Μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των γλοιωμάτων εγκεφάλου σε χειρουργικά ιστοτεμάχια

Abstract

Background – Aim: Glioma tissue mechanical properties represent an innovative source of treatment and diagnostic approaches. The present doctoral dissertation investigated the presence of difference in elasticity between brain glioma tissue and peritumoral white matter in surgical specimens. Moreover, it investigated the presence of differences in elasticity between gliomas of different World Health Organization (WHO) grades, as well as the influence of histopathological traits and mechanical preconditioning on tumor and white matter elasticity. Methods: The elastic modulus was measured ex vivo on fresh tissue specimens acquired during craniotomy from the tumor and the peritumoral white matter of 17 patients harboring supratentorial diffuse gliomas. The specimens were sliced with a vibratome and submitted to standard monotonic and repetitive deformation using atomic force microscope (AFM) nanoindentation. The elasticity modulus was compared between the glioma tissue and the white matter and between gliomas of different WHO grade. The influence of diffuse glioma traits, like isocitrate dehydrogenase gene family (IDH) mutations and WHO grade, age and preconditioning on tumor and peritumoral white matter elasticity was assessed using linear mixed-effects models. Results: The elastic modulus did not differ significantly between the glioma tissue and the peritumoral white matter (p = 0.5), neither between gliomas of different grades (p = 0.2). The study of diffuse glioma traits using standard monotonic deformation found the tissues from IDH-wildtype patients softer than those from IDH-mutant ones among grade III cases (p = 0.0496), but similar in elasticity to IDH-mutant patients among grade II cases (p = 0.480). The glioma was found softer, albeit non-significantly, than the adjacent brain in grade III cases (p = 0.070) and similar in elasticity to the white matter in grade II (p = 0.492) and IV cases (p = 0.593). During repetitive indentation, both the glioma tissue (p = 0.002) and the adjacent brain (p = 0.003) initially underwent stiffening, which was followed by softening. Stiffening was fully reversed in the peritumoral white matter, where the elastic modulus returned to its initial values (p = 0.942), and only partially reversed in the glioma tissue (p = 0.015). Conclusions: Elasticity of glioma tissue and adjacent brain comprises a phenotypic feature closely associated to diffuse glioma histopathological traits. Sources of heterogeneity effects on local measurements within individual patients and between patient groups should be readily considered and further explored.

Υπόβαθρο – Σκοπός: Οι μηχανικές ιδιότητες των γλοιωμάτων του εγκεφάλου αποτελούν μία καινοτόμο πηγή ανάπτυξης θεραπευτικών και διαγνωστικών προσεγγίσεων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερεύνησε την ύπαρξη διαφοράς στην ελαστικότητα μεταξύ των ιστού γλοιωμάτων του εγκεφάλου και της περινεοπλασματικής λευκής ουσίας σε χειρουργικά ιστοτεμάχια. Επιπλέον, διερεύνησε την ύπαρξη διαφοράς στην ελαστικότητα μεταξύ γλοιωμάτων διαφορετικού βαθμού κακοήθειας σύμφωνα με το σύστημα ταξινόμησης του Παγκοσμίου Οργανισμού Υγείας (ΠΟΥ), καθώς και της επίδρασης των παθολογοανατομικών χαρακτηριστικών και του μηχανικού προεγκλιματισμού στην ελαστικότητα του νεοπλάσματος και της λευκής ουσίας. Μέθοδοι: Το μέτρο ελαστικότητας μετρήθηκε ex vivo σε νωπά χειρουργικά ιστοτεμάχια που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια κρανιοτομίας από το νεόπλασμα και την περινεοπλασματική λευκή ουσία 17 ασθενών που έπασχαν από υπερσκηνίδιο γλοίωμα. Τα δοκίμια που προέκυψαν από τον τεμαχισμό των ιστοτεμαχίων με μικροτόμο ταλάντωσης υποβλήθηκαν σε τυπική μονοτονική και σε επαναλαμβανόμενη παραμόρφωση χρησιμοποιώντας νανοδιείσδυση με μικροσκόπιο ατομικών δυνάμεων (atomic force microscope / AFM). Πραγματοποιήθηκε σύγκριση του μέτρου ελαστικότητας μεταξύ του ιστού των γλοιωμάτων και της λευκής ουσίας και μεταξύ γλοιωμάτων διαφορετικού βαθμού κακοήθειας. Εκτιμήθηκε η επίδραση χαρακτηριστικών των διάχυτων γλοιωμάτων, όπως οι μεταλλάξεις της οικογενείας των γονιδίων της ισοκιτρικής αφυδρογονάσης (isocitrate dehydrogenase / IDH) και ο βαθμός κακοήθειας κατά ΠΟΥ, της ηλικίας και του προεγκλιματισμού στην ελαστικότητα του νεοπλάσματος και της περινεοπλασματικής λευκής ουσίας με χρήση γραμμικών μοντέλων μικτών επιδράσεων. Αποτελέσματα: Το μέτρο ελαστικότητας δε διέφερε σημαντικά μεταξύ του ιστού των γλοιωμάτων και της περινεοπλασματικής λευκής ουσίας (p = 0,5), ούτε μεταξύ γλοιωμάτων διαφορετικού βαθμού κακοήθειας (p = 0,2). Κατά τη μελέτη χαρακτηριστικών των διαχύτων γλοιωμάτων με τυπική μονοτονική καταπόνηση, οι ιστοί από ασθενείς με wild-type IDH ήταν περισσότερο εύκαμπτοι από αυτούς με μεταλλάξεις της IDH μεταξύ περιστατικών βαθμού κακοήθειας III (p = 0,0496), αλλά παρόμοιοι σε ελαστικότητα με περιπτώσεις μεταλλάξεων της IDH σε περιστατικά με βαθμό κακοήθειας II (p = 0,48). Το γλοίωμα βρέθηκε μη σημαντικά πιο εύκαμπτο από τον παρακείμενο εγκεφαλικό ιστό σε περιστατικά βαθμού κακοήθειας III (p = 0,07) και παρόμοιο σε ελαστικότητα με την περινεοπλασματική λευκή ουσία σε περιστατικά βαθμού κακοήθειας II (p = 0,49) και IV (p = 0,59). Κατά την επαναλαμβανόμενη καταπόνηση, τόσο ο ιστός του γλοιώματος (p = 0,002) όσο και ο παρακείμενος εγκέφαλος (p = 0,003) αρχικά παρουσίασαν σκλήρυνση, που ακολουθήθηκε από χαλάρωση. Η σκλήρυνση αναστράφηκε πλήρως στην περινεοπλασματική λευκή ουσία και το μέτρο ελαστικότητας επανήλθε στις αρχικές τιμές (p = 0,94), αλλά μόνο μερικώς στο νεοπλασματικό ιστό (p = 0,015). Συμπεράσματα: Η ελαστικότητα του ιστού γλοιωμάτων και παρακειμένου εγκεφάλου αποτελεί ένα φαινοτυπικό χαρακτηριστικό στενά συνδεδεμένο με τα ιστοπαθολογικά γνωρίσματα των διάχυτων γλοιωμάτων. Θα πρέπει να διερευνηθούν περαιτέρω πηγές ετερογένειας στις τοπικές μετρήσεις εξατομικευμένα, αλλά και μεταξύ ομάδων ασθενών.