Intravitalmikroskopische Untersuchungen der Mikroembolisation mit abbaubaren Stärkemikrosphären (DSM 35/50, EmboCept S )

Transkript

1 211

2 Intravitalmikroskopische Untersuchungen der Mikroembolisation mit abbaubaren Stärkemikrosphären (DSM 35/5, EmboCept S ) 1 Einleitung Durch die Verabreichung eines Chemotherapeutikums in die Gefäße des tumortragenden Organs (z.b. Arteria hepatica) werden höhere Konzentrationen der Wirksubstanz im Tumor (z.b. Lebermetastase) erreicht. Dies erhöht nicht nur die Response- bzw. Remissionsrate des Tumors, sondern verringert auch Nebenwirkungen, weil die Zytostatikakonzentration im Serum niedriger als bei systemischer (i.v.) Gabe ist. Eine weitere Steigerung der lokalen Zytostatikakonzentration kann durch Verlangsamung des Blutflusses während der lokoregionären Chemotherapie erreicht werden, weil sich die Zeit, in der das Chemotherapeutikum ins Gewebe diffundieren kann, deutlich verlängert [1-5]. Vorteile der temporären Mikroembolisation mit EmboCept S Die Mikroembolisation mit EmboCept S in Kombination mit der lokoregionären Chemotherapie bietet folgende Vorteile: Nicht-invasive Applikation (zusammen mit dem Chemotherapeutikum) Keine ischämische Schädigung des tumortragenden Organs (kaum Postembolisationssyndrom) und keine Kollateralenbildung im Bereich des Tumors bei nur kurzzeitigem, reversiblem Verschluss von 6 8 % des Kapillarbettes Kurzfristige Wiederholbarkeit Verbesserung der Durchblutung und Anreicherung des Chemotherapeutikums im Tumor; nach Verschluss der (gesunden) High- Flow-Areale durch die EmboCept-Partikel kommt es zu einer Blutflussredistribution in schlechter perfundierten Tumorarealen. Steigerung der Permeabilität und Leukozyten-Endothel-Interaktionen in den Tumorgefäßen nach Wiedereröffnung der Strombahn. Diese Vorteile sind nicht nur im Hinblick auf die klinische Praktikabilität von Bedeutung. Die zuletzt genannten Punkte könnten auch erklären, warum unter Mikroembolisation mit DSM eine weitere Steigerung der Tumorresponse beobachtet wurde [6-8]. 2

3 2 Methoden Da die o.g. additiven Effekte einer zusätzlichen Mikroembolisation mit DSM nicht hinreichend erklärt sind, wurden diese im Bereich der Mikrozirkulation mit Hilfe der Intravitalmikroskopie untersucht. Mikroskopische Untersuchungen der Mikrozirkulation sind am lebenden Organismus beim Menschen nur an der Fingerbeere und den Schleimhäuten möglich. Für Untersuchungen an inneren Organen wie der Leber oder Lunge muss auf Tiere (z.b. Ratten) zurückgegriffen werden. Neben gesunden Tieren stehen dazu auch Tiere mit Tumoren zur Verfügung. Die Tiere werden unter Narkose operiert. Über einen Bauchschnitt kann z.b. die Leber so unter dem Mikroskop platziert werden, dass die Gefäße im Bereich der Leberoberfläche dargestellt werden können. Zur besseren Kontrastierung und für Messungen des Blutflusses werden Blutbestandteile (Erythrozyten, Leukozyten, Plasma) mit einem Fluoreszenz- Farbstoff markiert. Auch die EmboCept S Mikrosphären und Chemotherapeutika (z.b. 5-FU) können so sichtbar gemacht werden. Zur relevanten Vergleichsmöglichkeit werden pharmakokinetische Messungen aus Gewebeproben herangezogen. Diese aus identischen Tiermodellen (VX-2 Tumore in Kaninchen) gewonnenen Daten basieren auf der HPLC- Messmethode aus Blut und Gewebeextrakten verschiedener Organe incl. Leberparenchym und Tumorgewebe. Besonderer Dank gilt für die wissenschaftliche Betreuung des Projektes: Herrn Prof. Dr. T. Foitzik (Charité, Berlin; Campus Benjamin Franklin) Herrn Dr. G. Berger (Charité, Berlin; Campus Benjamin Franklin) 3

