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Background
To increase the image quality of end-expiratory and end-inspiratory phases of retrospective respiratory self-gated 4D MRI data sets using non-rigid image registration for improved target delineation of moving tumors.
Methods
End-expiratory and end-inspiratory phases of volunteer and patient 4D MRI data sets are used as targets for non-rigid image registration of all other phases using two different registration schemes: In the first, all phases are registered directly (dir-Reg) while next neighbors are successively registered until the target is reached in the second (nn-Reg). Resulting data sets are quantitatively compared using diaphragm and tumor sharpness and the coefficient of variation of regions of interest in the lung, liver, and heart. Qualitative assessment of the patient data regarding noise level, tumor delineation, and overall image quality was performed by blinded reading based on a 4 point Likert scale.
Results
The median coefficient of variation was lower for both registration schemes compared to the target. Median dir-Reg coefficient of variation of all ROIs was 5.6% lower for expiration and 7.0% lower for inspiration compared with nn-Reg. Statistical significant differences between the two schemes were found in all comparisons. Median sharpness in inspiration is lower compared to expiration sharpness in all cases. Registered data sets were rated better compared to the targets in all categories. Over all categories, mean expiration scores were 2.92 +/- 0.18 for the target, 3.19 +/- 0.22 for nn-Reg and 3.56 +/- 0.14 for dir-Reg and mean inspiration scores 2.25 +/- 0.12 for the target, 2.72 +/- 215 0.04 for nn-Reg and 3.78 +/- 0.04 for dir-Reg.
Conclusions
In this work, end-expiratory and inspiratory phases of a 4D MRI data sets are used as targets for non-rigid image registration of all other phases. It is qualitatively and quantitatively shown that image quality of the targets can be significantly enhanced leading to improved target delineation of moving tumors.
Purpose
Integrating moderate hypofractionation to the macroscopic tumor with elective nodal irradiation while sparing the organs at risk (OAR) in chemoradiotherapy of locally advanced non-small-cell lung cancer.
Methods
From 2010-2018, treatment, patient and tumor characteristics of 138 patients from two radiation therapy centers were assessed. Chemoradiotherapy by intensity-modulated radiation therapy (IMRT) with a simultaneous integrated boost (SIB) to the primary tumor and macroscopic lymph node metastases was used.
Results
A total of 124 (90%) patients received concurrent chemotherapy. 106 (76%) patients had UICC (Union for International Cancer Control) stage ≥IIIB and 21 (15%) patients had an oligometastatic disease (UICC stage IV). Median SIB and elective total dose was 61.6 and 50.4 Gy in 28 fractions, respectively. Furthermore, 64 patients (46%) had an additional sequential boost to the primary tumor after the SIB-IMRT main series: median 6.6 Gy in median 3 fractions. The median cumulative mean lung dose was 15.6 Gy (range 6.2-29.5 Gy). Median follow-up and radiological follow-up for all patients was 18.0 months (range 0.6-86.9) and 16.0 months (range 0.2-86.9), respectively. Actuarial local control rates at 1, 2 and 3 years were 80.4, 68.4 and 57.8%. Median overall survival and progression-free survival was 30.0 months (95% confidence interval [CI] 23.5-36.4) and 12.1 months (95% CI 8.2-16.0), respectively. Treatment-related toxicity was moderate. Radiation-induced pneumonitis grade 2 and grade 3 occurred in 13 (9.8%) and 3 (2.3%) patients.
Conclusions
Chemoradiotherapy using SIB-IMRT showed promising local tumor control rates and acceptable toxicity in patients with locally advanced and in part oligometastatic lung cancer. The SIB concept, resulting in a relatively low mean lung dose, was associated with low numbers of clinically relevant pneumonitis. The overall survival appears promising in the presence of a majority of patients with UICC stage ≥IIIB disease.
Bei Tumoren von Kopf und Hals kann primär oder adjuvant durch Bestrahlung therapiert werden. Die Folgen dieser Behandlung können Xerostomie, Karies, Infektionen, Dysphagie oder Mundgeruch sein. Diese Nebenwirkungen vermindern die Lebensqualität des Patienten. Unterschiedliche Behandlungsansätze haben aufgrund von therapiebedingten Einschränkungen nicht den Weg in den klinischen Alltag gefunden. Eine Alternative zu den vorhandenen Behandlungsansätzen kann das Tissue Engineering sein. Das Ziel einer Normalisierung der Speichelproduktion nach Behandlung soll durch eine implantierbare, künstliche Speicheldrüse erreicht werden. Kann humanes natives Speicheldrüsengewebe der Parotis auf gradientenfreiem dreidimensional aufgebauten Polyurethan wachsen und seine Funktionalität beibehalten?
