ÖZET

Hipoksi, hücrelerde oksijen üretim ve tüketimi arasındaki dengesizlikten kaynaklanan ve solid tümörlerde sık rastlanan bir durumdur. Hipoksik hücreler artmış anjiyogenez, invazyon, metastaz, metabolik değişim ve genomik instabilitenin yanında tedaviye direncin ve kötü prognozun bir göstergesidir. Radyoterapi sırasında tümör hipoksisini aşmayı amaçlayan farmakolojik müdahaleler, hipoksik hücrelerde seçici olarak aktive olan ön ilaçları veya hipoksik hücre hayatta kalımında rol oynayan moleküler hedeflerin inhibitörlerini içerir. Bu uygulamalar çeşitli nedenlerle klinikte yeterince yer bulamamıştır. Bununla birlikte hipoksi açısından uygulanacak stratejilerden en çok fayda sağlayan hastayı belirlemek kritiktir. Hipoksik alanlarda radyoterapi dozunu düzenlemek tümör kontrolünde önemli olabilir. Görüntüleme teknikleri modern radyoterapi tekniklerinin yaygın olarak kullanıldığı günümüzde tümörün hipoksik bölgelerini göstermeyi sağlayarak radyoterapi planlaması ve reçetelemesinde modifikasyonlara imkan verebilir. Tümör hipoksisini ortaya koymada hipoksik radyofarmasötiklerin yer aldığı pozitron emisyon tomografisinin radyoterapi ile kullanımına dair bilgi birikimi artmaktadır. Bu derlemede, radyoterapi sırasında tümör hipoksisinin davranışını karakterize ederek tümöre ve hastaya özel tedavi geliştirmede hipoksi görüntüleme belirteçlerinin yeri araştırılacaktır.

Giriş

Doku oksijenasyonundaki yetersizlik olarak bilinen hipoksi, tümör tedavisinde dirençten sorumlu tutulan ve prognozu olumsuz etkileyen faktörlerden biridir (1). Özellikle radyasyon direncini (radyorezistansı) artırdığı bilindiğinden beri tümör hipoksisini aşmak adına çeşitli stratejiler geliştirilmeye çalışılmıştır (2,3,4,5). Ancak tüm bu gelişmelere rağmen, hipoksik durumun iyileştirilmesinin sonuçları istenildiği gibi pratiğe yansımamıştır. Dozun hedef içinde modüle edilebildiği yoğunluk ayarlı radyoterapi teknikleri, küçük hacimlere ablatif dozları uygulamayı sağlayan stereotaktik cihazlar ve yöntemler, proton ve karbon iyon gibi relatif biyolojik etkinliği ve derin doz dağılımı fotondan farklı ışınlar radyoterapide tedavi sonuçlarını iyileştirerek daha geniş uygulama alanları sağlayan gelişmelerdir (6).

Tümörde (hedefte) yüksek dozu normal dokuları koruyarak vermeyi amaçlayan bu gelişmeler doz eskalasyonu denilen, reçete edilen dozda değişiklikler yapabilme şansını artırabilir (7). Bu uygulamalarda doğru hastanın uygun tedavi için seçilmesinin önemi giderek artmaktadır. Bunlardan biri de hipoksiden zengin tümörlerin tedavisinde hangi yöntemin daha iyi sonuç vereceğinin belirlenmesi olabilir (8). Şüphesiz bunun ilk şartı tümör dokusunda hipoksik hücrelerin/alanların yerinin mümkün olan en doğru şekilde gösterilebilmesi ve ölçülebilmesidir. Tıbbi görüntülemedeki ilerlemeler tümördeki hipoksik bölgelerin belirlemesi ve karakterize edilmesi konusunda giderek gelişmektedir. Hipoksik alanları belirlemeye yardımcı farmasötiklerle yapılan pozitron emisyon tomografisinin (PET) radyoterapi planlama sürecine dahil edilmesi bireyselleştirilmiş tedavilerin düzenlenebilmesine, tedavi cevabının izlenmesine ve farklı tedavi modalitelerinin bir arada kullanımındaki başarının artmasına imkan sağlayabilir (9). Bu makalede, tümörün hipoksik alanlarının yerinin belirlenmesinin (haritalanmasının) radyoterapi planlamasına ve tedavi sonuçlarının iyileştirilmesine katkısı ve gelecekteki potansiyeli literatür ışığında özetlenecektir.

