Η εισαγωγή της Μαγνητικής Τομογραφίας (ΜΤ) στην κλινική πρακτική και η συμπληρωματική πληροφορία που δίνει η Φασματοσκοπία Μαγνητικού Συντονισμού (ΦΜΣ) συνιστά μια από τις πιο σημαντικές εξελίξεις στη διάγνωση ασθενών με καρκίνο εγκεφάλου [1]. Παρ’ όλα αυτά, οι εικόνες ΜΤ είναι συχνά δύσκολο να ερμηνευθούν από τους ειδικούς λόγω [2] α/ της υποκειμενικότητας και περιορισμένης εμπειρίας του παρατηρητή στην εκτίμηση εικόνων που παράγει η σχετικά νέα αυτή τεχνολογία, β/ των ποικίλων κλινικών χαρακτηριστικών των όγκων (π.χ. τύπος, διαβάθμιση κακοήθειας κλπ.) και γ/ της ιδιαιτερότητας των όγκων στην αντίθεση που παρουσιάζουν με τον περιβάλλοντα ιστό. Μόνο λιγοστές μελέτες έχουν διεξαχθεί για να χαρακτηρίσουν ιστούς εγκεφάλου μέσω της ανάλυσης ποσοτικών χαρακτηριστικών από εικόνες εγκεφάλου ΜΤ [3, 4]. Ενώ έχει ήδη τονιστεί η αναγκαιότητα συσχετισμού της διαγνωστικής και προγνωστικής πληροφορίας που προέρχεται από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ στη διεθνή βιβλιογραφία [5], υπάρχουν λιγοστές ανάλογες αναφορές για τον σχεδιασμό και υλοποίηση συστήματος Η/Υ αυτόματης διάγνωσης όγκων εγκεφάλου κάνοντας συνδυασμό ποσοτικής πληροφορίας προερχόμενης από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ [6, 7]. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής εστιάζονται στα παρακάτω: - στη μελέτη, ανάπτυξη και η υλοποίηση υπολογιστικού συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου μέσω της ποσοτικής ανάλυσης εικόνων ΜΤ το οποίο θα βελτιώνει την ακρίβεια ταξινόμησης σε σχέση με ήδη υπάρχοντα συστήματα [4, 8, 9], όπως αυτά περιγράφονται στην διεθνή βιβλιογραφία μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου καθώς και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων με την χρήση δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων. Επιπλέον, στην ανάδειξη πως η χρήση ενός μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων των χαρακτηριστικών υφής έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης του ταξινομητή πιθανοκρατικού νευρωνικού δικτύου. - στην επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας α/ ογκομετρικές ποσοτικές παραμέτρους εικόνων ΜΤ, β/ ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης μαζί με τη μεθοδολογία συνάθροισης αποτελεσμάτων ταξινόμησης από τυχαιοποιημένα δείγματα κατηγοριών δημιουργημένων με επαναδειγματοληψία για κάθε κόμβο δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων όπου στο πρώτο επίπεδο πραγματοποιήθηκε διαχωρισμός μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου και στο δεύτερο και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων και γ/ έναν τροποποιημένο πυρήνα ακτινικής συνάρτησης βάσης για τον ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης ο οποίος περιλαμβάνει την τεχνική μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων με στόχο την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. - στην περαιτέρω επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης με την εισαγωγή χαρακτηριστικών προερχόμενων από σήματα ΦΜΣ ώστε να διερευνηθεί εάν η χρήση του μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα ταξινόμησης μεταξύ μηνιγγιωμάτων και μονήρων μεταστάσεων. Τέλος κάνοντας μια περίληψη, η παρούσα διατριβή διαπραγματεύεται τον σχεδιασμό, ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και αλγορίθμων για την επεξεργασία και ανάλυση ιατρικών εικόνων, επικεντρώνοντας ειδικότερα στην εφαρμογή των μεθόδων αυτών για την διάγνωση του τύπου των όγκων εγκεφάλου. Τα πιο βασικά συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διατριβή είναι τα ακόλουθα: α/ Το σύστημα ταξινόμησης των τύπων των όγκων εγκεφάλου που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αυξάνει τα ποσοστά ορθής ταξινόμησης σε σχέση με τα υπάρχοντα. β/ Η κωδικοποίηση των ιδιοτήτων της υφής που προέρχεται από τον σύνολο του όγκου παρέχει επιπρόσθετη πληροφορία στο σύστημα ταξινόμησης αυξάνοντας τα ποσοστά επιτυχούς διαχωρισμού. γ/ Τα χαρακτηριστικά φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού αποτελούν επιπρόσθετη αξία στο χαρακτηρισμό του τύπου των όγκων εγκεφάλου μιας και οδήγησαν στην αύξηση του ποσοστού επιτυχούς διαχωρισμού