[논문 리뷰] Mathematical modeling of the treatment response of resection plus combined chemotherapy and different types of radiation therapy in a glioblastoma patient

Farshad Samadifam, Ehsan Ghafourian|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 15.

Mathematical Biology Tumor Growth인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 거대세포성 신생물 환자에서 근치적 절제술, 테모졸로omid과 동시화학방사치료, 그리고 보조화학요법을 시행한 후의 치료 반응을 시뮬레이션하기 위한 수학적 모델을 개발한다. 모델은 고선량 감도 조건에서 초과분할 방사치료가 전통적 방사치료보다 더 높은 총선량 투여로 인해 3개월 이상 생존 기간을 연장함을 보여주며, 이는 고선량 감도에서 생존 기간이 3개월 이상 증가함을 시사한다. 그러나 영상 진단 한계로 인해 치료 효과에도 불구하고 종양의 시각적 평가가 제한됨을 나타낸다.

ABSTRACT

Background: Gliomas are the most common brain tumors, which vary from low to high-grade. Despite the improvements in imaging techniques in the last decade, all parts of the tumor are not visible in these images, due to having a threshold of detection often lower than most of the tumor. Method: We simulated a brain domain to model heterogeneous growth plus gross total resection following concurrent chemo- and radiation therapy and adjuvant chemotherapy using temozolomide for a patient, diagnosed with glioblastoma, for different radiobiological alpha parameter as high, medium, and low sensitivity. The extent of difference in the result of treatment, area of the tumor, and survival time relating to those sensitivity parameters were shown. Moreover, based on the threshold of detection of MRI (T1Gd), the area of the tumor visible to this imaging technique was simulated. Furthermore, the extent of difference in the result of treatment for both conventional and hyperfractionated radiotherapy was investigated. Conclusion: The survival time of patient was increased by 2 months and more than 3 months at the lowest and highest sensitivity of radiation therapy, respectively.The result showed hyperfractionated radiotherapy was more effective than conventional radiotherapy in reducing the concentration of cancerous cells,as hyperfractionated method allows administration of higher total dose.

연구 동기 및 목표

• 근치적 절제술, 동시화학방사치료, 보조테모졸로omid 요법을 시행한 거대세포성 신생물 환자의 치료 반응을 시뮬레이션하기 위해.
• 다양한 방사생물학적 알파 파라미터(고감도, 중간감도, 저감도)가 종양 조절 및 생존 기간에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 잔류 암세포 농도 감소 측면에서 전통적 방사치료 대비 초과분할 방사치료의 유효성을 비교하기 위해.
• MRI T1Gd 대조 영역 감지 한계 기반으로 시각화 가능한 종양 영역을 모델링하기 위해.
• 영상 감도가 인식된 치료 결과에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 비균질한 거대세포성 신생물 성장 및 절제를 표현하기 위해 3차원 뇌 영역을 시뮬레이션하였다.
• 공간적·시간적 해상도를 갖춘 편미분방정식 시스템을 사용하여 종양세포 동역학을 모델링하였다.
• 다양한 알파 파라미터를 적용하여 방사선 감도의 차이(고감도, 중간감도, 저감도)를 반영하기 위해 방사치료를 시뮬레이션하였다.
• 약물동태학적 및 세포독성 파라미터를 사용하여 동시화학방사치료 및 보조테모졸로omid 요법을 모델링하였다.
• 분획 수 및 총선량 조절을 통해 저분획 및 초과분할 방사치료 레지멘을 비교하였다.
• MRI 감지 한계(T1Gd)를 적용하여 최소 감지 가능한 세포 농도 기반으로 시각화 가능한 종양 부피를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근치적 절제술 및 다학적 치료 후, 다양한 방사생물학적 알파 파라미터가 거대세포성 신생물 환자의 생존 기간과 잔류 종양 부담에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 초과분할 방사치료와 전통적 방사치료의 암세포 농도 감소에 대한 상대적 유효성은 무엇인가?
• RQ3 MRI T1Gd 감지 한계가 치료 후 잔류 종양의 시각화에 얼마나 큰 제약을 가하는가?
• RQ4 절제술, 동시화학방사치료, 보조테모졸로omid 요법의 조합이 장기 생존에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 수학적 모델링을 통해 초과분할로 인한 더 높은 총선량 투여로 인한 생존 기간 증가를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 방사치료가 매우 효과적일 경우(고알파 파라미터), 저감도 대비 생존 기간이 3개월 이상 증가하였다.
• 저분획 방사치료가 총선량 투여가 더 많기 때문에 전통적 방사치료보다 암세포 농도 감소에 더 효과적이었다.
• 가장 낮은 방사선 감도 조건(저알파 파라미터)에서 모델은 2개월의 생존 기간 증가를 예측하였다.
• MRI T1Gd 기반 시각화 가능한 종양 부위는 실제 잔류 종양 부담보다 크게 작았으며, 이는 영상에 의해 종양이 과소평가됨을 시사한다.
• 초과분할로 더 높은 총선량을 투여함으로써 종양 조절이 향상됨을 모델이 입증하였다. 이는 동일한 분획 계획에서도 성립하였다.
• 치료 반응은 방사생물학적 감도에 따라 크게 달라졌으며, 이는 모델링에서 환자별 특화된 방사생물학적 파라미터의 중요성을 강조한다.