Tümör Hipoksisi ve Radyoterapi Direnci 

Solid tümörlerde oksijen düzeyinin ≤15,2-22,8 mmHg değerine ve %2-3 düzeyine kadar düşmesi olarak tanımlanan hipoksi tümöre ve kişiye göre heterojenite gösterebilir (10,11). Tümörde hipoksi, özellikle hızlı prolifere olan hücrelerde oksijen arzı ve talebi arasındaki dengesizlikten kaynaklanır ve tümör neovaskülerizasyona neden olur (11,12). Hipoksik ortamda hipoksi ile indüklenebilir faktör-1 alfanın (HIF-1α) stabilize olması endojen bir tetikleyici olup anjiyogenez, lokal invazyon, hücresel proliferasyonu ve metastazı tetikleyen genlere ekspresyon yolunu açar (13,14).

Oksijenin radyoterapinin etkinliğini artırmadaki kritik rolü uzun yıllardır bilinmektedir (2,5,15,16). İyonlaştırıcı radyasyonun hücre düzeyindeki su ile etkileşimi sonucu serbest oksijen radikalleri oluşur. Radyoterapinin hücresel düzeydeki en kritik etkisi olan DNA hasarı, direkt ve çoğu indirekt olarak oluşan serbest radikallere bağlıdır (17). Serbest radikal oluşumu oksijenin varlığında gerçekleşir. Anlaşılacağı gibi hipoksik/anoksik ortamda bu radikallerin oluşumu azalır ve radyoterapiye direnç hücre düzeyinde başlar. Radyoterapi direncine neden olan ciddi hipokside oksijen düzeyi <%0,13, <0,988 mmHg’ye düşer. Oksijenin <%0,02, <0,15 mmHg olması durumunda ise radyoterapiye maksimum dirençten söz edilebilir. Bu durumda radyoterapiye bağlı hücre ölümü hipoksik-anoksik hücrelerde oksijenlenmiş hücrelere göre üç kat daha azdır (18,19).

Tümör Hipoksisi Ölçme, Değerlendirme Yöntemleri ve Klinik Uygulamalar

Tümör oksijenasyonu oldukça heterojendir ve doğrudan ölçülmesi zordur (20). Doku ve tümör oksijenasyonunu doğrudan gösteren ve kısmi oksijen basıncını değerlendiren eppendorf O2 polarografik iğne elektrodu, invaziv olması, mekansal ve zamansal çözünürlüğün olmaması nedeniyle klinik rutine girememiştir (21). Bunun dışında patoloji preparatlarında immünohistokimyasal boyamayla HIF-1α ve karbonik anhidraz IX (CAIX) gibi hipoksi ile ilişkili biyobelirteçler kullanılarak tümör hipoksisi hakkında bilgi sahibi olunabilir (21,22).

Tümör hipoksisini değerlendirmede artan oranda araştırılan bir diğer yöntem de multiparametrik manyetik rezonans görüntülemedir (mpMRG) (23). Radyoterapi açısından bu yöntemdeki zorluklardan biri tümörün çevre normal dokudan ayrımında (örnek olarak prostat kanserinde) güçlük olmasıdır. Bu nedenle görüntülemeyle histopatolojik ve genomik verilerin birlikte değerlendirilmesi önerilmektedir. Öte yandan orta ve yüksek riskli prostat kanseri tanılı hastalarda mpMRG kullanılarak yapılan bir faz III çalışmada tedavi dozunu 77 Gy’den fokal alanda (fokal boost) 95 Gy’e çıkarmanın sonuçlar üzerine etkisi incelenmiştir (24). Beş yıllık biyokimyasal hastalıksız sağkalım sonuçları anlamlı olarak daha iyi bulunmuştur (%92’ye karşılık %85; hazard ratio 0,45, %95 güven aralığı, 0,28- 0,71, p<0,001). Geç toksisiteyi artırmayan bu doz eskalasyonunun genel sağkalıma etkisi gösterilememiştir.