του συστήματος ταξινόμησης. / The process of brain tumor characterization requires a rather intricate assessment of the various Magnetic Resonance (MR) image and spectroscopic features and is typically performed by experienced radiologists. Despite the inherently subjective nature of many of the decisions associated with this process, an expert radiologist is able to perform this task with a significant degree of precision and accuracy. However, in the effort to deliver more effective treatment, clinicians are continuously seeking for greater accuracy in the pathological characterization of brain tissues. The aim of the present thesis was to design, implement, and evaluate a software classification system for discriminating between different brain tumor types on Magnetic Resonance Imaging (MRI), employing textural and spectroscopic features. The clinical material consisted of sixty seven T1-weighted post-contrast MR brain images (21 metastases, 19 meningiomas, and 27 gliomas), obtained from patients with verified and untreated intracranial tumors. Thirty-six 2-dimensional textural features (2D), from the image histogram and the co-occurrence and run-length matrices, were extracted from each one of 67 MR-images. Similarly, an equal number of 3-dimensional textural features (3D) were also calculated in the attempt to maximize classification performances. Finally, MR-spectroscopy features were also incorporated for improving classification accuracies. Classification methods employed included i/ a modified Probabilistic Neural Network (PNN) and Support Vector Machines (SVM) algorithms, incorporating a non-linear Least Squares Features Transformation (LSFT) into the classifiers and ii/ an ensemble classification scheme employing the LSFT-SVM classifier. The LSFT improved classifiers’ performances, increased class separability, and resulted in dimensionality reduction. For evaluating the performance of the designed classification schemes, evaluations were performed by means of the external cross validation process, which is considered indicative of the generalization performance of the designed classification system to ‘unseen’ cases. It was found that the LSFT features transformation enhanced the performance of the PNN and SVM algorithms, achieving classification accuracies of 73.48 % in distinguishing metastatic from primary tumors and 88.67% in discriminating gliomas from meningiomas. When volumetric 3-dimensional features were employed, these results improved to 88.18% for discriminating between metastatic and primary tumors and 97.33% for distinguishing gliomas from meningiomas. The textural features employed in the design of the optimum classification scheme were associated primarily with image texture homogeneity. Finally, when MR-spectroscopy features were also incorporated, classification accuracy was boosted up from 95% in discriminating meningiomas from metastasis to 100%. The MR-image features that participated in the optimum feature vector were related to the degree of homogeneity, the amount of randomness and the dispersion of the gray-tone intensity values within the texture of the tumor. These textural characteristics are related to textural parameters that physicians employ in diagnosis and they were proportional to the textural imprint of brain tumors, i.e. gliomas have heterogeneous texture while meningiomas appear to be homogeneous in MR imaging. The MR-spectroscopy feature that participated in the optimum feature vector was the Choline (Cho) / N-Acetyl Aspartate (NAA) metabolite integral ratio. It was found that both meningiomas and metastases are characterized from low concentrations of NAA while meningiomas exhibit higher concentrations of Cho than metastases, which could be attributed to increased synthesis of tumor cell membranes. Finally, the proposed system might be of value as an assisting tool for brain tumor characterization on volumetric MRI series.