Humane Parotiszellen wurden von 20 Patienten im Alter von 42 - 90 Jahren durch Operation entnommenen und in Polystyrol-Zellkulturflaschen mit dem Nährmedium BEGM herangezüchtet. Es erfolgte eine 2D-Zellverteilung der reinen Parotiskultur. Zur Kontrolle der Vitalität zwischen den Passagen wurde eine Trypan-Blau Färbung verwendet. Als Trägermaterial der Zellen wurde eine biokompatible, abbaubare Matrix aus ε-Polycaprolacton verarbeitet. Die Übertragung der humanen Parotiszellen wurde mit einer Kleberproteinlösung, bestehend aus den Hauptbestandteilen Aprotinin, Fibrinogen und der Thrombinlösung durchgeführt. 7,14 und 21 Tage nach Aufbringung wurde der Überstand der zeitgleich entnommenen Konstrukte zur Überprüfung des α-Amylase konserviert. Zusätzlich wurden an den 3 Untersuchungstagen Konstrukte für die Anfertigung von histologischen Schnitten, quantitativer PCR, indirekter Immunfluoreszenz und zur Elektronenmikroskopie entnommen. Zur Überprüfung der Funktionalität der angezüchteten Speicheldrüsenzellen wurde das Enzym α-Amylase und das Wasserkanalprotein Aquaporin 5 herangezogen.
Bei der Kultivierung der humanen Speicheldrüsenzellen konnte durch den Vitalitätstest Trypan-Blau Färbung in Kombination mit einer Neubauerzählkammer eine konstant hohe Anzahl an vitalen Zellen bis zur 4. Passage nachgewiesen werden. Durch die Lebend/Tot Färbung auf FDA/EB Basis der Konstrukte über die Untersuchungszeit von 14 Tagen konnte keine Vermehrung von avitalen Zellen mikroskopisch festgestellt werden. Die statistische Auswertung mittels Boxplots des ELISA berechnete für den ersten Untersuchungstag einen Median auf niedrigem Niveau von 4,4 U/l und sank im weiteren Zeitverlauf am Untersuchungstag 21 auf die niedrigsten Median von 2,2 U/l ab. α-Amylase konnte an allen 3 Tagen mittels quantitativer PCR und indirekter Immunfluoreszenz belegt werden. Aquaporin 5 als Funktionsnachweis war in der vorliegenden Studie nicht signifikant durch quantitative PCR beweisbar. Die Rasterelektronenmikroskopie bildete adhärente Zellen in kugeliger Form aus den besiedelten Matrices nach 7 Tagen Kultivierung ab. Durch die Transmissionselektronenmikroskopie konnten Zellen, die Zellfortsätze ausgebildet hatten nach 14 Tagen beobachtet werden. Der Versuch, histologische Schnitte auf Grundlage der Paraffineinbettung oder Kryo-Konservierung zu erzeugen, musste frustran abgeschlossen werden.
Eine Kultivierung von Speicheldrüsenzellen auf einer Matrix aus ε-Polycaprolacton ohne Gradienten ist eingeschränkt umsetzbar. Die Studie konnte zeigen, dass das Wachstum der Zellen auf konstant niedrigem Niveau über den Untersuchungszeitraum von 21 Tagen lag. Der Funktionsnachweis von α-Amylase auf absinkendem niedrigem Niveau sowie fehlender Bestätigung von Aquaporin 5 kann als stationäre Phase des Wachstums interpretiert werden. Zur Verbesserung der Zellentwicklung sollte die besiedelte Matrix zu einem 3D-Zellwachstum anregen. Bei sequenziell entstehender Polarität der Zellen käme es zu einer Verbesserung der Vitalität sowie der vermehrten Ausbildung von α-Amylase und Aquaporin 5. Dies könnte in einer Kombination der Zellkultur aus Parotiszellen mit Kokulturen aus humanen Myoepithelzellen und Parenchymzellen erreicht werden. Sehr gute Ergebnisse des Zellwachstums und der Zellfunktion konnten aktuell in anderen Studien auf der Trägersubstanz Matrigel oder durch Rebesiedelung von dezellularisierten Organen beobachtet werden.