Assessment of Early Therapeutics Response to Nitroxoline in Temozolomide Resistant Glioblastoma by Amide Proton Transfer Imaging: Comparison with Diffusion-weighted Imaging

Abstract

Purpose: Amide proton transfer (APT) imaging is a novel molecular MRI technique to detect endogenous mobile proteins and peptides through chemical exchange saturation transfer. The purpose of this study was to evaluate the feasibility of amide proton transfer (APT) imaging in monitoring the early therapeutic response to nitroxoline (NTX) in temozolomide (TMZ)-resistant glioblastoma multiforme (GBM) mouse model, which was compared with diffusion-weighted imaging (DWI). Methods: This study was approved by the institutional animal care and use committee of Seoul National University Hospital. Here, we prepared TMZ-resistant GBM mouse model (n = 12), which were treated with 100mg/kg/d of NTX (n = 4) or TMZ (n = 4), or saline (n = 4) for 7 days for the evaluation of short-term treatment by using APT imaging and DWI sequentially. The APT signal intensities and apparent diffusion coefficient (ADC) values were calculated and compared before and after treatment. The immunohistological analysis was also employed for the correlation between APT imaging and histopathology. The association between the APT value and Ki67 labeling index were evaluated by using simple linear regression analysis. Results: We observed that the tumor volume decreased without significance after short-term NTX therapy (P = 0.6857), while tumor volume increased without significance in control (P = 0.2000) and TMZ groups (P = 0.1143). Furthermore, the short-term NTX treatment (P = 0.0286) resulted in significant decrease in APT value as compared to untreated (P = 0.3429) and TMZ group (P = 0.1143), in which APT signals were increased. However, we did not observe significantly increased mean ADC value following short-term NTX treatment (P = 0.2000). In contrast, the mean ADC value was significantly decreased in untreated (P = 0.0286) as well as TMZ-treated mice (P = 0.0286). In addition, our histological data showed that, the expression of Ki67, which was significantly lower in the NTX-treated group than in the untreated and TMZ group. Moreover, the Ki67 labeling index shows a correlation with APT value. Conclusion: APT imaging could show the earlier response to NTX treatment as compared to ADC values in a TMZ-resistance, mouse model. We believe that APT imaging can be a useful imaging biomarker for the early therapeutic evaluation in GBM patients.

목적: Amide proton transfer (APT) 영상 (아마이드 수소 이동 영상기법)은 화학적 포화 전달 교환을 통한 내인성 이동 단백질과 펩타이드를 검출하는 새로운 분자 MRI 기술이다. 이 연구의 목적은 temozolomide (TMZ, 테모졸로마이드) 내성을 지닌 교모세포종 마우스 모델에서 nitroxoline (NTX, 나이트록솔린)에 대한 조기 치료 반응 모니터링 시, APT 영상의 반응 평가 예측능을 확산강조영상과 비교하여 평가하는 것이다. 방법: 본 연구는 서울대학교병원의 동물용 의약품 사용위원회의 승인을 받았다. TMZ 내성 교모세포종 마우스 모델 (n = 12)을 7일동안 100mg/kg/d의 NTX (n = 4), TMZ (n = 4), 혹은 생리 식염수 (n = 4)로 단기간 처리를 한 뒤, APT 영상 및 확산강조영상을 이용하여 순차적으로 사용하여 평가하였다. APT 신호 강도 및 겉보기 확산 계수 (ADC) 값을 계산하고 약물 처리 전후를 비교하였다. 면역 조직학적 분석을 통해 APT 이미징과 조직 병리학 사이의 상관 관계를 분석하였다. APT 값과 Ki67 라벨링 지수 사이의 연관성은 단순선형회귀분석을 사용하여 평가하였다. 결과: 우리는 단기 NTX 치료 이후의 종양 크기의 감소를 관찰하였고 (P = 0.6857), 대조군 (P = 0.2000) 과 TMZ군 (P = 0.1143) 에서는 종양 크기의 증가를 관찰하였다. 그리고 단기 NTX 처리는 처리하지 않은 그룹 (P = 0.3429) 과 TMZ 그룹 (P = 0.1143) 에 비해 APT 값이 통계적으로 유의하게 감소하였다 (P = 0.0286). 하지만, 단기 NTX 처리 후의 ADC 값의 유의한 증가는 관찰할 수 없었다 (P = 0.2000). 반면에 NTX 처리하지 않은 그룹 (P = 0.0286) 과 TMZ를 처리 (P= 0.0286) 한 마우스에서 ADC값은 유의 하게 감소하였다. 게다가 우리의 조직학적 자료는 NTX 처리 그룹에서 처리하지 않은 마우스에 비해 Ki67의 발현량이 낮았다. 또한 Ki67 라벨링 지수는 APT 값과의 상관관계를 보여준다. 결론: APT 영상은 TMZ 저항성 마우스 모델에서 ADC 값과 비교하여 NTX 치료에 대한 초기 반응을 확인하는데 있어 더 도움이 됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 APT 영상 기법이 교모세포종 환자의 조기 치료 평가를 위한 유용한 이미징 바이오 마커가 될 것으로 기대한다.