Οι όγκοι εγκεφάλου του ανθρώπου είναι φαινοτυπικά και γονοτυπικά ετερογενείς. Υπάρχουν σημαντικά κενά στην κατανόηση των μοριακών οδών που εμπλέκονται στην γένεση και ανάπτυξη των νεοπλασμάτων αυτών, καθώς και στη βιολογική και κλινική συμπεριφορά τους. Δεδομένου ότι: α) υπάρχει ένας αυξανόμενος όγκος πληροφοριών σχετικά με την εμπλοκή των υποδοχέων νευροτροφινών Trks (υποδοχείς κινάσης τυροσίνης) στην παθογένεια των νεοπλασμάτων του ΚΝΣ, β) οι νευροτροφίνες μπορούν να ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση στο νευρικό σύστημα μέσω του μεταγραφικού παράγοντα STAT-5 με μηχανισμό ανεξάρτητο της ενεργοποίησης της κινάσης JAK-2, γ) η οδός μεταγωγής σήματος JAK-2/STAT-5 ενεργοποιείται από την ερυθροποιητίνη (Epo) (μέσω δέσμευσής της με τον υποδοχέα της EpoR) η οποία πρόσφατα έχει θεωρηθεί ως παράγοντας-κλειδί της αύξησης των όγκων λόγω των αντιαποπτωτικών και αγγειογενετικών ιδιοτήτων και δυνητικός στόχος ογκολογικών θεραπευτικών στρατηγικών, δ) η Epo διαντιδρά με τον παράγοντα αγγειογένεσης VEGF ενδυναμώνοντας την αγγειοδραστικότητά του και συχνά οι δύο αυτοί αναπτυξιακοί παράγοντες συνεκφράζονται, ε) ερευνητικά δεδομένα υποδεικνύουν ένα δυνητικό ρόλο του άξονα VEGF/JAK-2/ STAT-5 στην αγγειογένεση στον καρκίνο και στ) σε πολλά νεοπλάσματα, τα κύτταρα του όγκου καθώς και τα μακροφάγα του στρώματος εκφράζουν τους παράγοντες λεμφαγγειογένεσης VEGF-C και VEGF-D οι οποίοι μέσω του υποδοχέα τους VEGFR-3 (υποδοχέας κινάσης τυροσίνης) έχει βρεθεί ότι προάγουν την αγγειογένεση στα νεοπλάσματα αυτά, ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μορφολογική μελέτη της έκφρασης των υποδοχέων κινάσης τυροσίνης Trks (υποδοχείς νευροτροφινών) και VEGFR-3 και η συσχέτισή τους με την οδό μεταγωγής σήματος EpoR/ JAK-2/ STAT-5 στα νεοπλάσματα του εγκεφάλου στον άνθρωπο. Για την ανίχνευση των Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3, χρησιμοποιήθηκε η ανοσοϊστοχημική μέθοδος σε διαδοχικές τομές ιστού πάχους 4μm, μονιμοποιημένου σε φορμόλη και εγκλεισμένου σε παραφίνη. Χρησιμοποιήθηκαν ειδικά αντισώματα έναντι των προς μελέτη πρωτεϊνών. Εξετάσθηκαν συνολικά 92 όγκοι εγκεφάλου (50 αστροκυτώματα: 5 πιλοκυτταρικά αστροκυττώματα WHO grade I, 6 διάχυτα αστροκυττώματα WHO grade II, 10 αναπλαστικά αστροκυττώματα. WHO grade III και 29 πολύμορφα γλοιοβλαστώματα. WHO grade IV, 8 ολιγοδενδρογλοιώματα, 6 επενδυμώματα, 5 μυελοβλαστώματα και 23 μηνιγγιώματα). Επιπλέον, στη μελέτη συμπεριλήφθηκαν τομές ιστού φυσιολογικού εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία, η πλειονότητα των αστροκυττωμάτων ανεξαρτήτως βαθμού κακοήθειας, έδειξε μέτρια έως έντονη κυτταροπλασματική ανοσοδραστικότητα για τους υποδοχείς TrkA (57%), TrkB (56%) και TrkC (46%). Όλα τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα επενδυμώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά για τους υποδοχείς Trk ενώ έκφραση των υποδοχέων ανιχνεύθηκε σε μικρό ποσοστό των μυελοβλαστωμάτων. Στις ανοσοθετικές περιοχές των όγκων, το τοίχωμα των αγγείων ήταν έντονα θετικό για τον υποδοχέα TrkB. Σε ένα σημαντικό ποσοστό αστροκυττωμάτων (41%), επενδυμωμάτων (33%) και μηνιγγιωμάτων (48%) ανιχνεύθηκε έκφραση του EpoR, ενώ τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα μυελοβλαστώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά. Συνέκφραση των JAK-2/STAT-5 ανιχνεύθηκε στο 39% των αστροκυττωμάτων, στο 43% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων και σε όλα (100%) τα μυελοβλαστώματα που συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη. Η πλειονότητα των μηνιγγιωμάτων έδειξε ασθενή έως μηδενική έκφραση των πρωτεινών JAK-2 και STAT-5. Σε κάποιους όγκους, ανιχνεύθηκε έκφραση της πρωτείνης STAT-5 ενώ ήταν αρνητικοί για την κινάση JAK-2. Επίσης, βρέθηκαν όγκοι JAK-2- ανοσοθετικοί/ EpoR-ανοσοαρνητικοί. Στα ενδοθηλιακά κύτταρα των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε έκφραση των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5. Η μελέτη της έκφρασης του VEGFR-3 έδειξε την καθολική σχεδόν έκφραση του υποδοχέα στο ενδοθήλιο των αγγείων, στους όγκους εγκεφάλου που εξετάσθηκαν, καθώς και στο τοίχωμα μεγαλύτερων αγγείων εκτός της περιοχής των όγκων. Επίσης, σε κάποιες περιπτώσεις, παρατηρήθηκε έκφραση του υποδοχέα σε νεοπλασματικά κύτταρα. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση των pan-Trk, TrkB και TrkC σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5 ενώ δεν υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση της έκφρασης του υποδοχέα TrkA με την έκφραση των JAK-2 και STAT-5, καθώς και της έκφρασης των Trks με την έκφραση της κινάσης JAK-2. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση JAK-2 σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5, ενώ η έκφραση των JAK-2 και STAT-5 δεν σχετίζεται σημαντικά με την έκφραση EpoR. Στα επενδυμώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2, STAT-5 και EpoR. Επίσης, στα μυελοβλαστώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2 και STAT-5. Σε σημαντικό ποσοστό των εξετασθέντων όγκων –ιδιαίτερα των γλοιωμάτων- συνεκφράζονται οι υποδοχείς EpoR και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο και στα λεία μυικά κύτταρα των αγγείων. Συγκεκριμένα, έκφραση και των δύο υποδοχέων στο τοίχωμα των αγγείων του όγκου, ανιχνεύθηκε, στο 58% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων, στο 67% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων, στο 20% των μυελοβλαστωμάτων και στο 33% των μηνιγγιωμάτων. Επίσης συνέκφραση των υποδοχέων TrkB και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε στο 57% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων. Η έκφραση στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων (α) του υποδοχέα TrkB στην πλειονότητα των TrkB-ανοσοθετικών όγκων, (β) των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5 σε αρκετούς όγκους ανεξάρτητα της ανοσοθετικότητας των νεοπλασματικών κυττάρων για τις πρωτεΐνες αυτές και (γ) του VEGFR-3 σχεδόν σε όλους του εξετασθέντες όγκους, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι παραπάνω παράγοντες πιθανόν συνεργάζονται στην αγγειογενετική διαδικασία στους όγκους εγκεφάλου. Η παρούσα μελέτη απέδειξε την παρουσία των: Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3 σε σημαντικό ποσοστό των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο. Είναι απαραίτητο να διενεργηθούν λειτουργικές μελέτες των σηματοδοτικών οδών που προκύπτουν από την ενεργοποίηση των Trks, EpoR και VEGFR-3, προκειμένου να αποσαφηνισθούν οι πιθανές διαντιδράσεις αυτών των οδών στη διαδικασία της ογκογένεσης, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχεδιασμό νέων θεραπευτικών στρατηγικών για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο. / Brain tumors are phenotypically and genotypically heterogeneous. Significant gaps exist in current understanding of the molecular pathways involved in the genesis, progression, and biological and clinical behavior of brain tumors. Considering that : a) there is a growing amount of evidence implicating the neurotophin receptors Trks (receptor tyrosine kinases) in the pathogenesis of CNS tumors, b) neurotrophins may regulate neuronal gene expression via transcription factor STAT-5 in a JAK-2 independent manner, c) the JAK-2/STAT-5 signaling pathway is activated by Epo (recently characterized as a key factor for tumor growth) through its receptor EpoR, d) Epo is known to interact synergistically with vascular endothelial growth factor (VEGF), a potent angiogenic factor, and enhance its vascular activity, and these two growth factors, are often co-expressed, e) recent data suggest a potential role for a VEGF/JAK-2/STAT-5 axis in tumor angiogenesis and f) in many tumors, VEGF-C and -D are produced by tumor cells as well as by tumor-associated macrophages and through their receptor VEGFR-3 are involved in tumor angiogenesis and growth, the aim of this thesis is the morphological study of the expression patterns of the receptor tyrosine kinases Trks (neurotrophin receptors) and VEGFR-3 and their correlation with the EpoR/ JAK-2/ STAT-5 signaling pathway in human brain tumors. Immunohistochemistry was performed on formalin-fixed, paraffin-embedded, 4μm thick serial sections using the anti-Mouse/ Rabbit Poly HRP IHC Detection kit (CHEMICON International, Inc.). Antibodies against the Trk receptors, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3, were used. A total of 92 brain tumors (50 astrocytic gliomas: 5 pilocytic astrocytomas; WHO grade I, 6 diffuse fibrillary