Tümör hipoksisini belirlemede metabolik görüntüleme adına çalışmalar giderek artmaktadır. Hipoksi için PET ile görüntülemede en sık kullanılan radyofarmasötikler arasında F-18 fluoromisonidazol (FMISO), β-F-18 Fluoroazomysinarabinosid (FAZA), F-18 Fluoroeritronitroimidazol (FETNIM), F-18 2-Nitroimidazolpentafluoropropilasetamid (EF5) ve F-18 flortanidazol (HX4) bulunmaktadır (25,26,27,28,29,30,31). Bu görüntülemelerden FMISO ve FAZA’nın tümör hipoksisinin görüntülenmesindeki önemine dair çalışmalar değer kazanmıştır. Her iki farmasötik de hipoksik koşullar altında yüksek oranda reaktif oksijen radikallerine geri dönüşümlü olarak indirgenir. Oksijen radikalleri, 5 ila 10 mmHg’nin altındaki düşük PO2 değerlerinde hücre içi makromoleküllere bağlanır ve hipoksik hücreler içinde hapsolur. Tümör radyosensitivitesi 10 mmHg’lik bir oksijen kısmî basıncının altına aşamalı olarak düştüğü için bu PO2 eşiği radyoterapide özellikle önemlidir (12,13).

Baş ve boyun kanseri tanılı hastalarda tümörlerde artan FMISO tutulumunun genel sağkalımı olumsuz etkilediği bildirilmiştir (30). Bununla birlikte, FMISO’nun kullanımının sınırlı olma nedeni misonidazolün geç görüntülemeyi engelleyen nispeten kısa (50 dakika) biyolojik yarılanma ömrüdür (31). Bu nedenle hipoksik alanlarda artan eser birikim normoksik doku ile hipoksik alanlar arasında injeksiyondan sonraki birkaç saat içinde görüntü kalitesinde azalmaya neden olabilir. Ek olarak, FMISO ile görüntülemede, normoksik dokuda spesifik olmayan yüksek tutulum olabileceği gibi bazı tümör tiplerinde hiç tutulum olmayabileceğine dair kanıtlar bildirilmiştir (32). Alternatif olarak, ikinci nesil bir nitroimidazol olan FAZA, FMISO’ya kıyasla daha düşük lipoflikliğe sahiptir. Bu nedenle daha yüksek perfüzyon ve kandan daha hızlı klirensle daha iyi tümör arka plan oranı (tumor background ratio-TBR) sağlayabilmektedir (27,28,29).

Hipoksinin Görüntülenme Belirteçleri ve Radyoterapi

Tümör ya da hedefte maksimum dozu sağlarken kritik yapılarda dozu sınırlayan yoğunluk ayarlı (modülasyonlu) radyoterapi (IMRT) tüm radyoterapi kliniklerinde uygulanabilmektedir. Metabolik ve anatomik tümör bilgilerinin aynı anda elde edilebildiği PET’ten ve bilgisayarlı tomografiden (PET/BT) IMRT tedavi planlamasında sıklıkla yararlanılmaktadır (33). Bununla birlikte, hipoksik tümörleri olan hastaların tanımlanması, hipoksiye bağlı radyoterapi doz artımı (eskalasyon) ya da azaltımı (de-eskalasyon) yapılabilmesi ve hipoksideki değişikliklerin bir tedavı cevabı olarak izlenmesi günümüzde araştırma aşamasındadır (34).

