Aus der Klinik für Strahlenheilkunde
der Medizinischen Fakultät der Charité - Universitätsmedizin Berlin

Dissertation

Magnetresonanztomographisch gestützte laserinduzierte Thermotherapie am Pankreas des Schweins in vivo mit histopathologischer Korrelation

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité
Universitätsmedizin Berlin

von
Anja Grabig
aus Forst/ Lausitz

Gutachter:
1. Priv.-Doz. Dr. C. Stroszczynski
2. Prof. Dr. med. A. Dignaß
3. Priv.-Doz. Dr. med. M. Düx

Datum der Promotion: 20.06.2006

Zusammenfassung

Das Pankreaskarzinom hat bei steigender Inzidenz eine äußerst schlechte Prognose und ist häufig bei Diagnosestellung nicht mehr kurativ operabel. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung als ein minimal invasives Verfahren zur perkutanen Ablation von parenchymatösen Tumoren. Dabei ist die Magnetresonanztomographie (MRT) eine Methode, mit der eine präzise Prozesskontrolle der Thermoablation und eine suffiziente Erfolgskontrolle zur Verfügung stehen.
Ziel der vorliegenden Studie war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe am Schwein zu erproben, sowie die Möglichkeiten der MRT als Online-Monitoringverfahren mit Hilfe einer histopathologischen Korrelation zu untersuchen. Dazu wurde an 15 Läuferschweinen das Pankreas einer perkutanen laserinduzierten Thermotherapie mit einer Leistung von 5, 10 und 20 Watt sowie zwei mal 5 Watt in Multiapplikatortechnik unter MRT Prozesskontrolle unterzogen. Anschließend wurde das Pankreasgewebe histologische aufgearbeitet und die magnetresonanztomographisch detektierten Läsionen histopathologisch korreliert.
Das Auftreten einer schwerwiegenden Komplikation wie einer generalisierten Pankreatitis, Peritonitis oder Blutung wurde nicht beobachtet. Die durchgeführten Korrelationsanalysen zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentiertem Thermoeffekt und histopathologisch verifizierter thermisch induzierter Nekrose. Interessanterweise wurden bei Anwendung von zwei Lasern niedriger Leistung in Multiapplikatortechnik, im Vergleich zur Anwendung von einem Laser mit höherer Leistung, größere Nekrosen induziert.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die LITT ein geeignetes und sicheres minimalinvasives Verfahren zur Ablation von Pankreasparenchym unter MRT-Monitoring ist. Weiterführende Untersuchungen zur Durchführbarkeit und Ermittlung der Genauigkeit der MRT als Monitoringverfahren sind erforderlich.

Eigene Schlagworte: Magnetresonanztomographie, laserinduzierte Thermotherapie, Thermoablation, Pankreaskarzinom

Abstract

Pancreatic carcinoma has an increasing incidence and a poor prognosis. Frequently at diagnosis pancreatic tumors are surgically unresectable. Laser-induced thermotherapy has become an area of considerable interest during the past few years as a minimally invasive method for percutanous ablation of parenchymatous tumors. With magnetic resonance imaging (MRI) an accurate process control of thermocoagulation and a sufficient control of performance are possible.
Control of carcinoma growth of is still a problem. Therefore the aim of this study was to investigate the application of laser induced thermotherapy for ablation of pancreas in a porcine model and the possibility of MRI as an online-monitoring with histopathologic correlation. Laser applicators with energy of 5, 10, 20 and two lasers of 5 watt were placed in the pancreas of 15 female pigs. After sacrifice a pathological examination was performed and histological lesions were correlated with magnetic resonance detected lesions.
No serious adverse event like generalized pancreatitis, peritonitis or bleeding was observed. Correlation analysis showed a high correspondence between magnetic resonance documented thermoeffects and histopathologic verified lesions. Thermally induced lesions were best visualised on contrast-enhanced T1-weighted images. Interestingly application of two lasers with each 5 watt, greater lesions were generated than on application of one laser with higher energy. Over a period of 7 days increasing inhomogeneity and contraction of lesions were observed.
Our results show that laser-induced thermotherapy of pancreatic tissue was feasible in this porcine model, and online monitoring was practicable. Further studies are necessary to increase the accuracy of online MR imaging of thermal effects.