astrocytomas; WHO grade II, 10 anaplastic astrocytomas; WHO grade III and 29 glioblastomas multiforme; WHO grade IV, 8 oligodendrogliomas, 6 ependymomas, 5 medulloblastomas, and 23 meningiomas) were included in this study. Normal human brain tissue was obtained postmortem (2 males). The present study demonstrated moderate to strong, granular cytoplasmic immunoreactivity in the majority of astrocytomas, for TrkA (57%), TrkB (56%) and TrkC receptors (46%), independently of grade. All the oligodendrogliomas and the ependymomas examined, were Trk immunonegative while a small percentage of medulloblastomas exhibited Trk immunopositivity. The endothelium of tumor vessels, in the immunopositive areas of the tumors, showed conspicuous immunoreactivity for TrkB receptor. A significant percentage of astrocytomas (41%), ependymomas (33%) and meningiomas (48%) displayed EpoR immunoreactivity. Oligodendrogliomas and medulloblastomas were EpoR- immunonegative. JAK-2/STAT-5 co-expression was detected in 39% of astrocytomas, 43% of oligodendrogliomas, 50% of ependymomas and in all (100%) the medulloblastomas examined. In contrast, most of the meningiomas showed weak or no immunoreactivity for JAK-2 and STAT-5 proteins. Some tumors exhibited STAT-5 immunoreactivity being JAK-2-immunonegative and others were JAK-2-immunopositive being EpoR- immunonegative. In some tumors - independently of EpoR immunoreactivity in tumors cells- the endothelium of tumor capillaries as well as florid angioproliferative changes and/or proliferations of smooth muscle cells showed conspicuous immunoreactivity for EpoR. Furthermore, endothelial cells of some tumor vessels showed JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity. The present study demonstrated the almost catholic VEGFR-3 expression in the endothelium of tumor vessels in the brain tumor specimens examined, as well as in the smooth muscle cells in peritumoral vessels. In some tumors, the tumor cells expressed VEGFR-3receptor. In astrocytic gliomas, pan-Trk, TrkB and TrkC expression was significantly correlated with STAT-5 expression but not with JAK-2 whereas TrkA expression was not significantly correlated with either JAK-2 or STAT-5 expression. In astrocytic gliomas, JAK-2 expression was significantly correlated with STAT-5 expression whereas JAK-2 and STAT-5 expression were not significantly correlated with EpoR expression. In ependymomas, strong relationship between JAK-2, STAT-5 and EpoR expression was confined. Furthermore, in medulloblastomas, strong relationship between JAK-2 and STAT-5 expression was detected. A significant percentage of astrocytomas (58%), oligodendrogliomas (67%), ependymomas (50%), medulloblastomas (20%) and meningiomas (33%), displayed EpoR and VEGFR-3 co-expression in tumor vessels. Additionally, TrkB and VEGFR-3 co-expression was detected in the endothelium of tumor capillaries in 57% of the astrocytomas examined. The above results indicate the existence of a ligand (other than Epo)-dependent or independent JAK-2 activation that leads to the constitutive activation of STAT-5 as well as the existence of at least one mechanism, other than the Trk - dependent gene induction by STAT-5 that results to the latter’s constitutive activation in these tumors. Furthermore, the finding of EpoR, JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity in endothelial cells of tumor vessels, supports the ongoing notion of an angiogenic role of Epo in tumor neovascularization. The presence of TrkB, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in the endothelium of tumor vessels in the brain tumors specimens included in this study, implicate these factors as possible critical players in the process of angiogenesis. The present study demonstrates the expression of Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in a significant percentage of human brain tumors. Functional studies of the Trks, EpoR and VEGFR-3-activated signaling pathways, are necessary in order to clarify the meaning of a possible cross-talking between these pathways in the process of oncogenesis, the deep understanding of which, could lead to innovative new strategies for drug targeting to human brain tumors.