Metabolik ve fonksiyonel görüntüleme yöntemlerinden yararlanarak tümörde (hedefte) tek düze olmayan (nonuniform) doz dağımı elde etmek doz boyama (dose painting) olarak bilinmektedir (35). Doz boyama ile radyoterapi reçetelerinin özelleştirilmesi ve radyodirençli bölgelerde hipoksi görüntüleme belirteçleri kullanılarak dozun seçici olarak artırılması yöntemin potansiyelidir. Henüz rutin klinik uygulamaya girmese de tümör hipoksisine bağlı rekürrensin ve progresyonun sık izlendiği tümörler (örneğin; baş boyun tümörleri, yüksek dereceli glial tümörler) “hipoksi hedefli kişileştirilmiş radyoterapi” için başlıca adaylar arasındadır (36,37,38,39,40). Tıpkı IMRT’de olduğu gibi yoğunluk ayarlı proton tedavisi (IMPT) vb. farklı radyoterapi tekniklerinde de doz boyama ile tedavi modifikasyonu araştırma aşamasındadır (41,42,43).

Teknik olarak hipoksi içeren görüntüleri doz reçetelerine çevirmek için iki ayrı yöntem önerilmektedir. Bunlar konturla doz boyama (dose painting by countoring-DPBC) ve sayıyla doz boyamadır (dose painting by numbers-DPBN) (35). Bunlardan modelleme çalışmalarında özellikle DPBC ile hipoksi hedefli nonuniform doz dağılımıyla tümör kontrol olasılığını artırmada başarı sağlanabileceği gösterilmiştir (44,45,46). Klinik deneyim olarak iki ayrı FMISO PET ile yapılan faz II çalışma, hipoksi hedefli doz boyama ile doz eskalasyonunun sağlanabileceği görülmektedir (47,48). Vera ve ark. (47) küçük hücreli dışı akciğer kanseri hastalarında radyoterapi dozunu hipoksik hacimlerde %130 artırırken, Welz ve ark. (48) baş boyun kanserli hastalarda %110 artırabilmişlerdir. Tümör kontrolünün sonlanım noktası olduğu bu çalışmalardan akciğer kanserinde FMISO uptake’indeki artışla 86 Gy’lik doz eskalasyonuna gidilmiş ancak tümör kontrolünde başarı sağlanamamıştır. Araştırıcılar çalışmada toplam radyoterapi süresinin uzamasının akselere repopülasyon nedeniyle başarısızlığa neden olduğunu bu nedenle simültane integre boost tekniği ile tedavi yapılmasının araştırılabileceğini vurgulamaktadır (47). Az sayıda hasta içerse de baş boyun kanserli hastalarda yapılan çalışmalar hipoksi hedefli radyoterapi için umut vadetmektedir (49,50). Choi ve ark. (49) sekiz hastanın altısında 72 Gy’den (fraksiyon başına 2,4 Gy) 78 Gy’ye (fraksiyon başına 2,6 Gy) doz artışının uygulanabilirliğini göstermiştir. Hendrickson ve ark. (50) tümör kontrol olasılığında %17’lik bir artışı öngörerek 10 hastalık bir kohortta her hasta için 10 Gy’lik bir doz artışı sağlamıştır. FMISO PET ile yapılan diğer çalışmalar rektum ve pankreas tümörleri üzerinedir (9,51). Bunlardan pankreas kanseri tanılı yedi hastada tipik PET’teki metabolik aktivite ile tümör boyutu arasında bir ilişki gösterilememiş, hipoksi ise yalnızca iki hastada tespit edilebilmiştir (51).

Tersi bir soru, hipoksik hacim içermediği gösterilen tümörlerde total radyoterapi dozunda güvenli bir şekilde standart dozların altına inilip inilemeyeceği olabilir. Orofarenks kanserinde insan papilloma virüsünün (HPV) varlığında radyosensitivitenin arttığı ve prognozun daha iyi olduğu bilinmektedir (52). Bu amaçla HPV pozitif hasta grubunda prospektif de-eskalasyon çalışması yapılmıştır (53,54). Radyoterapi başında standart florodeoksiglukoz PET’e ek olarak FMISO PET yapılarak tümör hipoksisi olmayan hastalara 30 Gy radyoterapi ve eş zamanlı kemoterapi uygulanmıştır. Bu hastalardaki ilk sonuçlar yüz güldürücüdür.