Keywords: Magnetic resonance imaging, laser-induced thermotherapy, LITT, Thermoablation, pancreatic carcinoma

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1  Derzeitiger Wissensstand
    • 1.1.1  Das Pankreaskarzinom
    • 1.1.2  Diagnosemöglichkeiten
    • 1.1.3  Therapiemöglichkeiten
  • 1.2 Prinzip der laserinduzierten Thermotherapie
  • 1.3 Herleitung der Aufgabenstellung
  • 1.4 Detaillierte Fragestellung
• 2 Material und Methodik
  • 2.1  Versuchstiere
  • 2.2 Versuchsgruppen
  • 2.3 Lasersystem und Applikatorset
  • 2.4 Punktionstechnik unter CT-Kontrolle
  • 2.5 Laserinduzierte Thermotherapie unter MRT-Kontrolle
  • 2.6 Magnetresonanztomographie unmittelbar nach Thermotherapie und im Follow-up
  • 2.7 Tötung der Tiere und Entnahme des Pankreas
  • 2.8 Histologische Aufarbeitung
    • 2.8.1  Herstellung der Gewebeblöcke
    • 2.8.2  Herstellung der histologischen Schnittpräparate
  • 2.9 Auswertekriterien
    • 2.9.1  Auswertung der magnetresonanztomographischen Bilder
    • 2.9.2  Beurteilung der makroskopischen Gewebeproben
    • 2.9.3  Auswertung der histologischen Schnittpräparate
    • 2.9.4  Grundlagen zur statistischen Analyse
• 3 Ergebnisse
  • 3.1  Allgemein
  • 3.2 Magnetresonanztomographische Ergebnisse
    • 3.2.1  Magnetresonanztomographische Größe der Läsionen in der 1. Gruppe (5F-Applikator, 5 Watt)
    • 3.2.2  Magnetresonanztomographische Größe der Läsionen in der 2. Gruppe (9F-Applikator, 10 Watt)
    • 3.2.3  Magnetresonanztomographische Größe der Läsionen in der 3. Gruppe (9F-Applikator, 20 Watt)
    • 3.2.4  Magnetresonanztomographische Größe der Läsionen in der 4. Gruppe (zwei 5F-Applikatoren, je 5 Watt)
    • 3.2.5  Magnetresonanztomographische Intensität der Läsion unmittelbar nach LITT
    • 3.2.6  Magnetresonanztomographische Intensität der Läsion 7 Tage nach LITT
  • 3.3 Makroskopische Ergebnisse
    • 3.3.1  Allgemein
    • 3.3.2  Makroskopische Ergebnisse im zeitlichen Verlauf
  • 3.4 Mikroskopische Ergebnisse der histologisch aufgearbeiteten Präparate
    • 3.4.1  Allgemein
    • 3.4.2  Mikroskopische Ergebnisse in der 1. Gruppe (5F-Applikator, 5 Watt)
    • 3.4.3  Mikroskopische Ergebnisse in der 2. Gruppe (9F-Applikator, 10 Watt)
    • 3.4.4  Mikroskopische Ergebnisse in der 3. Gruppe (9F-Applikator, 20 Watt)
    • 3.4.5  Mikroskopische Ergebnisse in der 4. Gruppe (zwei 5F-Applikatoren, je 5 Watt)
    • 3.4.6  Mikroskopische Ergebnisse im zeitlichen Verlauf
    • 3.4.7  Beurteilung des Ductus pancreaticus
    • 3.4.8  Beurteilung weiterer Gewebestrukturen
  • 3.5 Vergleichsbetrachtungen
    • 3.5.1  Lineare Vergleichsbetrachtungen zwischen der Laserleistung und der magnetresonanztomographischen und histopathologischen Nekrosegröße in den Gruppen 1 bis 3
    • 3.5.2  Weiterführende Vergleichsbetrachtungen zwischen der Laserleistung und der Nekrosegröße in der MRT in den Gruppen 1 bis 3
    • 3.5.3  Weiterführende Vergleichsbetrachtungen zwischen der Laserleistung und der Nekrosegröße in den histopathologischen Präparaten in den Gruppen 1 bis 3
    • 3.5.4  Vergleichsanalyse zwischen der Laserleistung und der Nekrosegröße in der MRT und Histopathologie in den Gruppen 1 bis 4
• 4 Diskussion
  • 4.1  Aktuelle Situation
  • 4.2 Die laserinduzierte Thermotherapie – eine Alternative
  • 4.3 Die Magnetresonanztomographie zur Prozessbeobachtung
  • 4.4 Zielsetzung
  • 4.5 Besprechung der vorliegenden Ergebnisse
    • 4.5.1  Durchführbarkeit
    • 4.5.2  Die Magnetresonanztomographie als Monitoringverfahren
    • 4.5.3  Ergebnisse in der pathologischen Untersuchung
    • 4.5.4  Ergebnisse im zeitlichen Verlauf
    • 4.5.5  Korrelation der magnetresonanztomographischen Ergebnisse und der histopathologischen Ergebnisse
  • 4.6 Perspektiven für die Zukunft
  • 4.7  Schlussfolgerung 
• 5 Zusammenfassung
• Literaturverzeichnis
• Danksagung
• Eidesstattliche Erklärung

