Current concepts for imaging rectal cancer

Abstract

The present thesis focuses on the study of rectal cancer, which is one of the most frequently diagnosed neoplasms in the Western World, and is also associated with a high mortality rate. Long-term survival is highly dependent on tumor stage at discovery: tumors at an advanced stage at diagnosis are associated with a poor outcome. Accordingly, tumor stage at diagnosis is a guide to treatment strategies. As such, while patients with early cancers usually may achieve cure through surgery alone, those with locally advanced cancers typically undergo preoperative therapy, which is useful for decreasing the tumor stage in order to facilitate curative resection, and to decrease the local recurrence rate. Therefore, the role of the radiologist is to identify tumors within these groups, so that a tailored treatment can be offered to each single patient in order to decrease the probability of local recurrence. In recent years, a paradigm shift toward less invasive treatments has been witnessed, including local excision by TEM or even a – still controversial – deferral from surgery in those patients achieving a complete response from the tumor following preoperative CRT. However, no imaging techniques currently allow an accurate prediction of which tumors will respond satisfactorily to this kind of treatment, and which cases develop a complete response. This is particularly true when using purely morphological imaging methods, and consequently there has been a growing interest in more ‘functional’ imaging techniques, such as DW-MRI or perfusion CT. Magnetic resonance imaging is widely used for the diagnosis and staging of tumors, whereby mainly morphometric macroscopic tissue information is usually obtained. For the assessment of viability and aggressiveness of the tumor or its response to therapy, a method that gives insights at a cellular level would be desirable. DW-MRI provides images whose signal intensity is sensitized to the random motion of free water molecules. The mobility of water molecules within a given voxel is determined by the microscopic cellular structure, i.e., the presence of barriers, such as cell membranes and macromolecules. Thus, DWI has been suggested as a tool to distinguish different tissue compartments based on their different cellular structure. As such, this method offers a theoretical possibility for the assessment of viability of the tumor or its response to therapy. Perfusion CT is a technology that allows measurement of tumor vascular physiology and construction of regional maps of tumor blood flow, blood volume, mean transit time, and vascular permeability–surface area product. This type of study can be repeated at different times to assess tumor response to temporal changes in tumor angiogenesis or anti-angiogenic therapy. The contribution of this study focuses mainly on the aforementioned ‘functional’ techniques. I attempted to bring a new insight into their use in the study of rectal cancer and also to give an own contribution to the consolidation of their routine application in everyday clinical practice. It was possible to demonstrate that both techniques, despite not being ready to fulfil that role yet, may be valuable in characterizing rectal tumors and may provide additional information about response and prognosis. Diffusion-weighted imaging has the potential to become an imaging biomarker in these tumors, as lower ADCs are found in more aggressive tumors. DWI-based volumetry can help in predicting response to neoadjuvant therapy and assessing the presence of complete tumoral response. Perfusion CT can also aid in the prediction of response, as tumors with lower blood flow may respond more favourably to neoadjuvant combined chemoradiation therapy.

Na presente tese focamo-nos no estudo do cancro do recto, que constitui uma das neoplasias mais frequentemente diagnosticadas nos países desenvolvidos, associada a uma elevada taxa de mortalidade. A sobrevivência dos pacientes encontra-se intimamente relacionada com o estádio do tumor aquando do diagnóstico: lesões num estádio mais avançado associam-se a um prognóstico mais sombrio. Por seu turno, o estadiamento tumoral constitui a base para a tomada de decisões terapêuticas e, desta forma, pacientes com tumores em estádios mais precoces podem ser curados através de cirurgia, enquanto que aqueles com tumores localmente avançados são via de regra submetidos a terapêutica pré-operatória com o intuito de promover o ‘downstaging’ tumoral e dessa forma facilitar a ressecção cirúrgica com intenção curativa, bem como diminuir a taxa de recidiva local. Consequentemente, o papel do radiologista consiste em classificar as lesões nestes grupos, de forma que o tratamento possa ser ajustado e individualizado para cada paciente no sentido de reduzir a probabilidade de surgir uma recidiva local. Recentemente temos vindo a testemunhar uma alteração no paradigma terapêutico desta patologia, com o aparecimento de tratamentos minimamente invasivos, incluindo a excisão local transanal ou mesmo um adiamento da cirurgia com vigilância regular e periódica naqueles doentes em que se consegue obter uma resposta tumoral completa após terapêutica neoadjuvante com radio- e quimioterapia combinadas (embora tal abordagem seja ainda objecto de considerável controvérsia). Contudo, no presente momento as técnicas de imagem não permitem seleccionar com acuidade suficiente quais os tumores que irão responder de forma satisfatória a este tipo de tratamento nem quais os casos que atingirão uma eventual resposta completa. Estas afirmações são particularmente verdadeiras se considerarmos os métodos de imagem puramente morfológicos, pelo que se tem verificado um interesse crescente por técnicas de imagem mais ‘funcionais’, como sejam a difusão por Ressonância Magnética e a perfusão por Tomografia Computorizada. A Ressonância Magnética é amplamente utilizada no diagnóstico e estadiamento de tumores, fornecendo essencialmente informação morfológica macroscópica acerca dos tecidos. Para avaliação da agressividade e viabilidade do tumor ou da sua resposta à terapêutica, tornar-se-á necessário recorrer a métodos que forneçam informação sobre as características do tumor a nível celular. A intensidade de sinal das estruturas nas imagens de Ressonância Magnética ponderadas em difusão dependem da amplitude do movimento aleatório das moléculas de água, cuja mobilidade em cada voxel é determinada pela estrutura celular microscópica, isto é, pela presença de barreiras que restringem o movimento, como membranas celulares e macromoléculas. Assim sendo, a difusão por Ressonância Magnética pode tornar-se uma ferramenta útil na distinção de diferentes compartimentos teciduais baseando-se na sua distinta estrutura celular, teoricamente oferecendo a possibilidade de avaliar a viabilidade de um tumor e também o seu grau de resposta à terapêutica. A perfusão por Tomografia Computorizada é uma tecnologia que permite a avaliação da fisiologia vascular do tumor e a obtenção de mapas paramétricos de côr do fluxo sanguíneo, volume sanguíneo, tempo de trânsito médio e produto permeabilidade-superfície vascular. Este estudo pode facilmente ser repetido em diferentes tempos para avaliar a resposta do tumor e as alterações da sua angiogénese. A nossa contribuição pessoal centrou-se principalmente em estudos referentes às técnicas de imagem ‘funcionais’ acima mencionadas. Ao fazê-lo, procurámos reforçar o seu papel no estudo do cancro do recto e também, de uma forma despretensiosa, oferecer o nosso próprio contributo para a consolidação do seu uso rotineiro na prática clínica diária no futuro. Foi-nos possível demonstrar que ambas as técnicas supra citadas, apesar de, em nosso entender, ainda incapazes de cumprir tal desiderato, podem desempenhar um relevante papel na caracterização dos tumores rectais e fornecer informação adicional acerca do grau de resposta tumoral e do prognóstico dos doentes. A difusão por Ressonância Magnética tem potencial para se tornar um biomarcador imagiológico destes tumores, pois ADCs mais baixos encontram-se associados a tumores mais agressivos. A volumetria tumoral efectuada com base nas imagens ponderadas em difusão pode auxiliar a prever a resposta tumoral à terapêutica neoadjuvante e a presença de uma resposta tumoral completa. A perfusão por Tomografia Computorizada pode de idêntica forma auxiliar na previsão da resposta, decorrendo do facto de tumores com menor fluxo sanguíneo responderem mais favoravelmente à terapêutica neoajduvante combinada com radio- e quimioterapia.