Early Response Evaluation of Doxorubicin-nanoparticle-microbubble Therapy in Orthotopic Hepatocellular Carcinoma Rat Model Using Contrast-Enhanced Ultrasound and Intravoxel Incoherent Motion-Diffusion MRI

Abstract

Introduction: To apply doxorubicin-loaded nanoparticle microbubble (Dox-NP-MB) therapy in an orthotopic rat model of hepatocellular carcinoma (HCC) and investigate the utility of contrast-enhanced ultrasound (CEUS) and intravoxel incoherent motion diffusion-weighted magnetic resonance imaging (IVIM-DWI) in response evaluation. Materials and methods: Twenty-eight N1S1 HCC model rats were treated with either Dox-NP-MB (Group [G] 1 [n=8]); doxorubicin (Dox) alone (G2, [n=7]); nanoparticle microbubbles (NP-MB) alone (G3, [n=7]; or saline (G4, control, [n=6]) on days 0 and 7 with sacrifice on day 11. IVIM-DWI and CEUS were performed before each treatment and before euthanasia. Efficacy was estimated by the percentage of tumor volume growth inhibition compared with control. Toxicity was assessed by body weight changes and blood tests. Post-treatment changes in IVIM-DWI and CEUS parameters were analyzed. Results: Tumor volume growth was inhibited by 48.4% and 90.2% in G1 and G2 compared to G4, respectively. Compared to G2, G1 had a significantly lower degree of body weight change (median, 91.0% [interquartile range, 88.5–97.0] vs. 88.0% [82.5–88.8], p <0.05), leukopenia (1.75 × 103 cells/uL [1.53–2.77] vs. 1.20 × 103 cells/uL [0.89–1.51], p <0.05), and hypoproteinemia (5.00 g/dL [4.90–5.40] vs. 4.60 g/dL [4.60–4.75], p<0.05). After the first treatment, an increase in peak enhancement, wash-in rate, and wash-in perfusion index on CEUS was observed in G3 and G4 but suppressed in G1 and G2; apparent diffusion coefficients, true diffusion coefficients, and perfusion fractions significantly increased in G1 and G2 compared to baseline (p <0.05). Conclusion: Dox-NP-MB showed reduced Dox toxicity. Early changes in some CEUS and IVIM-DWI parameters correlated with therapeutic response.

서론: 쥐 동소성 간암 모델에 독소루비신-나노입자-미세기포 치료를 시행하고 치료 반응 평가 시 조영증강초음파와 복셀 내 화소결집 운동 확산 강조 자기공명 영상의 유용성을 평가하고자 한다. 방법: 쥐 N1S1 간암 모델 28마리에 대해 0일과 7일에 독소루비신-나노입자-미세기포 (1군, 8마리), 독소루비신 (2군, 7마리), 나노입자 (3군, 7마리), 또는 생리식염수 (4군, 대조군, 6마리) 치료를 하고 11일에 희생했다. 각 치료 전과 희생 전 복셀 내 화소결집 운동 확산 강조 자기공명 영상검사와 조영증강초음파검사를 시행했다. 치료 효능은 대조군 대비 종양 부피 성장 저해 비율로 추산했다. 치료 독성은 체중 변화와 혈액 검사 결과로 평가했다. 복셀 내 화소결집 운동 확산 강조 자기공명영상과 조영증가초음파 매개변수의 치료 후 변화를 분석했다. 결과: 4군 대비 1군과 2군은 종양 부피 성장이 각각 48.4%, 90.2% 저해되었다. 2군에 비해 1군이 체중 변화 (중간값, 91.0% [사분위수 범위, 88.5–97.0] 대 88.0% [82.5–88.8], 유의확률<0.05), 백혈구감소증 (1.75 × 103 세포/uL [1.53–2.77] 대 1.20 × 103 세포/uL [0.89–1.51], 유의확률<0.05), 그리고 저단백질혈증 (5.00 g/dL [4.90–5.40] 대 4.60 g/dL [4.60–4.75], 유의확률<0.05) 정도가 유의하게 낮았다. 첫 치료 후 3군과 4군에서는 조영증강초음파 상 최고 조영증강 값, 조영증강 속도, 조영증강 관류 지수가 상승했으나 1군과 2군에서는 이들 상승이 억제되었다. 또한 1군과 2군에서는 치료 전에 비해 치료 후 복셀 내 화소결집 운동 확산 강조 자기공명영상의 현성 확산 계수, 진성 확산 계수, 관류 분율이 유의하게 상승했다 (유의확률<0.05). 결론: 독소루비신-나노입자-미세기포 치료는 독소루비신 치료에 비해 치료 독성이 낮았다. 몇 가지 조영증강초음파와 복셀 내 화소결집 운동 확산 강조 자기공명 영상 매개변수들의 조기 변화가 치료 효과와 연관이 있었다.