Ο μαζικός αδένας σχηματίζεται την 6η εμβρυϊκή εβδομάδα ως πάχυνση του εξωδέρματος (μαζική ακρολοφία), ενώ κατά τον 5ο εμβρυϊκό μήνα αναπτύσσονται από τις αρχικές επιθηλιακές καταβολές, συμπαγείς χορδές κυττάρων στο υποκείμενο χόριο. Ο μαστός ως εξωκρινής αδένας φέρει υποδοχείς, μέσω των οποίων υπόκειται σε ορμονικό έλεγχο τόσο κατά τη διάρκεια του έμμηνου κύκλου, όσο και κατά τη διάρκεια της κύησης και της γαλακτοφορίας, η οποία αποτελεί και το σκοπό ύπαρξης του μαστού. Όμως ο μαστός αποτελεί ένα από τα όργανα του ανθρώπινου σώματος το οποίο υφίσταται καρκινική εξαλλαγή, αφού αποτελεί την 1η αιτία θανάτου από καρκίνο μεταξύ των γυναικών. Υπολογίζεται πως ο ετήσιος κίνδυνος για να προσβληθεί μία γυναίκα από καρκίνο του μαστού είναι 1: 37.000 μεταξύ των ηλικιών 30-40, ενώ ο αριθμός αυτός αυξάνει σε 1: 200-235 σε ηλικίες άνω των 70 ετών. Σημαντικοί τρόποι προληπτικού ελέγχου, και αυτοί οι οποίοι θα μελετηθούν, προκειμένου να διαγιγνώσκεται έγκαιρα μια κακοήθης αλλοίωση του μαστού είναι η μαστογραφία, που με τη βοήθεια πάντα του υπερηχογραφήματος και του έγχρωμου Doppler είναι σε θέση να εντοπίζει αλλοιώσεις μεγέθους ακόμα και 2 mm, οι οποίες δεν έχουν δώσει ακόμα κλινική σημειολογία. Όταν η μάζα γίνει ψηλαφητή αυτό σημαίνει ότι θα είναι ήδη μεγέθους 2 cm και θα έχει διηθήσει τους γύρω ιστούς. Το υπερηχογράφημα θα μειώσει τον αριθμό των γυναικών οι οποίες θα χρειαστεί να υποβληθούν σε βιοψία, καθώς δίνει τη δυνατότητα καθορισμού της κυστικής ή συμπαγούς σύστασης της απεικονιζόμενης στη μαστογραφία αλλοίωσης. Σκοπός του screening με τις απεικονιστικές αυτές μεθόδους είναι να μειωθεί ακόμα περισσότερο η θνητότητα και η θνησιμότητα από καρκίνο του μαστού καθώς ιάσιμη νόσος είναι αυτή η οποία δεν έχει δώσει ακόμα κλινική σημειολογία. / The mammary gland is formed during the 6th week of fetal life, as an exoderma thickening, while during the 5th month compact cords are being developed subcutaneously. The mammary gland as an exocrine gland, carries receptors through which is subject to hormonal control. Not only does this occur during menstrual circle, but also during gestation and lactation, which is the purpose of its existence. Statistics show that the mammary gland is among the human organs, which are most susceptible to cancerous transmutation, since breast cancer is the first cause of death from cancer among women. It is estimated that the annual risk a woman runs to be affected by breast cancer is 1: 37.000 between the ages 30-40, while this risk increases to 1: 200-235 to women above 70 years of age. Mammography along with ultrasonography and color Doppler are significant preventive measures, in order to obtain a prompt diagnosis of a malignant breast lesion. They are capable of pinpointing a lesion as small as 2mm, before this can be clinically detected. When it reaches the point of being palpable, it measures more than 2cm and will have already infiltrated the surrounding tissue. Ultrasonography will reduce the number of women who will need to undergo biopsy in order to distinguish the cystic or solid nature of a suspicious lesion detected in a mammogram. The aim of screening mammography along with ultrasonography is to decrease the morbidity of breast cancer, since breast cancer is curable only at the stage when clinical examination cannot detect it.

