Impact of Hypoxia and the Metabolic Microenvironment on Radiotherapy of Solid Tumors

Background:

Recent developments in imaging technology and tumor biology have led to new techniques to detect hypoxia and related alterations of the metabolic microenvironment in tumors. However, whether these new methods can predict radiobiological hypoxia and outcome after fractionated radiotherapy still awaits experimental evaluation.

Material and Methods:

The present article will introduce a multiinstitutional research project addressing the impact of hypoxia and the metabolic microenvironment on radiotherapy of solid tumors. The four laboratories involved are situated at the universities of Dresden, Mainz, Munich and Würzburg, Germany.

Results:

The joint scientific project started to collect data obtained on a set of ten different human tumor xenografts growing in nude mice by applying various imaging techniques to detect tumor hypoxia and related parameters of the metabolic microenvironment. These techniques include magnetic resonance imaging and spectroscopy, metabolic mapping with quantitative bioluminescence and single-photon imaging, histological multiparameter analysis of biochemical hypoxia, perfusion and vasculature, and immunohistochemistry of factors related to angiogenesis, invasion and metastasis. To evaluate the different methods, baseline functional radiobiological data including radiobiological hypoxic fraction and outcome after fractionated irradiation will be determined.

Conclusion:

Besides increasing our understanding of tumor biology, the project will focus on new, clinically applicable strategies for microenvironment profiling and will help to identify those patients that might benefit from targeted interventions to improve tumor oxygenation.

Hintergrund:

Neue Technologien und tumorbiologische Erkenntnisse ermöglichen die Darstellung von hypoxischen Tumorzellen und Veränderungen des metabolischen Mikromilieus in Tumoren. Die experimentelle Evaluierung, inwieweit diese Methoden mit der radiobiologischen Hypoxie und dem Ergebnis der fraktionierten Bestrahlung korrelieren, steht bislang aus.

Material und Methodik:

Im vorliegenden Artikel wird ein multiinstitutionelles Forschungsprojekt zwischen Arbeitsgruppen an den Universitäten in Dresden, Mainz, München und Würzburg zur Bedeutung der Hypoxie und des metabolischen Mikromilieus für die Strahlentherapie solider Tumoren vorgestellt.

Ergebnisse:

Im gemeinsamen Forschungsprojekt werden an zehn verschiedenen humanen Tumorxenografts in der Nacktmaus unterschiedliche Methoden zur Darstellung und Quantifizierung der Hypoxie und von Parametern des metabolischen Mikromilieus angewandt. Diese Methoden umfassen die Magnetresonanztomographie und -spektroskopie, die histographische Darstellung metabolischer Parameter mittels quantitativer Biolumineszenz, die multiparametrische Analyse von biochemischer Hypoxie, Perfusion und Gefäßnetz sowie immunhistochemische Untersuchung von Faktoren, die bei der Angiogenese, Invasion und Metastasierung eine wichtige Rolle spielen. Zur funktionellen Evaluierung der verschiedenen Messmethoden werden die radiobiologisch-hypoxische Fraktion und die Strahlenempfindlichkeit gegenüber einer fraktionierten Bestrahlung für alle zehn Tumormodelle bestimmt.

Schlussfolgerung:

Neben der Gewinnung neuer tumorbiologischer Erkenntnisse werden sich die Arbeitsgruppen darauf konzentrieren, neue, klinisch einsetzbare Strategien zur Bestimmung des Profils des Tumormikromilieus zu entwickeln. Diese sollen helfen, jene Patienten herauszufinden, die von einer gezielten Verbesserung der Tumoroxygenierung profitieren.