[논문 리뷰] Magnetic resonance imaging of mean cell size in human breast tumors

Junzhong Xu, Xiaoyu Jiang외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 19.

Advanced MRI Techniques and ApplicationsMedicine참고 문헌 48인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 표준 3T MRI 스캐너를 사용하여 인간 유방 종양에서 비침습적이고 생체 내 평균 세포 크기를 맵핑할 수 있는 빠르고 임상적으로 실현 가능한 MRI 방법인 IMPULSED를 소개한다. 스펙트르 편집된 확산 영상과 기울기 파동형의 분석 모델을 조합함으로써 IMPULSED는 약 7분 내에 고해상도(1.3 mm 정면 해상도) 세포 크기 맵을 얻는 데 성공했으며, 시뮬레이션, 배양 세포 실험 및 생체 내 동물 모델을 통해 검증되었다. 이 방법은 전임상 유방암 환자에게도 성공적으로 적용되었다.

ABSTRACT

Purpose: Cell size is a fundamental characteristic of all tissues, and changes in cell size in cancer reflect tumor status and response to treatments, such as apoptosis and cell cycle arrest. Unfortunately, cell size can only be obtained by pathologic evaluation of the tumor in the current standard of care. Previous imaging approaches can be implemented on only animal MRI scanners or require relatively long acquisition times that are undesirable for clinical imaging. There is a need to develop cell size imaging for clinics. Experimental Design: We propose a new method, IMPULSED (Imaging Microstructural Parameters Using Limited Spectrally Edited Diffusion) that can characterize mean cell sizes in solid tumors. We report the use of combined sequences with different gradient waveforms on human MRI and analytical equations that link DWI signals of real gradient waveforms and specific microstructural parameters such as cell size. We also describe comprehensive validations using computer simulations, cell experiments in vitro, and animal experiments in vivo and finally demonstrate applications in pre-operative breast cancer patients. Results: With fast acquisitions (~ 7 mins), IMPULSED can provide high-resolution (1.3 mm in-plane) mapping of mean cell size of human tumors in vivo on currently-available 3T MRI scanners. All validations suggest IMPULSED provide accurate and reliable measurements of mean cell size. Conclusion: The proposed IMPULSED method can assess cell size variations in the tumor of breast cancer patients, which may have the potential to assess early response to neoadjuvant therapy.

연구 동기 및 목표

• 고체 종양에서 평균 세포 크기를 비침습적으로 평가할 수 있는 임상적으로 실현 가능한 MRI 방법을 개발하기 위해.
• 특수 장비가 필요하거나 장시간 스캔이 요구되는 기존 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 표준 임상 MRI 하드웨어를 사용하여 인간 유방 종양에서 생체 내 고해상도 세포 크기 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 컴퓨터 시뮬레이션, 배양 세포 배양, 생체 내 동물 모델을 포함한 다중 플랫폼에서 방법을 검증하기 위해.
• 전임상 유방암 환자에서 임상 적용으로 번역하기 위해.

제안 방법

• IMPULSED는 확산 영상(DWI)과 스펙트르 편집된 기울기 파동형을 조합하여 세포 크기와 관련된 미세구조 신호를 분리한다.
• 실제 기울기 파동형의 DWI 신호와 세포 크기와 같은 미세구조 매개변수를 연결하는 분석 방정식을 사용한다.
• 제한된 스펙트르 편집을 활용하여 세포 내 구획 크기 민감도를 향상시키면서도 스캔 시간을 최소화한다.
• 시퀀스 설계 덕분에 표준 3T MRI 스캐너에서 약 7분 내에 빠른 촬영이 가능하며, 고공간 해상도(1.3 mm 정면 해상도)를 제공한다.
• 수치 시뮬레이션, 제어된 세포 현탁액을 사용한 배양 실험, 생체 내 동물 종양 모델을 통한 다중 척도 기준 검증을 수행한다.
• 일반적인 임상 MRI 프rotocols를 사용하여 전임상 유방암 환자에서의 임상 실현 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특수 하드웨어가 필요 없이 임상적으로 실현 가능한 MRI 방법이 인간 유방 종양에서 평균 세포 크기를 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 IMPULSED 시퀀스는 시뮬레이션, 배양 세포, 생체 내에서의 다양한 생물학적 척도에서 정확성과 재현성 측면에서 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ3 IMPULSED는 종양 상태 및 치료 반응과 관련된 생물학적으로 의미 있는 세포 크기 변화를 감지할 수 있는가?
• RQ4 표준 3T MRI 시스템에서 생체 내 평균 세포 크기 맵핑의 가능 공간 해상도와 스캔 시간은 얼마인가?
• RQ5 전임상 유방암 환자에서 임상 환경에서 신뢰성 있고 정량적인 세포 크기 추정치를 제공하는가?

주요 결과

• IMPULSED는 표준 3T MRI 스캐너에서 약 7분의 스캔 시간으로 인간 유방 종양에서 고해상도(1.3 mm 정면 해상도) 평균 세포 크기 맵핑을 성공적으로 수행했다.
• 시뮬레이션 결과 방법의 세포 크기 변화에 대한 민감도와 노이즈 및 시퀀스 비완전성에 대한 강건성을 확인했다.
• 제어된 세포 현탁액을 사용한 배양 실험에서 측정된 세포 크기와 기대되는 세포 크기 사이에 강한 일치를 보였으며, 이는 방법의 정확성을 검증했다.
• 생체 내 동물 연구에서 종양 유도 모델에서 일관되고 재현 가능한 세포 크기 맵핑을 확인했으며, 생리학적 관련성을 입증했다.
• 전임상 유방암 환자에서 임상 적용을 통해 신뢰할 수 있는 세포 크기 맵핑을 성공적으로 생성했으며, 일상 임상 적용 가능성을 입증했다.
• 방사선 치료나 세포 주기 정지와 관련된 세포 크기 변화를 조기에 감지할 잠재력이 있음을 보여주었다.