioblastomen, nicht wegzudenken ist, ist es klinisch relevant, zu untersuchen, wie ein systemisch verabreichtes Vaccinia-Virus mit gezielter ionisierender Strahlung (IR) kombiniert werden könnte, um Therapiechancen zu verbesseren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie gezielte IR mit verschiedenen sytemisch injizierten Vaccinia-Virus Stämmen in einem Mausmodell für humane U-87-Glioma kombiniert wurde. Nachdem einleitende Versuche bestätigten, dass IR die virale Erbinformation nicht beschädigt und auch nicht den viralen Tropismus verändert, wurden Tierstudien durchgeführt, die die Interaktion des Vaccinia-Virus mit Bestrahlungtherapie in vivo untersuchten. Wir konnten zeigen, dass eine vorherige Bestrahlung des Tumors, bevor das GLV-1h68-Virus systemisch injiziert wurde, eine erhöhte viraler Replikation im Tumor zur Folge hatte, wie wir durch gesteigerte virale Titer und Markergenexpression belegen konnten. Von wesentlicher Bedeutung ist, dass eine Verabreichung von ausschliesslich GLV-1h68 einen minimalen Einfluss auf das U-87 Tumorwachstum hatte, während die durch die Bestrahlung ausgelöste erhöhte Vermehrung von Virus im Tumor eine Verzögerung des Tumorwachstums sowie ein verlängertes Überleben von Mäusen mit U-87-Xenografts zur Folge hatte. Die Fähigkeit von IR virale Vermehrung zu erhöhen, wurde auch für das weniger attenuierte LIVP 1.1.1-Virus gezeigt. Wenn die Bestrahlung in einem klinisch relevanten fraktionierten Bestrahlungsschema verabreicht wurde, war virale Replikation ebenfalls erhöht. Dies verdeutlicht, dass das Vaccinia-Virus klinisch entweder in eine Bestrahlung mit einer einzelnen Dosis oder in eine konventionelle fraktionierte Bestrahlung integriert werden kann. Die Fähigkeit von fokaler IR, eine selektive Vermehrung von systemisch injizierten onkolytischen Vaccinia-Viren zu ermöglichen, wurde in einem bilateralen Gliomamausmodell bestätigt. In Mausen mit Tumoren an beiden Hinterbeinen, vermehrte sich das systemisch gespritzte Vaccinia-Virus bevorzugt im bestrahlten Tumor. Wir konnten zeigen, wie die Tumorkontrolle darüber hinaus weiter verbessert werden kann, wenn fraktionierte fokale Bestrahlung mit einem Vaccinia-Virus kombiniert wird, das eine anti-angiogenetische Ladung, die den vaskulaeren endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) inhibiert, exprimiert. Unsere Studien konnten zeigen, dass durch die Bestrahlung von U-87 Gliomazellen eine Hochregulation von VEGF-Expression ausgelöst wurde, die Radioresistenz von Endothelzellen konzentrationsabhängig induzierte. Wir konnten zeigen, dass die durch VEGF verursache Radioresistenz umkehrbar ist, wenn zusätzlich aufgereinigtes GLAF-1, einen Vaccinia Virus exprimierten Antikörper, zu den Zellen gegeben wurde. In einem Mausmodell zeigte die Kombination aus fraktionierter Bestrahlung und GLV-1h164, ein Vaccinia-Virus, das ebenfalls einen VEGF Antikörper mit Ähnlichkeit zu GLAF-1 exprimiert, resultierte in der stärksten volumetrischen Tumorantwort. Es wurde ebenfalls eine drastische Abnahme an VEGF im Tumor bereits 3 Tagen nach Virus- Injektion nachgewiesen. Histologische Analyse bestätigte, dass die Blockade von VEGF eine Erniedrigung der Anzahl von Tumorblutgefäßen, zu 30% von Kontrolltumoren, zur Folge hatte. Dieser Wert war niedriger als in allen anderen Behandlungsgruppen. Unsere Versuche mit fraktionierter Bestrahlung und GLV-1h164 konnten zeigen, dass zusätzlich zu der durch Virus und Bestrahlung ausgelösten Tumorzellzerstörung, eine effiziente Degeneration der Tumorblutgefäße möglich war. Dies wurde durch eine erhöhte Virus-Vermehrung als Folge der Bestrahlung, sowie durch Sensitiveren der tumoralen Endothelzellen durch Blockierung von VEGF-A erreicht. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit zeigen, wie fokale Bestrahlungstherapie mit systemisch verabreichten onkolytische Vaccinia-Viren für aggressive, fortgeschrittene Tumore kombiniert werden kann. Es ist denkbar, dass die Tumortherapie weiter verbessert werden kann, wenn ein Vaccinia-Virus benutzt wird, das sich zusätzlich gegen VEGF richtet, so werden zu den Krebszellen zusätzlich Tumorblutgefäße in die Therapie miteinbezogen, um die Sensitivität von Endothelzellen gegen Bestrahlung weiter zu erhöhen.
