Influência da hipóxia nos tratamentos de radioterapia

A Influência do Oxigénio na História Natural do Cancro

Rui P Rodrigues

Unidade de RadioterapiaHospital CUF Descobertas

http://rt.no.sapo.pt

Objectivos

• Perceber a influência da oxigenação dos tecidos nos

resultados do tratamento das neoplasias malignas

• Actuar sobre os factores que podem influenciar a

oxigenação tumoral

• Melhorar os resultados obtidos com o tratamento

Hipóxia tumoral

O oxigénio molecular (O2) é o factor biológico mais importante

influenciando o efeito das radiações ionizantes

1º relato 1920's

Reconhecimento 1936

Mottram JC. Factors of importance in radiosensitivity of tumors. Br J Radiol 1936;9:606

Generalização 1950's

Read J. The effect of ionizing radiation on the broad beam root: the dependence of the x-ray sensitivity on dissolved oxigen. Br J Radiol 1952;25:89

Gray LH, Coger AD, Ebert M et al. The concentration of oxigen dissolved in tissues at the time of irradiation as a factor in radiotherapy. Br J Radiol 1953;26:638

Hipóxia tumoral

Para uma morte celular equivalente, sob condições de hipóxia são necessárias doses superiores de radiação.

OER (oxygen enhancement ratio /índice de amplificação do oxigénio)

Razão entre a dose necessária para uma morte celular equivalente na ausência de oxigénio, relativamente à dose necessária na sua presença

OER=2.5-3.5

Efeito oxigénio

• O IAO (OER) varia habitualmente entre 2.5 e 3.0 mmHg

• Metade da sensibilidade máxima ocorre para tensões de oxigénio de ~ 3 mm Hg

• Para valores de pO2 acima de ~ 20 mm Hg são observados efeitos próximos dos da oxigenação máxima

IAO=Indice de Amplificação do Oxigénio

OER=Oxygen Enhancement Ratio

Hipóxia tumoralConceitos básicos

O oxigénio deve estar presente durante a irradiação.

A hipóxia tem um efeito radioprotector.

Julga-se que o oxigénio favorece a persistência dos radicais livres de oxigénio.

Os compostos sulfidrílicos têm um efeito inverso.

Efeito oxigénio

• Para irradiação ‘parcialmente ionizante’ ~ 2/3 das lesões induzidas são mediadas por radicais livres que podem ser ‘fixados’ pelo oxigénio

Hall, 1998

Hipóxia tumoralDemonstração da presença de zonas hipóxicas em tumores humanos

Thomlinson RH, Gray LH. The histological structure of some human lung cancers and possible implications for radiotherapy. Br J Cancer 1955;9:539

Cálculos sobre a difusão do O2:

até 100m - boa oxigenação

de 100 a 150m - hipóxia (radioresistência)

após 150m - anóxia e necrose

Hipóxia tumoralDemonstração clínica

Apenas nos últimos 7 anos foi possível demonstrar a nível clínico uma relação clara entre hipóxia e radioresistência (micro-elétrodos).

Observação

Tensões de oxigénio (distribuições de frequência de pO2) no tecido mamário normal

e em tumores da mama

Vaupel and Hoeckel, 1999

Hipóxia tumoralFisiopatologia da oxigenação tumoral

Oxigenação tumoral = distribuição intratumoral das pressões parciais de O2

Fornecimento de O2 transporte pela corrente sanguínea

fluxo difusional a partir dos capilares

Consumo de O2 actividade metabólica

(Disponibilidade de O2) (outras moléculas)

Vaupel P, Kelleher DK, Thews D. Modulation of tumor oxigenation.

Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998; 42:843-848

Hipóxia tumoralFactores de variação no fornecimento de oxigénio

Anomalias na microcirculação tumoral

Microvascularização heterogénea

Grande variabilidade na disponibilidade de O2 (intra e intertumoral)

Variações instantâneas no estado de oxigenação: stress oxidativo

Situações marginais podem ser agravadas pela presença de anemia

Deterioração na geometria da difusão

A oxigenação tissular é pior nos tumores que nos tecidos normais

Nos tumores a oxigenação não é regulada pelas necesidades metabólicas (neovasos incompletos/inervação ausente ou insuficiente)

Microvascularização heterogénea

Brown & Giaccia, 1994

Variabilidade na disponibilidade de O2 intra e intertumoral

Modelo morfológico

Stress OxidativoResistência à terapêutica e outras modificações

Resposta celular ao stress hipóxico:

Alterações na regulação da expressão genética

Evolução de mecanismos favoráveis a sobrevivência celular (durante reoxigenação)

Contribuição para processos que favoreçem a progressão tumoral

Hipóxia transitória e recorrente:

Pressão fisiológica selectiva contra a sobrevivência de células tumorais que expressem o gene p53 wild-type

Favorecimento da oncogénese pelo enriquecimento relativo da população tumoral

com células contendo o p53 mutante

Hipóxia tumoral e progressão neoplásica

Giaccia et al., 1999

Impacto clínico

Efeito do nível de hemoglobina no controlo loco-regional de tumores

de cabeça e pescoço

Overgaard et al, 1989

Hb e Cancro de cabeça e pescoço

T1 - T2 Carcinoma da glote (n = 109)Fein, D.A. et al - JCO 13:2077-2085, 1995

Controlo Local Sobrevivência

Hb < 13 g/dL 66 % 46 %

Hb > 13 g/dL 95 % 88 %

p = .0018 p < .001

Impacto clínico

Efeito do nível de hemoglobina no

controlo loco-regional de tumores de cabeça

e pescoço

Lee et al, 1998

Impacto clínico

Probabilidade de sobrevivência global e sobrevivência livre de

doença para doentes com cancro avançados do colo uterino,

tratadas com intenção curativa, em função da oxigenação tumoral

Hoeckel et al, 1996

Disseminação metastática

• A exposição a períodos de hipóxia de células tumorais in vitro pode aumentar as metástases em ratos

Young et al., 1988

• Um maior número de metástases pode ocorrer em ratos com tumores primários hipóxicos

De Jaeger et al., 2001

• A probabilidade de metastização a distância em sarcomas de tecidos moles duplica para tumores com valores medianos de pO2 < 10 mm Hg relativamente aos com medianas de pO2 > 10 mm Hg

Brizel et al., 1999

Hipóxia tumoral

Impacto clínico

Sobrevivência nos sarcomas de tecidos moles, em função da oxigenação tumoral

Brizel, 1999

Impacto clínico

Influência do tabaco durante o tratamento nos resultados da radioterapia nos tumores de cabeça e

pescoço

Overgaard e Horsman, 1996

Hipóxia tumoralResistência à terapêutica e outras modificações

Redução da eficácia terapêutica

Aumento da malignidade/potencial metastático

Siemann WD. The tumor microenvironement: A double-edged sword.

Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998; 4:697-699.

Se a hipóxia tem um impacto negativo no

resultado do tratamento, que medidas devem

ser tomadas para minimizar esse impacto ?

Oxigenação tumoral? ? ?

• Corrigir os factores que se sabe estarem associados com uma oxigenação deficiente

• Aumentar a oxigenação para além dos valores normais (!?)

• ‘Apontar’ directamente às células tumorais hipóxicas (hipertermia)

Estratégias

FraccionamentoDepois de uma fracção de radiação as células sobreviventes são

maioritariamente as da fracção hipóxica.