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να ερευνηθούν μέθοδοι μηχανικής μάθησης για την ταξινόμηση διαφόρων τύπων καρκινικών όγκων εγκεφάλου με χρήση δεδομένων μαγνητικής τομογραφίας. Η διάγνωση του τύπου του καρκίνου είναι σημαντική για τον κατάλληλο σχεδιασμό της θεραπείας. Γενικά η ταξινόμηση καρκινικών όγκων αποτελείται από επιμέρους βήματα, όπως καθορισμός των περιοχών ενδιαφέροντος (ROIs), εξαγωγή χαρακτηριστικών, επιλογή χαρακτηριστικών, ταξινόμηση. Η εργασία αυτή εστιάζει στα δύο τελευταία βήματα ώστε να εξαχθεί μια γενική επισκόπηση της επίδρασης των εκάστοτε μεθόδων όσον αφορά την ταξινόμηση των διαφόρων όγκων. Τα εξαγόμενα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά φωτεινότητας και περιγράμματος από συμβατικές τεχνικές απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας (Τ2, Τ1 με έγχυση σκιαγραφικού, Flair,Τ1) καθώς και μη συμβατικές τεχνικές (Μαγνητική τομογραφία αιματικής διήθησης ). Για την επιλογή των χαρακτηριστικών χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι φιλτραρίσματος, όπως CFSsubset, wrapper, consistency σε συνδυασμό με μεθόδους αναζήτησης, όπως scatter, best first, greedy stepwise, με τη βοήθεια του πακέτου Waikato Environment for Knowledge Analysis (WEKA). Οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν σε 101 ασθενείς με καρκινικούς όγκους εγκεφάλου οι οποίοι είχαν διαγνωστεί ως μετάσταση (24), μηνιγγίωμα (4), γλοίωμα βαθμού 2 (22), γλοίωμα βαθμού 3 (17) ή γλοίωμα βαθμού 4 (34) και επαληθεύτηκαν με τη στρατηγική του αχρησιμοποίητου παραδείγματος (Leave One Out-LOO) / The objective of this study is to investigate the use of pattern classification methods for distinguishing different types of brain tumors, such as primary gliomas from metastases, and also for grading of gliomas. A computer-assisted classification method combining conventional magnetic resonance imaging (MRI) and perfusion MRI is developed and used for differential diagnosis. The characterization and accurate determination of brain tumor grade and type is very important because it influences and specifies patient's treatment planning. The proposed scheme consists of several steps including ROI definition, feature extraction, feature selection and classification. The extracted features include tumor shape and intensity characteristics. Features subset selection is performed using two filtering methods, correlation-based feature selection method and consistency method, and a wrapper approach in combination with three different search algorithms (best first, greedy stepwise and scatter). These methods are implemented using the assistance of the WEKA software [20]. The highest binary classification accuracy assessed by leave-one-out (LOO) cross-validation on 102 brain tumors, is 94.1% for discrimination of metastases from gliomas, and 91.3% for discrimination of high grade from low grade neoplasms. Multi-class classification is also performed and 76.29% accuracy achieved.

Τα αστροκυττώματα αποτελούν το συχνότερο τύπο πρωτοπαθών όγκων του κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ) και παραδοσιακά θεωρούνται ότι σχετίζονται με ιδιαίτερα δυσμενή πρόγνωση. Η Συστημική προσέγγιση της καρκινογένεσης, εστιάζοντας στην αποκρυπτογράφηση του τρόπου λειτουργίας και δυναμικής αλληλεπίδρασης πολύπλοκων παθοβιολογικών δικτύων, προσφέρει σήμερα καινούριες ερευνητικές προοπτικές και πιθανές εναλλακτικές, περισσότερο αποτελεσματικές θεραπευτικές στρατηγικές. Οι οιστρογονικοί υποδοχείς και οι συν – ρυθμιστές της μεταγραφής συνιστούν κομβικά σημεία “συνομιλίας” (cross – talk) πολύπλοκων μοριακών οδών του κυττάρου, διαμεσολαβώντας πλήθος κυτταρικών λειτουργιών φυσιολογικά αλλά και σε παθολογικές καταστάσεις, ανάμεσα στις οποίες και ο καρκίνος. Οι παράγοντες EZH2 και SOX2 θεωρούνται μόρια κλειδιά του ρυθμιστικού μεταγραφικού κυκλώματος που χαρακτηρίζει το stemness. Η αποσαφήνιση της συμπεριφοράς του συγκεκριμένου αυτού δικτύου στα διάφορα νεοπλάσματα και ρόλος του σε σχέση με την απόκτηση ιδιότητας καρκινικού stem κυττάρου, θεωρείται καθοριστικής σημασίας στην προσπάθεια