KW  - Gliom
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - Strahlentherapie
KW  - Kombinationstherapie
KW  - onkolytische Virotherapie
KW  - Glioma
KW  - vaccinia virus
KW  - ionizing radiation
KW  - combination therapy
KW  - oncolytic virotherapy
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85309
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herrmann, Christian
T1  - Robotic Motion Compensation for Applications in Radiation Oncology
T1  - Robotergestützte Bewegungskompensation für Anwendungen in der Radioonkologie
N2  - Aufgrund vieler Verbesserungen der Behandlungsmethoden im Laufe der letzten 60 Jahre, erlaubt die Strahlentherapie heutzutage präzise Behandlungen von statischen Tumoren. Jedoch birgt die Bestrahlung von sich bewegenden Tumoren noch große Herausforderungen in sich, da bewegliche Tumore oft den Behandlungsstrahl verlassen. Dabei reduziert sich die Strahlendosis im Tumor während sich diese im umliegenden gesunden Gewebe erhöht. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Grenzen der Strahlentherapie zu erweitern, um präzise Behandlungen von beweglichen Tumoren zu ermöglichen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Erstellung eines Echtzeitsystems zur aktiven Kompensation von Tumorbewegungen durch robotergestützte Methoden. Während Behandlungen befinden sich Patienten auf einer Patientenliege, mit der statische Lagerungsfehler vor Beginn einer Behandlung korrigiert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Patientenliege "HexaPOD" ist ein paralleler Manipulator mit sechs Freiheitsgraden, der große Lasten innerhalb eines eingeschränkten Arbeitsbereichs präzise positionieren kann. Obwohl der HexaPOD ursprünglich nicht für dynamische Anwendungen konzipiert wurde, wird dieser für eine dauerhafte Bewegungskompensation eingesetzt, in dem Patienten so bewegt werden, dass Tumore präzise im Zentralstrahl während der Dauer einer gesamten Behandlung verbleiben. Um ein echtzeitfähiges Kompensationssystem auf Basis des HexaPODs zu realisieren, muss eine Reihe an Herausforderungen bewältigt werden. Echtzeitaspekte werden einerseits durch die Verwendung eines harten Echtzeitbetriebssystems abgedeckt, andererseits durch die Messung und Schätzung von Latenzzeiten aller physikalischen Größen im System, z.B. Messungen der Tumor- und Atemposition. Neben der konsistenten und durchgängigen Berücksichtigung von akkuraten Zeitinformation, werden alle software-induzierten Latenzen adaptiv ausgeglichen. Dies erfordert Vorhersagen der Tumorposition in die nahe Zukunft. Zahlreiche Prädiktoren zur Atem- und Tumorpositionsvorhersage werden vorgeschlagen und anhand verschiedenster Metriken evaluiert. Erweiterungen der Prädiktionsalgorithmen werden eingeführt, die sowohl Atem- als auch Tumorpositionsinformationen fusionieren, um Vorhersagen ohne explizites Korrelationsmodell zu ermöglichen. Die Vorhersagen bestimmen den zukünftigen Bewegungspfad des HexaPODs, um Tumorbewegungen zu kompensieren. Dazu werden verschiedene Regler entwickelt, die eine Trajektorienverfolgung mit dem HexaPOD ermöglichen. Auf der Basis von linearer und nicht-linearer dynamischer Modellierung des HexaPODs mit Methoden der Systemidentifikation, wird zunächst ein modellprädiktiver Regler entwickelt. Ein zweiter Regler wird auf Basis einer Annahme über das Arbeitsprinzip des internen Reglers im HexaPOD entworfen. Schließlich wird ein dritter Regler vorgeschlagen, der beide vorhergehenden Regler miteinander kombiniert. Für jeden dieser Regler werden vergleichende Ergebnisse aus Experimenten mit realer Hardware und menschlichen Versuchspersonen präsentiert und diskutiert. Darüber hinaus wird die geeignete Wahl von freien Parametern in den Reglern vorgestellt. Neben einer präzisen Verfolgung der Referenztrajektorie spielt der Patientenkomfort eine entscheidende Rolle für die Akzeptanz des Systems. Es wird gezeigt, dass die Regler glatte Trajektorien realisieren können, um zu garantieren, dass sich Patienten wohl fühlen während ihre Tumorbewegung mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich ausgeglichen wird. Gesamtfehler werden im Kompensationssystem analysiert, in dem diese zu Trajektorienverfolgungsfehlern und Prädiktionsfehlern in Beziehung gesetzt werden. Durch Ausnutzung von Eigenschaften verschiedener Prädiktoren wird gezeigt, dass die Startzeit des Systems bis die Verfolgung der Referenztrajektorie erreicht ist, wenige Sekunden beträgt. Dies gilt insbesondere für den Fall eines initial ruhenden HexaPODs und ohne Vorwissen über Tumorbewegungen. Dies zeigt die Eignung des Systems für die sehr kurz fraktionierten Behandlungen von Lungentumoren. Das Tumorkompensationssystem wurde ausschließlich auf Basis von klinischer Standard-Hardware entwickelt, die in vielen Behandlungsräumen zu finden ist. Durch ein einfaches und flexibles Design können Behandlungsräume in kosteneffizienter Weise um Möglichkeiten der Bewegungskompensation ergänzt werden. Darüber hinaus werden aktuelle Behandlungsmethoden wie intensitätsmodulierte Strahlentherapie oder Volumetric Modulated Arc Therapy in keiner Weise eingeschränkt. Aufgrund der Unterstützung verschiedener Kompensationsmodi kann das System auf alle beweglichen Tumore angewendet werden, unabhängig davon ob die Bewegungen vorhersagbar (Lungentumore) oder nicht vorhersagbar (Prostatatumore) sind. Durch Integration von geeigneten Methoden zur Tumorpositionsbestimmung kann das System auf einfache Weise zur Kompensation von anderen Tumoren erweitert werden.