Redução no nº total de células do tumor (relativamente à área vascular disponível)

Redução da distância entre as células hipóxicas e os vasos (pela morte preferencial das células oxigenadas mais próximas)

Incremento ‘aparente’ na distância de difusão do O2 (+ O2 disponível por redução no consumo devido à morte das células proximais)

Redução da pressão intratumoral ('recanalização')

Após algum tempo a proporção de células hipóxicas retoma os valores pré-irradiação (redução no nº de células hipóxicas) – REOXIGENAÇÃO

Os 4 R’s do fraccionamento

• Reoxigenação

• Repopulação

• Redistribuição

• Reparação

• Processo pelo qual as células hipóxicas sobreviventes a

uma dose de radiação podem ter acesso ao oxigénio

• Teoricamente irá reduzir a relevância do componente

hipóxico do tumor, resultando num aumento progressivo da

sensibilidade tumoral no decurso de uma irradiação

fraccionada

Reoxigenação

Estudos pré-clínicos

• Os padrões de reoxigenação variam muito entre diferentes tumores

• Muitos tumores reoxigenam mal:

• A fracção hipóxica na população celular sobrevivente é frequentemente maior após a irradiação (?!)

Reoxigenação

Observação

A oxigenação dos tumores

durante a um tratamento de

radioterapia fraccionada

pode melhorar, piorar ou

manter-se inalterada

Autores

• Gabalski et al., 1998

• Stadler et al., 1998

• Brizel et al., 1999

• Jund et al., 1999

• Lyng et al., 1999

Hipóxia em tumores de cabeça e pescoço

Padrões de reoxigenação observados em modelos tumorais de laboratório tratados com radiação.

Tannock and Hill, 1998.

Reoxigenação

Os trabalhos publicados até ao momento não

suportam a noção de que haja uma melhoria

contínua no estado de oxigenação tumoral durante

uma administração fraccionada de radioterapia

Hipóxia tumoral

Hipóxia tumoralModulação do estado de oxigenação tumoral

Disponibilidade de O2 = O2 arterial x Perfusão

Melhorar a oxigenação tumoral

Melhorar a uniformidade na oxigenação tumoral

Aumentar a disponibilidade de O2

Reduzir o consumo de O2


(+) Aumentar o conteúdo microvascular em O2

Hiperóxia normobárica O2 a 100% (ef. vasoconstritor arterial do O2)

Carbogénio (ef.vasodilatador do CO2)

Hiperóxia hiperbárica Aumenta o O2 dissolvido no sangue

Irradicação total da hipóxia se pressão > 4 bar

Muitos ensaios, poucos resultados positivos

Correcção da anemia Transfusões

rhEPO

O2 Hiperbárico

Com um nº reduzido de fracções aumenta a curabilidade.

Em esquemas convencionais não foi demonstrada vantagem.

O2HB + 10 fx é melhor que RT convencional (C&P)

(Henk JM, Kindler PB, Smith CW. Lancet 1977;2:101)

Controlo local Sobrevivência

RT + O2HB 60% 56%

RT convencional 40%27%

Tecnicamente pesado criando dificuldades a uma localização precisa do feixe de tratamento - ABANDONADO

Anemia... altera a resposta tumoral à radioterapia ?

Sim: Revisões históricas / Princess Margaret Hospital

Efeito da anemia na recidiva em tumores do colo uterino (IIB ou III)(Bush RS, Jenkin RP, Allt WE, et al. Br J Cancer 1978;37:302)

Controlo Transfundidos

Hb <12d/dL >12g/dL >12g/dL

Recidiva pélvica 10/20(50%) 11/48(23%) 11/67(16%)

... a anemia tem um efeito adverso na curabilidade pela radioterapia, possivelmente por aumentar o componente hipóxico dos tumores ...


(+) Aumentar o conteúdo microvascular em O2

Redução da [HbCO]CO: afinidade para a Hb 270x superior à do O2

HbCO: desvio esq. curva de dissociação da Hb

Fumadores: taxas de 15% de HbCO

Modificar afinidade Hb-O2 2.3-DPG; antilipidémicos (clofibrato)

Sucesso em sistemas experimentais

Nenhuma aplicação clínica positiva

Transporte artificial do O2 Perfluorocarbonetos

Hb sem estroma (HbA0)

Químicos libertadores de oxigénio

Tetraclorodecaóxido (experiências in vitro)