Tabellen

• Tab. 1: Klassifikation der Tumoren des Pankreas
• Tab. 2: Diagnosemöglichkeiten für das Pankreaskarzinom
• Tab. 3: Therapieverfahren für das Pankreaskarzinom mit wichtigen Merkmalen
• Tab. 4: Versuchsgruppen
• Tab. 5: Bildparameter für T1-gewichtete Gradientenechosequenz (FLASH) zur Positionskontrolle und T1-gewichtete thermo-FLASH-Sequenz (FLASH: fast low angle shot) zur Prozesskontrolle
• Tab. 6: Bildparameter für T1-gewichtete Spinechosequenz und T2-gewichtete SE-Sequenz zur Kontrolle nach Thermoablation
• Tab. 7: Kontrast- zu- Rausch- Verhältnis (CNR) der Läsionen in den MRT-Aufnahmen unmittelbar nach und 7 Tage nach LITT.
• Tab. 8: Korrelationseffizienten und entsprechende Signifikanzen bei linearer Korrelation zweier Variablen.

Bilder

• Abb. 1: Inzision der Haut nach Desinfektion und steriler Abdeckung
• Abb. 2: Nd:YAG-Laser (medilas fibertom 5100, Dornier Med Tech, Wessling, Deutschland) in Betrieb, mit rot leuchtender Faserspitze (Pfeil)
• Abb. 3: Perkutanes Einführen des Schleusensystems über einen ventralen Zugang unter aseptischen Bedingungen
• Abb. 4: Schematische Darstellung des Laserapplikators mit interner Wasserspülung
• Abb. 5: CT in transversaler Schnittführung nach Applikation von Ultravist mit deutlich sichtbarem Pankreaskopf, -korpus und jetzt auch Pankreasschwanz (Pfeile)
• Abb. 6: CT-Kontrollscan in transversaler Schnittführung zur Lagekontrolle der Punktionsnadel im Pankreasschwanz nach transgastraler Punktion
• Abb. 7: Applikatorenanordnung im Pankreas bei der Multiapplikation mit multifokalem Zugang und Temperatursonde mit separatem Zugang  
• Abb. 8: Auszug der makroskopischen Längsschnitte durch das Pankreasgewebe mit deutlich abzugrenzender Nekrosezone
• Abb. 9: Skizze der pathologischen Schnittpräparate in 5 mm Schichtdicke mit roter Markierung der makroskopisch sichtbaren Nekrosezone (rote Flächen).
• Abb. 10: Magnetresonanztomographisch ermittelte mittlere Nekrosegröße in mm in thermo-FLASH-Sequenz während Thermoablation und kontrastmittelverstärkten T1-gewichteten Sequenzen nach LITT in der 1. Gruppe
• Abb. 11: Magnetresonanztomographisch ermittelte mittlere Nekrosegrößen in mm in thermo-FLASH-Sequenz während der LITT und kontrastmittelverstärkten T1-gewichteten Sequenzen nach LITT in der Gruppe 2
• Abb. 12: Magnetresonanztomographisch ermittelte mittlere Nekrosegröße in mm in den thermo-FLASH-Sequenzen während der LITT und den kontrastmittel-verstärkten T1-gewichteten Sequenzen nach LITT in der Gruppe 3
• Abb. 13: Magnetresonanztomographisch ermittelte mittlere Nekrosegröße in mm in thermo-FLASH-Sequenzen während der LITT und in kontrastmittelverstärkten T1-gewichteten Sequenzen nach der LITT in der Gruppe 4, Darstellung der einzelnen Läsionen unterteilt in a/ b für unabhängig entstandene Läsionen in den Versuchstieren 1 – 5  
• Abb. 14: T1-gewichtete FLASH-Aufnahme nativ in transversaler Schnittführung 8 min nach Beginn der LITT. Die Pfeile kennzeichnen die deutlich abzugrenzende hypodense Zentralnekrose mit weniger hypodensem Randsaum im Pankreasschwanzbereich.
• Abb. 15: T1-gewichtete FLASH-Aufnahme nativ in koronarer Schnittführung 8 min nach Beginn der Intervention. Die Pfeile kennzeichnen die gleiche Nekrose wie oben.