N2  - Radiation therapy today, on account of improvements in treatment procedures over the last 60 years, allows precise treatment of static tumors inside the human body. However, irradiation of moving tumors is still a challenging task as moving tumors often leave the treatment beam and the radiation dose delivered to the tumor reduces simultaneously increasing that on healthy tissue. This research work aims to push the frontiers of radiation therapy in order to enable precise treatment of moving tumors with focus on research and development of a unique real-time system enabling active motion compensation through robotic means to compensate tumor motion. During treatment, patients lie on a treatment couch which is normally used for static position corrections of patient set-up errors prior to radiation treatment. The treatment couch used, called HexaPOD, is a parallel manipulator with six degrees of freedom which can precisely position heavy loads inside a small region. Despite the HexaPOD not initially built with dynamics in mind, it is used in this work for sustained motion compensation by moving patients such that tumors stay precisely located at the center of the treatment beam during the complete course of treatment. In order to realize real-time tumor motion compensation by means of the HexaPOD, several challanges need to be addressed. Real-time aspects are covered by the adoption of a hard real-time operation system in combination with measurement and estimation of latencies of all physical quantities in the compensation system such as tumor or breathing position measurements. Accurate timing information is respected consistently in the whole system and all software-induced latencies are adaptively compensated for. This requires knowledge of future tumor positions from predictors. Several predictors for breathing and tumor motion predictions are proposed and evaluated in terms of a variety of different performance metrics. Extensions to prediction algorithms are introduced fusing both breathing and tumor position information to allow for predictions without the need of an explicit correlation model. Predictions determine the future motion path of the HexaPOD in order to compensate for tumor motion. Several control schemes are developed to enable reference tracking for the HexaPOD. Based on linear and non-linear dynamic modelling of the HexaPOD with system identification methods, a first controller is derived in the form of a model predictive controller. A second controller is proposed based on an assumption of the working principle of the HexaPOD's internal controller. Finally, a third controller is derived as combination of the first and second one. For each of these controllers, comparative results with real hardware experiments and humans in the loop as well as choices of free parameters are presented and discussed. Apart from precise tracking, emphasis is placed on patient comfort which is of crucial importance for acceptance of the system. It is demonstrated that smooth trajectories can be realized by the controllers to guarantee that patients feel comfortable while their tumor motion is compensated at sub-millimeter accuracies. Overall errors of the system are analyzed by relating them to tracking and prediction errors. By exploiting the properties of different predictors, it is shown that the startup time until tracking is reached can be reduced to only a few seconds, even in the case of an initially at-rest HexaPOD and with no initial knowledge of tumor motion. This makes the system especially suitable for the relatively short-fractionated treatment sessions for lung tumors. The tumor motion compensation system has been developed solely based on standard clinical hardware, found in most treatment rooms. With a simple and flexible design, existing treatment can be updated in a cost-efficient way to introduce motion compensation capabilities. Simultaneously, the system does not impose any constraints on state-of-the-art treatment types such as intensity modulated radiotherapy or volumetric modulated arc therapy. Supporting different compensation modes, the system can be applied to any moving tumor whether its motion is predictable (lung tumors) or unpredictable (prostate tumors). By integration of adequate tumor position determination methods, the system can be easily extended to other tumors as well.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 7 
KW  - Robotik
KW  - Bewegungskompensation
KW  - Regelung
KW  - Strahlentherapie
KW  - Vorhersage
KW  - Tumorbewegung
KW  - Echzeit
KW  - Prediction
KW  - Tumor motion
KW  - Real-time
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79045
SN  - 978-3-923959-88-4
ER  -