Novel approaches for the measurement of tumoral pO2 by magnetic resonance methods

Abstract

[EN]: Increasing evidence supports a strong relationship between tumor hypoxia and tumor aggressiveness, poor outcome and resistance to therapies. Tumor hypoxia results from the negative balance between the oxygen demands of the tissue and the capacity of the neovasculature to deliver satisfactory oxygen provisions. A plethora of treatments have been proposed recently to overcome specifically the hypoxic burden (photodynamic therapy, hyperoxic gas breathing during radiotherapy, hypoxia sensitive therapeutics...), aimed to improve the results of oncotherapy. However, the lack of suitable methods to assess tumor hypoxia in the clinic, makes it not possible to identify a priori those tumors potentially sensitive to the hypoxic directed treatment and, thus, those patients that could benefit from these novel therapies. Magnetic Resonance (MR) methods are well endowed to fulfill these needs. On these grounds, the aim of this thesis is to develop and implement novel strategies to measure tumor hypoxia using MR methods. To this end, we followed two independent approaches; 1) The development and implementation of novel exogenous contrast agents revealing tissue hypoxia and 2) The development and implementation of new and advanced methods of endogenous imaging contrast sensitive to the environmental oxygen tension. In our first approach, we synthesized and characterized new 2-nitromidazole derivatives as exogenous hypoxia markers. Their potential use was investigated both in vitro and in cell cultures, and the results obtained compared with those generated by commercial hypoxia markers. We characterized the main determinants of the metabolism of nitroimidazole derivatives proposing a new mechanism for their bioreduction and sensitivity to hypoxia, implementing a new method to obtain hypoxia maps from the bioreduction of nitroimidazoles as detected non invasively by 1H Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging (MRSI). In our second approach, we exploited the sensitivity of the relaxation times of endogenous tissue water to physiological oxygen concentrations. The paramagnetic nature of oxygen, induced appreciable, concentration dependent, T1 shortening in vivo, as revealed by T1 weighted MRI, an approached named Tissue Oxygenation Level Dependent (TOLD). Based on these images, we designed and tested a new MRI methodology to identify those tumors that could benefit from a hypoxia directed therapy as breathing gas mixtures with high oxygen content. Taken together, our results provide a new frame for the non invasive measurement of tumor hypoxia by Magnetic Resonance methods.

[ES]: Cada día más evidencias apoyan la existencia de una fuerte relación entre hipoxia y agresividad tumoral, así como con un peor pronóstico y mayor resistencia a la terapias oncogénicas. La hipoxia tumoral resulta del balance negativo entre las demandas tisulares de oxígeno y la capacidad de la neovasculatura para satisfacer dichas necesidades. Recientemente, se ha propuesto toda una plétora de tratamientos específicamente dirigidos a superar el daño originado por la hipoxia (terapia fotodinámica, respiración de gases con alto contenido en oxígeno durante la radioterapia, fármacos sensibles a la hipoxia...) con el objetivo de mejorar los resultados de la oncoterapia. Sin embargo, la falta de una metodología clínica para evaluar la hipoxia tumoral hace imposible detectar, a priori, aquellos tumores potencialmente sensibles a los tratamientos dirigidos especificamente a la hipoxia y, por lo tanto, aquellos pacientes que específicamente se podrían beneficiar de estas nuevas terapias. Los métodos de Resonancia Magnética (RM) se presentan como una buena alternativa para realizar dicha tarea. En base a esto, el objetivo de esta tesis es el desarrollo y la implementación de nuevas estrategias para medida de la hipoxia tumoral empleando métodos de RM. Con este objetivo, se emplearon dos aproximaciones independientes: 1) Desarrollo e implementación de nuevos agentes de contraste exógenos para la mediada de hipoxia tisular y 2) Desarrollo e implementación de nuevos y avanzados métodos sensibles a la tensión de oxígeno utilizando un contraste endógeno. En nuestro primer enfoque, sintetizamos y caracterizamos nuevos derivados de 2-nitroimidazol como marcadores de hipoxia exógenos. Su potencial aplicación se investigó in vitro y en cultivos celulares, y los resultados obtenidos se compararon con los generados por marcadores comerciales de hipoxia. Se caracterizaron los factores principales del metabolismo de los derivados de 2-nitroimidazol, proponiendo un nuevo mecanismo para su bioreducción y sensibilidad a hipoxia. Se implementó un nuevo método para la obtención de mapas de hipoxia basados en la bioreducción de 2- nitroimidazoles detectada de manera no invasiva mediante Imagen Espectroscópica de Resonancia Magnética de 1H. En nuestra segunda aproximación, utilizamos la dependencia de los tiempos de relajación del agua tisular con la concentración fisiológica de oxígeno. La naturaleza paramagnética de la molécula de oxígeno induce acortamientos del T1 in vivo apreciables y dependientes de la concentración de oxígeno, según se observa en la Imagen de Resonancia Magnética (IRM) pesada en T1, en una aproximación denominada Nivel Dependiente de Oxigenación Tisular. Basándonos en estas imágenes, se diseñó y se probó una nueva metodología de IRM para identificar aquellos tumores que podrían beneficiarse de una terapia dirigida a la modulación de la hipoxia, como respirar mezclas de gases con alto contenido en oxígeno. En conjunto, nuestros resultados proporcionan una nueva metodología para la medida no invasiva de la hipoxia tumoral por métodos de RM.