Η προσομοίωση της συμπίεσης του μαστού κατά την διάρκεια της μαστογραφίας πραγματοποιείται σήμερα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), η οποία επιβάλει την χρήση ενός μικρού αριθμού κόμβων, λόγω της μεγάλης υπολογιστικής ισχύς που απαιτεί, οδηγώντας σε χαμηλή ανάλυση της εικόνας του συμπιεσμένου μαστού. Επιπρόσθετα, η ανάγκη για την δημιουργία ενός πλέγματος του υπο συμπίεση όγκου, αποτελεί μία πολύπλοκη και μονότονη διαδικασία που δεν έχει αυτοματοποιηθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Στη εργασία αυτή έχει αναπτυχθεί μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση της συμπίεσης κατά την διάρκεια της μαστογραφίας, η οποία μπορεί να συμπιέσει ένα εικονικό ομοίωμα μαστού (Breast Phantom) υψηλής ανάλυσης με οποιαδήποτε γεωμετρική δομή και σύνθεση. Κύριος στόχος δεν αποτέλεσε η ακριβής μοντελοποίηση της δομής και συμπεριφοράς των ανθρώπινων ιστών, αλλά η απόκτηση ρεαλιστικών αποτελεσμάτων συμπίεσης μαστού με στόχο μια ακριβέστερη προσομοίωση μαστογραφίας. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε βασίζεται σε ένα μοντέλο γραμμικών ελατηρίων και χρησιμοποιεί μια επαναληπτική τυχαία διαδικασία για την επίτευξη της ισορροπίας όλων των διακεκριμένων σημείων του όγκου(κόμβων). Τα στοιχεία του μοντέλου απαρτίζονται από 27 κόμβους, έχοντας 1 κόμβο ως κεντρικό και 26 ως γείτονες. Επιπλέον τα γειτονικά στοιχεία μοιράζονται κοινούς κόμβους και συνεπώς αλληλεπικαλύπτονται. Το πολύ σπουδαίο ζήτημα της διατήρησης του όγκου, επιλύθηκε με την χρήση ελατηρίων μεταβλητού μήκους ισορροπίας τα οποία ανάλογα με την εφαρμοσμένη συμπίεση σε κάθε στοιχείο συστέλλονται ή διαστέλλονται με στόχο την διατήρηση του όγκου κάθε στοιχείου. Τέλος δεν απαιτείται η δημιουργία ενός πλέγματος στον χώρο διότι το μοντέλο βασίζεται στα διακεκριμένα σημεία του breast phantom (voxel-based). Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου έκανε εφικτό τον υπολογισμό των νέων θέσεων ισορροπίας 500.000 κόμβων ενός Breast Phantom που δέχθηκε 50% συμπίεση και περιείχε λιπώδη ιστό, δομές αδένων και ανωμαλίες (ασβεστώματα), με μέση απόκλιση μικρότερη από 0.1 χιλιοστά. Η αντιστρεψιμότητα του αλγόριθμου καθώς και η ακρίβεια του εκτιμητή απόκλισης επιβεβαιώθηκαν με την βοήθεια μια «αντίστροφης προσομοίωσης» κατά την διάρκεια της οποίας ένας συμπιεσμένος μαστός αποσυμπιέστηκε πλήρως για να επιστρέψει στην αρχική ασυμπίεστη μορφή του. Η διαδικασία τόσο για την συμπίεση όσο και για την αποσυμπίεση διήρκεσε περίπου 12 ώρες η κάθε μία, σε ένα σύστημα WinXp PC 2.4 GHz. Ο κώδικας του αλγόριθμου είναι γραμμένος σε γλώσσα Java. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι είναι εφικτό να προσομοιωθεί η συμπίεση ενός Breast phantom ανάλυσης 512x512x512 ,απεριόριστου αριθμού ιστών και γεωμετρικών δομών, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλής ανάλυσης προσομοίωση μαστογραφίας. / Breast compression during Mammography is currently being simulated using FEM analysis, which due to its computational greed, forces the use of a relatively small number of nodes leading to a low resolution image of the compressed breast. Moreover the mesh generation of the volume under compression is a tedious and complex task which demands user interaction. In the current work a novel method for simulating compression during mammography which uses a high resolution 3D Breast Phantom with any geometrical structure and contents has been developed. This work was not focused on producing a precise model of the structure and behavior of human tissues, but on achieving realistic results of breast compression during mammography, and therefore contributing to a more accurate mammography simulation. This method is based on a linear spring model and uses a repetitive random process to reach the equilibrium position for all the discrete points in the volume (nodes). The elements of the model consist of 27 nodes each, 1 center node and 26 neighbor nodes. Moreover neighbor elements share common nodes, and therefore overlap each other. The very critical issue of volume preservation was resolved by the introduction of variable equilibrium length springs which, depending on the compression applied on each element, expand or contract in order for the volume of each element to be preserved. Finally, user interaction is minimized by dismissing the tedious and time consuming need for a mesh generation and using a fully automated voxel based model instead. Applying this method it was made possible to compute the new position of each of the 500.000 nodes of a Breast Phantom subjected to 50% compression, which was composed of fatty tissue, gland and various abnormalities, with an average deviation less than 0.1 mm. The reversibility of the algorithm as well as the validity of the deviation estimator were verified by the means of a “reverse simulation” during which the compressed breast phantom was perfectly decompressed to its initial uncompressed state. The entire process both for compression and decompression took approximately 12 hours each on a WinXp PC 2.4 GHz. The source code is written in Java language. The results show that it is possible to obtain a 512x512x512 compressed 3D Breast Phantom with unlimited number of different tissues and structures which can be used in high resolution mammography simulation.

Το μονοπάτι του Transforming- Growth Factor beta είναι ένα από τα πιο πολύπλοκα και πιο καλά μελετημένα σε μια σειρά παθήσεων και έχει βρεθεί να δρα άλλοτε ως ογκοκατασταλτικό και άλλοτε ως προαγωγό της κακοήθους εξαλλαγής. Πρόσφατα έγινε η ανακάλυψη των υποστρωμάτων του, της οικογένειας των Smad πρωτεϊνών, που μεταφέρουν το σήμα στον πυρήνα του κυττάρου, με τη συμμετοχή πολλαπλών παραγόντων, συν –ενεργοποιητών ή συν – καταστολέων. Η Ski πρωτεΐνη έχει ταυτοποιηθεί τελευταία ως ένας σημαντικός συν-καταστολέας του εν λόγω μονοπατιού. Επιπλέον, ο καρκίνος του μαστού είναι ένας από τους πιο συχνούς καρκίνους στις γυναίκες και η ανακάλυψη καινούριων μορίων στόχων μοριακής θεραπείας αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση, ιδίως σε ασθενείς με νόσο αρχικού σταδίου. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της έκφρασης του υποδοχέα του TGF-β, των πρωτεϊνών Smad2/3, Smad4 και Ski σε καρκινώματα μαστού σταδίου Τ1 και Τ2 με απουσία λεμφαδενικών μεταστάσεων, και η συσχέτιση της έκφρασης τους με ποικίλες κλινικοεργαστηριακές παραμέτρους, κυριότερες των οποίων ήταν ο βαθμός κακοηθείας των όγκων, η έκφραση ορμονικών υποδοχέων, η εμφάνιση απομακρυσμένων μεταστάσεων καθώς και ο θάνατος των ασθενών. Υλικά και μέθοδος: Σε 146 δείγματα από πορογενή καρκινώματα μαστού (εκ των οποίων 21 in situ και 125 διηθητικά) μελετήθηκε με τη μέθοδο της ανοσοϊστοχημείας (έμμεση μέθοδος βιοτίνης- στρεπταβιδίνης) η έκφραση των προαναφερθέντων μορίων. Η εκτίμηση της ανοσοθετικότητας ήταν τόσο ποιοτική (θετικη – αρνητική), όσο και ποσοτική (αρνητική, μέτρια, έντονη) ανάλογα με το ποσοστό των θετικών νεοπλασματικών κυττάρων και την ένταση της χρώσης. Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε με το στατιστικό πρόγραμμα SPSS 13 for windows. Αποτελέματα: Η έκφραση του υποδοχέα του TGF-β είχε στατιστικώς σημαντική, αντίστροφη συσχέτιση με το βαθμό κακοηθείας των όγκων, καθώς και με την εμφάνιση αιματογενών μεταστάσεων και θανάτου των ασθενών. Η έκφραση της Smad2/3 πρωτεΐνης αποδείχτηκε ανεξάρτητος προγνωστικός παράγοντας στα Grade I διηθητικά καρκινώματα και η Smad4 βρέθηκε να αποτελεί ισχυρό προγνωστικό παράγοντα στους ER (Estrogen Receptor) θετικούς όγκους. Η έκφραση της Smad2/3 και της Smad4 συσχετίστηκαν σημαντικά τόσο μεταξύ τους όσο και με την έκαραση του TGF-β υποδοχέα. Η έκφραση της πρωτεΐνης Ski συσχετίστηκε