Imaging of Tumor Viability in Lung Cancer: Initial Results Using ²³Na-MRI

Abstract

Purpose: ²³Na-MRI has been proposed as a potential imaging biomarker for the assessment of tumor viability and the evaluation of therapy response but has not yet been evaluated in patients with lung cancer. We aimed to assess the feasibility of ²³Na-MRI in patients with lung cancer.

Materials and Methods: Three patients with stage IV adenocarcinoma of the lung were examined on a clinical 3 Tesla MRI system (Magnetom TimTrio, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany). Feasibility of ²³Na-MRI images was proven by comparison and fusion of ²³Na-MRI with ¹H-MR, CT and FDG-PET-CT images. ²³Na signal intensities (SI) of tumor and cerebrospinal fluid (CSF) of the spinal canal were measured and the SI ratio in tumor and CSF was calculated. One chemonaive patient was examined before and after the initiation of combination therapy (Carboplatin, Gemcitabin, Cetuximab).

Results: All ²³Na-MRI examinations were successfully completed and were of diagnostic quality. Fusion of ²³Na-MRI images with ¹H-MRI, CT and FDG-PET-CT was feasible in all patients and showed differences in solid and necrotic tumor areas. The mean tumor SI and the tumor/CSF SI ratio were 13.3 ± 1.8 × 103 and 0.83 ± 0.14, respectively. In necrotic tumors, as suggested by central non-FDG-avid areas, the mean tumor SI and the tumor/CSF ratio were 19.4 × 103 and 1.10, respectively.

Conclusion: ²³Na-MRI is feasible in patients with lung cancer and could provide valuable functional molecular information regarding tumor viability, and potentially treatment response.

Zusammenfassung

Ziel: Die ²³Na-MRT wurde als ein potenzieller Bildgebungs-Biomarker für die Beurteilung der Tumorvitalität oder die Beurteilung des Therapieansprechens beschrieben. Bislang gibt es keine Publikation über den Einsatz der ²³Na-MRT bei Patienten mit Lungenkarzinom.

Material und Methoden: 3 Patienten mit Stadium IV Adenokarzinom der Lunge wurden an einem klinischen 3 Tesla-MRT (Magnetom TimTrio, Siemens Healthcare, Erlangen, Deutschland) untersucht. Die Machbarkeit der ²³Na-MRT wurde durch den Vergleich bzw. die Fusion mit Bilddaten der ¹H-MRT, CT und FDG-PET-CT beurteilt. Die Signalintensität der ²³Na-MRT (SI) im Tumor und Liquor des Spinalkanals wurden gemessen und das Verhältnis der SI im Tumor und Liquor berechnet. Ein chemonaiver Patient wurde vor und nach Einleitung einer Kombinationschemotherapie (Carboplatin, Gemcitabin, Cetuximab) untersucht.

Ergebnisse: Alle ²³Na-MRT-Untersuchungen wurden erfolgreich und mit diagnostischer Bildqualität durchgeführt. Die Fusion der ²³Na-MRT mit der ¹H-MR, CT und FDG-PET-CT war bei allen Patienten durchführbar und zeigte Unterschiede zwischen soliden und nekrotischen Tumoranteilen. Die mittlere SI der Tumoren und das Verhältnis der SI im Tumor und Liquor betrugen 13,3 ± 1,8 × 103 und 0,83 ± 0,14. Im nekrotischen Tumor, der durch nicht FDG-avide Tumoranteile definiert wurde, betrugen die mittlere SI der Tumoren und das Verhältnis der SI im Tumor und Liquor 19,4 × 103 und 1,10.

Schlussfolgerung: Die ²³Na-MRT ist bei Patienten mit Lungenkarzinom klinisch einsetzbar und kann funktionelle bzw. molekulare Informationen über die Vitalität von Tumoren liefern. Damit steht ein potenzieller bildegebender Biomarker für die Responsebeurteilung zur Verfügung.

Key words

thorax - MR functional imaging - technical aspects - staging

• References

• 1 Ratain MJ, Eckhardt SG. Phase II studies of modern drugs directed against new targets: if you are fazed, too, then resist RECIST. J Clin Oncol 2004; 22: 4442-4445
• 2 Therasse P, Arbuck SG, Eisenhauer EA et al. New guidelines to evaluate the response to treatment in solid tumors. European Organization for Research and Treatment of Cancer, National Cancer Institute of the United States, National Cancer Institute of Canada. J Natl Cancer Inst 2000; 92: 205-216
• 3 Eisenhauer EA, Therasse P, Bogaerts J et al. New response evaluation criteria in solid tumours: revised RECIST guideline (version 1.1). Eur J Cancer 2009; 45: 228-247
• 4 Erasmus JJ, Gladish GW, Broemeling L et al. Interobserver and intraobserver variability in measurement of non-small-cell carcinoma lung lesions: implications for assessment of tumor response. J Clin Oncol 2003; 21: 2574-2582
• 5 Reshkin SJ, Bellizzi A, Caldeira S et al. Na+/H+ exchanger-dependent intracellular alkalinization is an early event in malignant transformation and plays an essential role in the development of subsequent transformation-associated phenotypes. FASEB J 2000; 14: 2185-2197
• 6 Hilal SK, Maudsley AA, Ra JB et al. In vivo NMR imaging of sodium-23 in the human head. J Comput Assist Tomogr 1985; 9: 1-7
• 7 Konstandin S, Nagel AM, Heiler PM et al. Two-dimensional radial acquisition technique with density adaption in sodium MRI. Magn Reson Med 2011; 65: 1090-1096
• 8 Haneder S, Konstandin S, Morelli JN et al. Quantitative and Qualitative 23Na MR Imaging of the Human Kidneys at 3 T: Before and after a Water Load. Radiology 2011; 260: 857-865
• 9 Boada FE, Shen GX, Chang SY et al. Spectrally weighted twisted projection imaging: reducing T2 signal attenuation effects in fast three-dimensional sodium imaging. Magn Reson Med 1997; 38: 1022-1028
• 10 Bottomley PA, Lee RF, Constantinides CD et al. Quantification and imaging of myocardial sodium and creatine kinase metabolites. MAGMA 2000; 11: 39-41
• 11 Ouwerkerk R, Bleich KB, Gillen JS et al. Tissue sodium concentration in human brain tumors as measured with 23Na MR imaging. Radiology 2003; 227: 529-537
• 12 Ouwerkerk R, Jacobs MA, Macura KJ et al. Elevated tissue sodium concentration in malignant breast lesions detected with non-invasive 23Na MRI. Breast Cancer Res Treat 2007; 106: 151-160
• 13 Berendsen HJ, Edzes HT. The observation and general interpretation of sodium magnetic resonance in biological material. Ann N Y Acad Sci 1973; 204: 459-485
• 14 Nagel AM, Laun FB, Weber MA et al. Sodium MRI using a density-adapted 3D radial acquisition technique. Magn Reson Med 2009; 62: 1565-1573
• 15 Ouwerkerk R. Sodium magnetic resonance imaging: from research to clinical use. J Am Coll Radiol 2007; 4: 739-741
• 16 Schepkin VD, Ross BD, Chenevert TL et al. Sodium magnetic resonance imaging of chemotherapeutic response in a rat glioma. Magn Reson Med 2005; 53: 85-92