• Abb. 16: T2-gewichtete Sequenz in transversaler Schnittführung. Der gelbe Pfeil zeigt die Zentralnekrose mit noch sichtbarem Einstichkanal, roter Pfeil den Randsaum. Das umgebende Pankreas ist vergleichsweise hypointens.
• Abb. 17: T2-gewichtete Sequenz, Ausschnitt aus koronarer Schnittführung, Zentral-nekrose (gelber Pfeil), hyperintenser Randsaum (roter Pfeil)
• Abb. 18: T1-gewichtete Aufnahme 7 Tage postinterventionem mit gut sichtbarer Nekrose (gelbe Pfeile) und beginnender Organisation der Nekrose erkennbar an der Inhomogenität der Nekrose (grüner Pfeil)
• Abb. 19: T2-gewichtete Aufnahme 7 Tage postinterventionem mit deutlich sichtbarer hyperdenser Zentralnekrose (gelber Pfeil) und hyperdensem Randsaum (grüner Pfeil) im Pankreasschwanzbereich
• Abb. 20: Frisches Pankreaspräparat mit deutlich sichtbarer Nekrosezone im Zentrum gekennzeichnet durch den schwarzen Kreis  
• Abb. 21: Schnitt durch ein formalinfixiertes Präparat mit Aufsicht auf die Nekrose
• Abb. 22: Graphische Darstellung der Mittelwerte der Nekrosegrößen in mm der einzelnen Gruppen, mit Unterteilung in 4a (Einzelnekrosen), 4b (suboptimale Verschmelzung) und 4c (optimale Verschmelzungsnekrosen)
• Abb. 23: Makroskopischer Schnitt durch das Pankreaspräparat mit deutlich sichtbarer Nekrose mit dunklem Randsaum (gelbe Pfeile) nach Therapie mit einem 5F-Applikator bei 5 Watt über 15 min (Nebenniere, schwarzer Pfeil)
• Abb. 24: Makroskopische Schnitte von 5 mm Dicke durch ein formalinfixiertes Pankreaspräparat mit deutlich erkennbarer heller Nekrosezone (roter Pfeil) und dunklem Randsaum (gelbe Pfeile)
• Abb. 25: Makroskopische Schnitte von 5 mm Dicke durch das gesamte Pankreaspräparat mit deutlich erkennbarer Nekrose mit Randsaum (gelbe Pfeile) sowie Einstichkanal im Zentrum (roter Pfeil)
• Abb. 26: Makroskopische Schnitte von kranial (links) nach kaudal (rechts) durch ein Präparat: Schnitt 3 zeigt die 1. Nekrose mit Zentrum (roter Pfeil) und Randsaum (gelbe Pfeile), Schnitt 4 zeigt die angrenzende Nekrose ca. 5 mm weiter kaudal.  
• Abb. 27: Makroskopischer Schnitt durch ein formalinfixiertes Pankreaspräparat mit Nekrose (Pfeile), entnommen unmittelbar nach LITT
• Abb. 28: Makroskopische Schnitte von 5 mm Dicke, Entnahme 7 Tage nach LITT mit Nekrose im Korpusbereich (schwarze Pfeile) und deutlichem Randsaum (gelber Pfeil)
• Abb. 29: Makroskopische Schnitte 7 Tage nach Laserapplikation mit deutlicher Abgrenzbarkeit der Nekrose (gelbe Pfeile) und des dunklen Randsaumes (rote Pfeile)
• Abb. 30: Zentralnekrose mit Zytoplasmaverschmelzung der Zellen bei einer Laserleistung von 5 Watt, 400fache Vergrößerung
• Abb. 31: Ungeschädigtes Pankreasparenchym mit vollständig erhaltenen Zellen, 400fache Vergrößerung
• Abb. 32: Graphische Darstellung der histopathologisch ermittelten mittleren Nekrosegrößen in der 1. Gruppe  
• Abb. 33: Graphische Darstellung der histopathologisch ermittelten mittleren Nekrosegrößen in der 2. Gruppe
• Abb. 34: Mikroskopisches Präparat einer Nekrose nach Laserapplikation mit 20 Watt. Die Pfeile kennzeichnen den Übergang von Nekrosezone zu nicht geschädigtem Gewebe.  