με το βαθμό κακοηθείας των όγκων, την παρουσία αιματογενών μεταστάσεων και αποδείχτηκε ανεξάρτητος προγνωστικός παράγοντας για την επιβίωση των ασθενών. Επίσης σημαντική ήταν η παρατήρηση της ενδοκυττάριας μετακίνησης της Ski από τον πυρήνα προς το κυτταρόπλασμα του κυττάρου, αυξανομένου του βαθμού κακοηθείας των όγκων και η στατιστικώς σημαντική συσχέτιση της παρουσίας κυτταροπλασματικής Ski ανοσοχρώσης και απώλειας έκφρασης της πρωτεΐνης Smad2/3. Συμπεράσματα: Οι Smad πρωτεΐνες αποδεικνύεται για άλλη μια φορά να αποτελούν τα ενδοκυττάρια υποστρώματα του TGF-β και φαίνεται να διαδραματίζουν ρόλο ογκοκατασταλτικών πρωτεϊνών στην εξέλιξη της νεοπλασίας του μαζικού αδένα, ενώ η Ski πρωτεϊνη δρα ως ένα ισχυρό ογκογονίδιο καταστέλλοντας τη δράση του TGF-beta μονοπατιού. Όλες οι μελετηθείσες πρωτεΐνες αποτελούν δυνητικά ενδιαφέροντες στόχους μελλοντικής μοριακής θεραπείας. / Transgorming Growth Factor beta signaling pathway is thoroughly studied in a series of diseases and this molecule has been proved to act either as an ancogene or as a tumor suppressor molecule in human carcinogenesis. Recently, the Smad proteins’ family has been identified as TGF-b’s intracellular substrates, which transfer the signal in the cell’s nucleus. A lot of molecules have also been found to act as co-repressors or co-activators in this procedure. Ski protein is one of the most well known Smad proteins’ co-repressors. On the other hand, breast cancer is one of the most common cancers in women, and the fi of new predictive factors, especially in the early stages of the disease is very alluring. The purpose of the present study was the investigation of the expression of TGF-β receptor, as well as the expression of Smad2/3 and Ski protein in T1, T2, -node negative breast cancer specimens and theirs potent correlation with several clinicopathological parameters The most important of these were tumor Grade, hormone receptors’ positivity as well as the patients’ outcome (blood – borne metastases or death of their disease). Materials and methods: 146 breast cancer specimens were used, among which 21 in situ and 125 invasive. The proteins’ expression was studied using immunohistochemistry (biotin – streptabidin indirect method). The evaluation of the immunopositivity was not only qualitative (negative versus positive) but also quantitative (negative, weakly positive and strongly positive) depending on the number of positive tumor cells and the staining’s intensity). The statistical analysis of the results was implemented using the SPSS13 for windows. Results: TGF-β receptor’s expression was inversely correlated with tumor Grade as well as with the presence of blood- borne metastases and patients’ death. The expression of Smad2/3 protein was proved to be an independent prognostic factor in Grade I invasive carcinomas while loss of Smad4 expression was strongly correlated with poor patients’ outcome in ER (Estrogen Receptor) –positive tumors. All three proteins’ positivity had statistically significant correlation with each other. Ski proteins’ expression was strongly correlated with tumors’ Grade, the presence of distant metastases and was also an independent prognostic factor for patients’ survival. An other important observation was the intracellular metatopisi of Ski’ s expression from the nucleus to the cytoplasm in high Grade tumors and the strong relationship between cytoplasmic Ski and loss of expression of Smad2/3. Conclusions: Smad proteins seem to be TGF-beta intracellular substrates and, according to our results, play a tumor suppressor role in mammary gland tumorigenesis. On the other hand, Ski protein acts as an oncogene in breast carcinogenesis procedure modulating the TGF-beta pathways’ effect. All the studied proteins are potent targets of a future molecular therapy.

Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να εκτιμηθούν οι πιθανές οξείες μεταβολές των πνευμονικών λειτουργιών σε γυναίκες που υποβλήθηκαν σε μετεγχειρητική ακτινοθεραπεία για καρκίνο του μαστού μετά από συντηρητική επέμβαση διατήρησης του μαστού ή μετά από μαστεκτομή. Η μελέτη συμπεριλάμβανε 35 γυναίκες εκ των οποίων οι 21 από αυτές είχαν υποβληθεί και σε χημειοθεραπεία. Από το συνολικό δείγμα των 35 γυναικών, οι 14 υποβλήθηκαν και σε ακτινοθεραπεία της μασχαλιαίας και της υπερκλείδιας χώρας λόγω διηθημένων μασχαλιαίων λεμφαδένων. Όλες οι γυναίκες που έλαβαν μέρος στη μελέτη υποβλήθηκαν σε έλεγχο της πνευμονικής λειτουργίας με τη μέτρηση της βίαιης ζωτικής χωρητικότητας (FVC), του βίαιου εκπνεόμενου όγκου αέρα σε 1 sec (FEV1), της μέγιστης μεσοεκπνευστικής ροής (MMEF25-75), της μέγιστης κατανάλωσης οξυγόνου (VO2max), και της διαχυτικής ικανότητας μονοξειδίου του άνθρακα (DLCO). Όλες οι παραπάνω παράμετροι μετρήθηκαν πριν από την έναρξη της ακτινοθεραπείας και τρείς μήνες μετά από την ολοκλήρωσή της. Από την στατιστική ανάλυση προέκυψε στατιστικά σημαντική πτώση των τιμών των FVC, FEV1 και του DLCO, τρείς μήνες μετά την ολοκλήρωση της ακτινοθεραπείας, στις γυναίκες που έλαβαν τοπικοπεριοχική ακτινοθεραπεία και χημειοθεραπεία. Ωστόσο, στις γυναίκες που έλαβαν αποκλειστικά τοπική ακτινοθεραπεία δεν παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική πτώση των παραπάνω τιμών. Συμπερασματικά, η τοπική ακτινοθεραπεία για τον καρκίνο του μαστού δεν συσχετίστηκε με στατιστικά σημαντική πτώση των τιμών των πνευμονικών λειτουργιών, ενώ η τοπικοπεριοχική ακτινοβόληση και η χορήγηση χημειοθεραπείας ανέδειξε στατιστικά σημαντική πτώση των FVC, FEV1 και του DLCO τρείς μήνες μετά την ολοκλήρωση της ακτινοθεραπείας. / The frequency and grade of pulmonary complications after radiotherapy for breast cancer are still debated. This study evaluated changes in pulmonary function tests (PFTs) after radiotherapy in women with breast cancer. Thirty five consecutive eligible women with breast cancer underwent pulmonary function testing before and 3 months after adjuvant radiotherapy. Twenty one of them also received chemotherapy. A significant decrease of forced vital capacity, forced expiratory volume in one second and carbon monoxide diffusing capacity was observed in the women treated with locoregional adjuvant radiotherapy and chemotherapy, whereas no decrease of the above parameters was evidenced in women treated exclusively with local adjuvant radiotherapy. Local adjuvant radiotherapy is not associated with any reduction in lung function parameters, however, locoregional adjuvant radiotherapy combined with chemotherapy shows a significant reduction in PFTs 3 months after radiotherapy completion.