ερμηνείας του φαινομένου του καρκίνου ως πολύπλοκο προσαρμόσιμο σύστημα, που θα αναδείξει εναλλακτικούς θεραπευτικούς στόχους και θα επιτρέψει περισσότερο αποτελεσματικές σε σχέση με τις υπάρχουσες παρεμβάσεις. Σκοπός. Υπό το πρίσμα της Συστημικής προσέγγισης της κατανόησης της κακοήθους ανάπτυξης και εξέλιξης των αστροκυτταρικών όγκων, η παρούσα μελέτη διερεύνησε τα επίπεδα έκφρασης του Οιστρογονικού υποδοχέα β (ERβ), και των συν – ρυθμιστών AIB1, TIF2 and PELP1, όπως και την έκφραση των παραγόντων EZH2 και SOX2 σε αστροκυττώματα grade II ως IV και τη συσχέτιση μεταξύ του προφίλ έκφρασης των συγκεκριμένων παραγόντων, με κλινικοπαθολογικά δεδομένα. Υλικό και μέθοδος. Η έκφραση των πρωτεϊνών ERβ, AIB1, TIF2, PELP1, EZH2 και SOX2 εκτιμήθηκε σε 86 περιπτώσεις αστροκυτταρικών όγκων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ανοσοϊστοχημείας. Είκοσι grade II αστροκυττώματα, 22 grade III αναπλαστικά αστροκυττώματα και 46 grade IV πλειόμορφα γλοιοβλαστώματα (GBM) συμπεριλήφθησαν στη συγκεκριμένη μελέτη. Η μέθοδος με χρήση συστήματος ανίχνευσης EnVision (Envision, Dako, CA, USA) ή MACH4 Universal HRP-Polymer Detection (Biocare Medical, CA, USA) και πρωτογενή αντισώματα έναντι των ERβ (Biogenex, CA, USA), AIB1 (BD Biosciences, Ca, USA), TIF2 (BD Biosciences, Ca, USA), PELP-1/MNAR (Novus Biologicals, CO, USA) EZH2 (Novocastra, UK) και SOX2 (R&D Systems, Inc.) χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη. Σε κάθε περιστατικό και για κάθε δείκτη εκτιμήθηκε το ποσοστό των καρκινικών κυττάρων που εμφάνιζαν θετική ανοσοχρώση. Αντιπροσωπευτικές περιοχές επιλέχθηκαν κατόπιν σάρωσης του πλακιδίου σε οπτικό πεδίο μικρής μεγέθυνσης (Χ100), ενώ η καταμέτρηση των θετικών κυττάρων πραγματοποιήθηκε σε μεγάλης μεγέθυνσης πεδίο (400X). Η στατιστική ανάλυση έγινε με τη χρήση του SPSS στατιστικού πακέτου (SPSS©, Release 17.0, Chicago, IL, USA). Τιμές p<0.05 θεωρήθηκαν ως στατιστικά σημαντικές. Αποτελέσματα. Σημαντική μείωση των επιπέδων του ERβ παρατηρήθηκε παράλληλα με την αύξηση του grade. Επιπλέον, η υψηλή ERβ έκφραση αναδείχθηκε ως ανεξάρτητος θετικός προγνωστικός παράγοντας της συνολικής επιβίωσης κατά την πολυπαραγοντική ανάλυση. Η έκφραση των AIB1, TIF2 και PELP1, δε συσχετίσθηκε με αυτή του ERβ, και ακολούθησε αντιστρόφως ανοδική τάση, παράλληλα με την αύξηση του grade. Η στατιστική ανάλυση περαιτέρω, ανέδειξε μία σημαντική αύξηση τόσο των επιπέδων EZH2 όσο και SOX2 στα grade III και IV σε σχέση με τα grade II αστροκυττώματα. Ισχυρή συσχέτιση παρατηρήθηκε ως προς την έκφραση των δύο δεικτών σε όλες τις κατά grade υποομάδες. Η Kaplan-Meier ανάλυση έδειξε ότι, η υψηλή EZH2 και SOX2 πρωτεϊνική έκφραση συνιστούν αρνητικό παράγοντα πρόγνωσης τόσο στο σύνολο των ασθενών όσο και κατόπιν διαστρωμάτωσης κατά grade. Τέλος, η πολυπαραγοντική Cox ανάλυση συνυπολογίζοντας την ηλικία, το φύλο, το grade και την έκφραση των δύο πρωτεϊνών έδειξε ότι μόνο η υψηλή EZH2 έκφραση μαζί με το υψηλό grade, αποτελούν ανεξάρτητους παράγοντες δυσμενούς πρόγνωσης. Συμπεράσματα. Οι παράγοντες ERβ, AIB1, TIF2 και PELP1 ενέχονται στους παθογενετικούς μηχανισμούς ανάπτυξης και εξέλιξης των αστροκυτταρικών όγκων, με τον ERβ να διαδραματίζει προστατευτικό ρόλο και τους AIB1, TIF2 και PELP1 να εμφανίζουν ογκο – προαγωγό δράση. Το ογκογενετικό δυναμικό των παραγόντων AIB1, TIF2 και PELP1 φαίνεται πως διαμεσολαβείται μέσω ανεξάρτητων του οιστρογονικού υποδοχέα μηχανισμών. Η έκφραση του ERβ, διαχωρίζοντας κλινικές εκβάσεις σε ασθενείς ιδίου grade, θα μπορούσε να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο κατά τη λήψη εξατομικευμένων κλινικών αποφάσεων. Οι παράγοντες EZH2 και SOX2, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως εν δυνάμει δείκτες καρκινικών stem κυττάρων σε αστροκυτταρικούς όγκους, να βοηθήσουν τη βελτιστοποίηση τόσο διαγνωστικών όσο και προγνωστικών διαδικασιών στην κλινική πράξη, και να κατευθύνουν την ανάπτυξη εξατομικευμένων στρατηγικών θεραπείας. / Astrocytic tumors are the most common primary neoplasms of the central nervous system (CNS) and have traditionally been associated with disappointing clinical outcomes. The current challenge is to develop more efficacious