Radyoterapinin hipoksik bölgelerdeki etkinliğini artırmak için tiripazamin gibi hipoksik radyosensitizanların eş zamanlı uygulanması kombinasyon tedavilerinin geliştirilmesine rehberlik edebilir. Rischin ve ark. (55) çalışmalarında tedavi öncesi FMISO PET ile tümör hipoksisi gösterilen hastalarda hipoksik hücrelerde sitotoksik özelliği olan tiripazamin grubunda kontrol grubuna göre prognostik ve prediktif olarak anlamlı iyileşme göstermişlerdir.

Yoğunluk ayarlı proton tedavisi (IMPT) gibi partiküler tedavilerde etkinlik açısından oksijen bağımlığının foton enerjisi ile yapılan radyoterapiye göre çok daha az olduğu bilinmektedir (41,42). Bununla birlikte hipoksi temelli doz boyamanın IMPT için geçerliliği de bir başka araştırma konusudur (39,40,41,42,43). Bir başka farmasötik olan Cu-64/Cu-67 ile yapılan metabolik görüntülemenin radyoterapideki yeriyle ilgili çalışmalar da sürmektedir (56). Bunun yanında hipoksik radyofarmasötik PET ve mpMRG’nin birlikte kullanıldığı çalışmaların artması beklenmektedir. 

Hipoksi Belirteçlerinin Radyoterapideki Potansiyeli Açısından Sorular

İdeal bir hipoksi belirtecinin nekrozla hipoksiyi ayırt edebilmesi, farklı merkezlerde üretilebilir ve uygulanabilir olması, uygulama kolaylığı, süre ve maliyet açısından avantaj sağlaması beklenir. Ne yazık ki günümüzde hiçbir belirteç tüm kriterleri karşılamamaktadır (57).

Radyoterapide amaç tümörün tamamında hücre ölümüne neden olmak değil, öncelikle çoğalma potansiyeline sahip tüm klonojenik hücrelerin öldürülmesidir. Hipoksik fragmanda bulunmayan ve doz eskalasyonu gerektiren klonojenik hücreler tümörün normoksik alanların da yer alabilir. Bu nedenle görüntüleme yöntemlerinde gelişmeler radyoterapi açısından da önemlidir (58).

Hipoksik bölgelerin hacim olarak büyüklüğü de tedavi modifikasyonunda rol alabilir. Küçük hacimli hipoksik alanlar daha az sayıda klonojenik hücre içerebilir ve doz eskalasyonuna daha az ihtiyaç gösterebilir. Kişiselleştirilmiş doz boyamada bu özelliğin dikkate alınması henüz belirsizliğini korumaktadır (59).

Radyoterapi sürecinde ardışık görüntüleme, hipoksi seviyelerindeki değişiklikleri izlemeye yardımcı olabilir adaptif tedavi planlamaya olanak tanıyarak optimal terapötik sonuçlar adına katkı sağlayabilir. Ancak adaptif tedaviler için hipoksik belirteçlerle görüntüleme henüz inceleme aşamasındadır (60).

Sonuç

Hipoksi görüntüleme belirteçleri, radyasyon onkolojisindeki gelişmelere tedavi etkinliği, bireyselleştirilmiş tedavi ve prognoz belirleme açısından değer katma potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte çalışmalardan elde edilen kanıtlar hipoksi hedefli doz eskalasyonu başta olmak üzere rutin klinik uygulamalara geçmek için henüz erkendir. Gelişmeler ışığında hipoksi görüntüleme yöntemlerinin radyoterapi tedavi planlama sürecine entegre edilmesi birkaç potansiyel fayda sağlayabilir. Hipoksi hedefli kişiselleştirilmiş radyoterapinin diğer tedavilerle kombinasyonun klinik uygulamasında mevcut sınırlamaları ve belirsizlikleri ele almak için de ek araştırmalara ihtiyaç vardır.  Konu güncel ve gelişmeye açıktır.