4 3 Ergebnisse Abb1.: Zeigt einen Ausschnitt der Lebermikrozirkulation mit einzelnen gefärbten Erythrozyten, die von oben das Kapillarbett passierend systemwärts einströmen. Abb2.: Bei einer Chemoembolisation lagern sich die Stärkemikrosphären hauptsächlich in zentralen Bereichen des Zielorgans ein. Der Blutfluss wird dadurch im gesamten Organ kurzzeitig, drastisch verlangsamt. Die Stärkemikrosphären sind aber, wie hier sichtbar, selbst am Rande oberflächlich sitzender Tumorherde zu finden, wo sie auch die der Endstrombahn vorgelagerten Gefäße verschließen. 4

5 EmboCept S Embolisation und Abbau in der gesunden Rattenleber Abb. 3 und 4: Nach intraarterieller Gabe der markierten EmboCept S Partikel sammeln sich diese in einer Reihe von Arteriolen an und verschließen diese (von unten links kommend). Abb. 5: Ca Minuten nach der EmboCept S Gabe werden die Konturen unschärfer und ein Schleier sichtbar. Dies ist das erste Zeichen auf den beginnenden Abbau der EmboCept S Partikel; Abbauprodukte mit FluoreszenzMarkierung werden ausgewaschen. 5

6 Abb. 6: Etwas später werden die noch intakten, aber verkleinerten EmboCept S Partikel durch den sich wieder einstellenden Blutfluss weiter in Richtung Kapillarbett und systemischen Blutkreislauf weggeschwemmt. Abb. 7: Unter dem zunehmenden arteriellen Druck und bestehender Restembolisation verlagert sich der Blutfluss in verschiedene Seitenarme des Präkapillarsystems. Der damit erzeugte Unterdruck führt zu einem raschen Wechsel der Blutflussrichtung, was unter der EmboCept S Gabe häufiger beobachtet werden kann. Dies trägt letztendlich zu der o.g. Blutflussredistribution bei. Abb. 8: Nach ca. 3-4 Minuten haben sich alle EmboCept S Partikel aufgelöst und der physiologische Blutfluss ist nahezu vollständig wieder vorhanden. 6

7 Intraarterielle Chemotherapie Abb. 9: zeigt das Einströmen fluoreszenzmarkierten 5-FU in die Leber. Abb. 1,11: Nach wenigen Minuten reichert es sich im Lebergewebe an, das durch die Aufnahme des Zytostatikums hell aufleuchtet, während sich die Gefäße jetzt dunkel abzeichnen. 7

8 Abb.12: Später bleibt der Farbstoff an bestimmten Gewebestrukturen netzartig gebunden, die wir zurzeit noch nicht näher definieren können. Abb.13: Im Lebertumor der Ratte reichert sich das 5-FU bei gleicher Dosierung in etwas höheren Konzentrationen in einer gleichmäßigen Verteilungsform an. Die für das Leberparenchym typische Netzstruktur ist hier nicht sichtbar. 8

9 Chemotherapie ohne und mit EmboCept S Embolisation Durch gleichzeitige EmboCept S Embolisation kann die Konzentration des mitapplizierten Wirkstoffes im Tumor wesentlich gesteigert werden. Dabei scheint die Größe des Wirkstoff-Moleküls nur eine untergeordnete Bedeutung zu spielen [3,4]. Erste Untersuchungen zeigen darüber hinaus, dass diese Art des Konzentrationsvorteils sich nicht nur im Leber-Tumor-Modell, sondern auch in vergleichbaren Situationen in Lungen-Tumor-Modellen nachweisen lässt [5]. Vergleichbare Areale leuchten dadurch deutlich heller. Dies ist bereits durch entsprechende Messungen der Konzentration des Chemotherapeutikums im gesunden Lebergewebe und in Lebertumoren ohne und mit DSM - Gabe nachgewiesen worden [1-5]. In den intravitalmikroskopischen Bildern bestätigt sich das durch die unterschiedlich starke Anfärbung des perivaskulären Gewebes. Mit Hilfe computergestützter Bildanalysetechniken lassen sich diese Farbunterschiede (semi)quantitativ erfassen. 9

10 Leberparenchym 5-FU Anreicherung ohne DSM 5-FU Anreicherung mit DSM Abb. 14: nach ca. 5 min Abb. 16: nach ca. 5 min Abb. 15: nach ca. 25 min Abb. 17: nach ca. einer halben Stunde Abb : AUC ( 72 min) µg/g*min Die Konzentration des 5-FU im Leberparenchym bleibt über die gesamte Beobachtungszeit im Vergleich der beiden Applikationsarten (ohne und mit DSM Embolisation) relativ gleich, und pharmakokinetisch (HPLC) nachgewiesene, geringere Unterschiede sind dabei nur bedingt sichtbar. AUC ( 12 min) µg/g*min ,65 µg/g 1 Leberparenchym ,39 µg/g 1 Leberparenchym min min Abb. 18, 19: HPLC-Messung von 5-FU nach IA-Gabe ohne und mit DSM 1