• Abb. 35: Graphische Darstellung der histopathologisch ermittelten mittleren Nekrosegrößen in der 3. Gruppe  
• Abb. 36: Graphische Darstellung der histopathologisch bestimmten mittleren Nekrosegrößen in der 4. Gruppe
• Abb. 37: Mikroskopisches Präparat einer Nekrose unmittelbar nach LITT, der Nekroserand ist deutlich erkennbar (schwarze Pfeile) in 50facher Vergrößerung
• Abb. 38: Mikroskopisches Präparat einer Nekrose unmittelbar nach LITT, der Nekroserand ist deutlich erkennbar (schwarze Pfeile) in 200facher Vergrößerung
• Abb. 39: Nekrose 7 Tage nach LITT mit Granulozytenwall (schwarze Pfeile), Übergangszone (gelbe Pfeile) in 26facher Vergrößerung
• Abb. 40: Nekrose 7 Tage nach LITT mit Granulozytenwall (schwarze Pfeile), Übergangszone (gelbe Pfeile) in 50facher Vergrößerung
• Abb. 41: Nekrose 7 Tage nach LITT mit Granulozytenwall (schwarze Pfeile), Übergangszone (gelbe Pfeile) in 100facher Vergrößerung
• Abb. 42: Nekroseübergang mit Abhebung der Nekrose vom umliegenden Gewebe (oranger Pfeil), Normalgewebe (blauer Pfeil), Nekrosezone (schwarzer Pfeil). Ebenfalls gut erkennbar sind die hypervaskularisierte Granulationszone (grüner Pfeil) mit einsprossenden Kapillaren (roter Pfeil) sowie die Vakuolen innerhalb der Nekrose (schwarzer Pfeil mit Punkt) und die beginnende bindegewebige Durchsetzung der Nekrosezone (gelber Pfeil) bei 50facher Vergrößerung. 
• Abb. 43: Nicht geschädigter Pankreasgang in einem Abstand von 2 cm zur Zentralnekrose mit intaktem Gangepithel und vollständig erhaltener Ganglichtung, 100fache Vergrößerung
• Abb. 44: Vergrößerungsausschnitt mit vollständig intaktem Gangepithel (schwarze Pfeile) und nicht geschädigtem umliegendem Pankreasparenchym, 400fache Vergrößerung
• Abb. 45: Leicht alterierter Pankreasgang in einem Abstand von 10 mm zur Zentralnekrose (schwarze Pfeile) mit leichter Epithelabschilferung (blauer Pfeil), 50fache Vergrößerung
• Abb. 46: Vergrößerungsausschnitt mit leichter Epithelabschilferung (blauer Pfeil) und Granulozyten (gelber Pfeil) in unmittelbarer Umgebung des Ganges, 200fache Vergrößerung
• Abb. 47: Destruierter Pankreasgang im Zentrum der Nekrose, abgehobenes Gangepithel (schwarzer Pfeil), Sekret in der Ganglichtung (gelber Pfeil), umgebende Nekrose (blauer Pfeil)
• Abb. 48: Aktivierter Lymphknoten mit Sekundärfollikeln (gelbe Pfeile) bei 26facher Vergrößerung
• Abb. 49: Aktivierter Lymphknoten mit Sekundärfollikeln (gelbe Pfeile) bei 50facher Vergrößerung
• Abb. 50: Graphische Darstellung der mittleren Nekrosegröße in thermo-Flash und T1-gewichteten kontrastmittelverstärkten MRT Sequenzen in Abhängigkeit von der Laserleistung  
• Abb. 51: Graphische Darstellung der histopathologisch ermittelten mittleren Nekrosegröße in Abhängigkeit von der Laserleistung der Gruppen 1 – 3  
• Abb. 52: Graphische Darstellung der magnetresonanztomographisch und histopathologisch ermittelten mittleren Nekrosegröße in Abhängigkeit von der Laserleistung der Gruppen 1 - 3
• Abb. 53: Graphische Darstellung der Mittelwerte der Nekrosegrößen in den Gruppen 1 bis 4 mit Untergruppen 4a - 4c in der MRT (T1 mit KM und thermo-Flash) sowie Histologie