(+) Melhorar a microcirculação

Drogas vasoactivas

Provavelmente os neovasos tumorais não são inervados e a sua musculatura não responde a estímulos vasoactivos

A resposta a estes fármacos depende da quantidade de vasos originais do hospedeiro que permanecem no interior do tumor

Fenómenos de roubo/anti-roubo dependentes da localização em paralelo ou em série da circulação tumoral relativamente à circulação local, podem explicar os resultados contraditórios de diferentes ensaios



Modificadores da viscosidade sanguínea

Efeitos no nº e deformibilidade dos eritrocitos circulantes

Redução da tendência para a agregação

Redução na viscosidade plasmática

Bloqueadores dos canais do cálcio (flunarizina)

Metilxantinas (pentoxifilina): sarcoma experimental no rato

modificações compensadas por redistrubuição do fluxo sanguíneo intratumoral

( ) perfusão e ( ) oxigenação (!?)



Hemodiluição sistémica: Isovolémica ou normovolémica

Manter hematócrito acima dos 30%

Hipertermia de baixa dose: Hiipertermia moderada ou de curta duração

Aumento temporário da perfusão

Melhoria da perfusão em certos tumores

Variações intratumorais marcadas

Redução da hipertensão Meios mecânicos, químicos, farmacológicos, outros (RT)

Intersticial: Melhoria (?) na perfusão >> melhor (??) oxigenação

Nicotinamida - melhora temporariamente a perfusão tumoral

- reduz de forma consistente as flutuações e interrupções temporárias no fluxo sanguíneo intratumoral

- impede o desenvolvimento de hipóxia transitória


(-) Reduzir a respiração celular

Modular o consumo de O2 parece ser mais eficaz na modificação da oxigenação dos tecidos do que modificar a disponibilidade de O2

A anulação da hipóxia tumoral requer uma das condições

Redução em 30% no consumo de O2

Aumento na perfusão 4x

Aumento do pO2 arterial 11x

A redução no consumo de O2 induz o aumento aparente

na distância de difusão do O2 nos tecidos

(redução no consumo = maior quantidade disponível a distâncias maiores)


(-) Reduzir a respiração celular

Inibidores mitocondriais Bloq.canais cálcio (verapamil); m-iodobenzilguanidina

Inibidores da sintese do colesterol (lovastatina): red. 33% consumo O2

Apesar da potência in vitro ou da eficácia in vivo nenhum dos agentes melhorou significativamente a oxigenação em tumores sólidos.

Redução na temperatura A 25ºC há uma redução de 64% no consumo de O2

tumoral: Mas ... não são notáveis alterações no pO2 médio ou na fracção dos 0-2.5mmHg

Uma redução significativa na fracção de pO2 mais baixo verifica-se abaixo dos 15ºC, correspondendo a uma redução de 84% no consumo de O2

Hiperglicemia aguda Reduz temporariamente o consumo tumoral de oxigénio

RadiosensibilizantesSensibilizantes das células hipóxicas

1960's - Início da pesquisa de compostos capazes de simular o efeito do oxigénio (Adams GE, Dewetz DL. Biochem Biophys Res Commun 1963;12:473)

Princípio: Compostos de metabolização lentaCapazes de atingir todas as áreas do

tumor

... o oxigénio hiperbárico aumenta a difusão apenas marginalmente, enquanto que sensibiliantes metabolizados lentamente podem de atingir todas as zonas do tumor ...

RadiosensibilizantesSensibilizantes das células hipóxicas

Nitroimidazois(~1977): Substituição do oxigénio molecularCitotóxicos s/ células

hipóxicasSensibilização aos

citostáticos

Chemical Modifiers Conference. Cambridge 1977

Tenth International Conference on Chemical Modifiers of Cancer Treatment. Clearwater, Florida 1998

Hipóxia tumoralConclusão

Factor de prognóstico

Testemunha da agressividade tumoral

Factor predictivo

Verdadeiro parâmetro de radioresistência

Modulavel

Muitas hipóteses mas poucas soluções práticas

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