and targeted therapeutic paradigms, exploiting the knowledge derived from the systems approach of understanding the complex networks underlying tumor formation and progression. Estrogen receptor beta (ERβ) and co-regulators of transcription AIB1, TIF2 and PELP1, are key components of complex cellular networks and integrate diverse signaling afferents with transcription programs controlling various physiological cellular processes and a variety of disease states including cancer. SOX2 and EZH2 represent crucial components of the reciprocal regulatory circuit that controls stemness. Elucidating the behavior of this particular network in cancer and its role in the formation of putative cancer stem cells is considered essential for the understanding of cancer as an adaptive complex system and subsequently allowing the discovery of more successful therapeutic designs. Purpose. In the context of the systems approach of comprehending tumorigenesis in astrocytomas, we sought to investigate the expression of ERβ and co – regulatory proteins AIB1, TIF1 and PELP1, as well as parallel expression of SOX2 and EZH2 in astrocytomas of various grades, and correlate the protein expression profiles with clinicopathological parameters and patients’ prognosis. Materials and methods. Expression of ERβ, AIB1, TIF2, PELP1, EZH2 and SOX2 was evaluated in 86 cases of astrocytic tumors, using Immunohistochemistry, on formalin-fixed paraffin-embedded tissue sections. Twenty grade II astrocytomas, 22 grade III anaplastic astrocytomas and 46 grade IV glioblastomas multiforme (GBM) were included in this study. Polymer based technique (Envision, Dako, CA, USA) or MACH4 Universal HRP-Polymer Detection (Biocare Medical, CA, USA) and primary antibodies against ERβ1 (Biogenex, CA, USA), AIB1 (BD Biosciences, Ca, USA), TIF2 (BD Biosciences, Ca, USA), PELP-1/MNAR (Novus Biologicals, CO, USA) EZH2 (Novocastra, UK) and SOX2 (R&D Systems, Inc.) were used. In each case, the percentage of cells exhibiting positive staining was determined. Representative areas were selected at low power (x100) magnification. Cell counts were performed at a 400X magnification. Data were analyzed using the SPSS statistical package (SPSS©, Release 17.0, Chicago, IL, USA). The level of significance was set at p-value <0.05. Results. ERβ levels were significantly decreased with the progression of tumors’ grade. High expression of ERβ was an independent favorable prognostic factor on multivariate analysis. Expression of AIB1, TIF2 and PELP1, was not correlated to ERβ expression and followed an opposite trend, with increasing levels in grade III and IV relative to grade II tumors. Univariate survival analysis revealed that high AIB1, TIF2 and PELP1 expression was associated with worse prognosis. Statistical analysis further revealed significantly higher expression of EZH2 and SOX2 in high grade III and IV astrocytomas, compared to low grade II astrocytomas. Strong correlation between EZH2 and SOX2 was also detected within all subgroups according to grade. Kaplan-Meier showed that EZH2 and SOX2 high expression was predictive of worse overall survival in the whole cohort as well as after subgroup analysis by grade. Finally, multivariate Cox analysis that included age, gender, grade, and expression of both proteins, revealed that high EZH2 together with higher grade were strong negative prognostic factors. Conclusions. ERβ, AIB1, TIF2 and PELP1 appear to play an important role in the pathogenesis of astrocytic tumors, with ERβ exhibiting a protective effect, whereas AIB1, TIF2 and PELP1 facilitate malignant progression. AIB1, TIF2 και PELP1 contribution in tumor progression is speculated to be achieved through ERβ independent pathways. Moreover, the expression status of ERβ, by distinguish patient subpopulations with different prognosis within the same grade, could be a useful tool accommodating personalized clinical decision-making. EZH2 and SOX2 may serve as potential cancer stem cell markers in astrocytomas and as such help optimizing diagnostic and prognostic assessments and devising novel individually tailored treatment strategies.