11 Tumorgewebe 5-FU Anreicherung ohne DSM 5-FU Anreicherung mit DSM Abb. 2: nach ca. 5 min Abb. 22: unmittelbar nach Applikation Abb. 21: nach ca. 3 min Abb. 23: nach ca. 2 min Abb. 2-25: AUC ( 72 min) µg/g*min AUC (-12 min) µg/g*min Klar erkennbare Unterschiede lassen sich dagegen im Tumor darstellen. Zur stärksten Anreicherung von 5-FU kommt es unter gleichzeitiger EmboCept S Embolisation. Dieser erhebliche Konzentrationsvorteil, der bereits nach ca. 5 Minuten hervortritt, bleibt auch noch nach einer halben Stunde deutlich sichtbar, was sich sehr gut mit den HPLC-Messungen korrelieren lässt ,9 µp/g Tumor ,39 µg/g 2 Tumor min min Abb. 24, 25: HPLC-Messung von 5-FU nach IA-Gabe ohne und mit DSM 11

12 Zusammenfassung / Ausblick Die Applikation des Chemoembolisations-Gemisches, bestehend aus einem zytotstatisch/zytotoxisch wirkenden Agens (z.b. 5-FU) und Stärkemikrosphären (EmboCept S), führt zu einer mehrfachen Durchspülung des tumorversorgenden Kapillarbettes. Diese Bewegungen des Blut- Wirkstoffgemisches führen zu einer Erhöhung der Kontaktzeit zum Tumor. Im Vergleich zur alleinigen Verabreichung des Wirkstoffes werden dadurch signifikante Konzentrationserhöhungen im Tumorgewebe erzielt. Diese Konzentrationsvorteile können durch verschiedene pharmakokinetische Nachweismethoden (z.b. HPLC) deutlich gemacht werden. Die Art und die Molekülstruktur der verwendeten Wirksubstanz scheint dabei nur eine untergeordnete Bedeutung zu haben. Letztendlich ist es mit der verwendeten Methode der Intravitalmikroskopie erstmalig gelungen, einen solchen Konzentrationsvorteil sichtbar zu machen. Sowohl umfangreiche Tierexperimente als auch erste klinische Studienergebnisse zeigen, dass die damit gewonnene höhere Wirkstoffkonzentration im Tumor auch zu erhöhten Tumoransprechraten führt [2,6-8]. Es muss das Ziel zukünftiger Studien sein, diese Vorteile des verbesserten Tumoransprechens als Grundlage eines damit verlängerten Gesamtüberlebens der behandelten Patienten nachzuweisen. 12

13 Literatur 1) Johannsson C-J Pharmacokinetik Rationale for Chemotherapeutic Drugs Combined with Intra-Arterial Degradable Starch Microspheres (Spherex ). Drug Delivery Systems 31, 1996, ) Altomonte J et al. Synergistic antitumor effects of transarterial viroembolization for multifocal hepatocellular carcinoma in rats. Hepatology 48, 28, ) Pohlen U et al. Stealth liposomal 5-Fluorouracil with or without degradable starch microspheres for hepatic arterial infusion in the treatment of liver metastases. An animal study in VX-2 liver tumor-bearing rabbits. Anticancer Res 24, 24, ) Pohlen U et al. Improvement of biodistribution with PEGylated liposomes containing docetaxel with degradable starch microspheres for hepatic arterial infusion in the treatment of liver metastases: a study in CC-531 liver tumor-bearing WAG RIJ rats. Anticancer Res 31, 211, ) Pohlen U et al. Chemoembolization of lung metastases pharmacokinetic behavior of carboplatin in a rat model. Anticancer Res 27, 27, ) Pohlen U et al. Hepatic arterial infusion (HAI). Comparison of 5-fluorouracil, folinic acid, interferon alpha-2b and degradable starch microspheres versus 5- Fluorouracil and folinic acid in patients with non-resectable colorectal liver metastases. Anticancer Res 26, 26, ) Taguchi T Chemoembolization for treatment of liver cancer in Japan. Reg Cancer Treat 8, 1995, ) Vogl T et al. Hepatic intraarterial chemotherapy with gemcitabine in patients with unresectable cholangiocarcinomas and liver metastases of pancreatic cancer: a clinical study on maximum tolerable dose and treatment efficacy. J Cancer Res Clin Oncol 132, 26,