Breast cancer is the most frequent cancer worldwide. The x-ray mammography an important imaging technique for detection can succeed balance between low breast dose and high image quality with the achievement of high sensitivity and specificity. Special requirements lead to the continuing effort to optimize the mammographic technique. Different studies target in improvement of quality image and as a consequence increase the diagnostic accuracy of pathological findings. In this study Monte Carlo methods play a key role as it offers a safe, reliable, inexpensive and flexible tool for complicated studies in medical radiation physics. It gives the solution to a major limitation, the lack of quantitative objective measures of the characteristics of pathological findings inside the environment of a real mammographic image. Different pathological findings are simulated in this study with the help of Monte Carlo techniques having the same density with the area of a clinical mammogram where they are superimposed, creating the synthetic images. The whole followed procedure is presented. Finally a number of result images is created containing different types and sizes of pathological findings reaching the conclusion that calcifications can be very well simulated up to 200μm ,lesions as masses can be realistic up to 0.5cm and especially when the appropriate size is embedded in the suitable heterogeneous area. Finally, masses of air was a difficult task since turned to be difficult to simulate a realistic cyst. The simulation procedure and created synthetic images can be evaluated by experts and gives the opportunity as a future work for a large database to be created. Untrained scientists can take advantage of this procedure or evaluating the detactibility of CAD systems. / Ο καρκίνος του μαστού είναι ο πιο συχνός καρκίνος παγκοσμίως. Η μαστογραφία με ακτίνες Χ, μια σημαντική απεικονιστική τεχνική για ανίχνευση παθολογικών ευρημάτων μπορεί να επιτύχει ισορροπία μεταξύ χαμηλής δόσης μαστού και υψηλή ποιότητα εικόνας με την επίτευξη υψηλής ευαισθησίας και ειδικότητας. Ειδικές απαιτήσεις οδηγούν στη συνεχόμενη προσπάθεια για βελτιστοποίηση της μαστογραφίας.Διαφορετικές μελέτες στοχεύουν στη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας και σαν συνέπεια αυξάνουν τη διαγνωστική ακρίβεια. Σε αυτή τη μελέτη οι μέθοδοι Monte Carlo παίζουν ένα σημαντικό ρόλο,καθώς προσφέρει ένα ασφαλές, αξιόπιστο, οικονομικό και εύχρηστο εργαλείο για πολύπλοκες μελέτες στην ιατρική ακτινοφυσική.Δίνει τη λύση σε ένα μεγάλο περιορισμό, την έλλειψη ποσοτικοποιημένων, αντικειμενικών μετρήσεων των χαρακτηριστικών των παθολογικών ευρημάτων μέσα στο περιβάλλον μιας πραγματικής μαστογραφικής εικόνας.Διαφορετικά παθολογικά ευρήματα προσομοιώνονται σε αυτή τη μελέτη με τη βοήθεια μεθόδων Monte Carlo διατηρώντας τη ίδια πυκνότητα με την περιοχή της κλινικής μαστογραφίας όπου θα τοποθετηθούν, δημιουργώντας συνθετικές εικόνες. Όλη η διαδικασία που ακολουθήθηκε παρουσιάζεται. Τελικά, μια ποσότητα από εικόνες αποτελέσματα δημιουργείται περιέχοντας διαφορετικούς τύπους και μεγέθη παθολογικών ευρημάτων, φτάνουμε στο συμπέρασμα οτι οι αποτιτανώσεις μπορούν να προσομοιωθούν μέχρι τα 200 μm, αλλοιώσεις σαν μάζες μπορούν να είναι ρεαλιστικές μέχρι 0.5cm και ειδικά όταν το κατάλληλο μέγεθος τοποθετείται στην κατάλληλη ετερογενή περιοχή. Τέλος, οι μάζες αέρα ήταν δύσκολο θέμα καθώς αποδείκτηκε δύσκολο να προσομοιωθεί μία ρεαλιστική κύστη. Η διαδικασία προσομοίωσης και οι συνθετικές εικόνες που δημιουργήθηκαν μπορούν να αξιολογηθούν από έμπειρους και να δώσει την ευκαιρία σαν μελλοντική δουλειά να δημιουργηθεί μια μεγάλη βάση δεδομένων. Μη εκπαιδευμένοι επιστήμονες μπορούν εκπαιδευτούν ή να αξιολογηθεί η ικανότητα ανίχνευσης των υπολογιστικών συστημάτων.

Η διπλωματική αυτή εργασία σχετίζεται με την ανίχνευση νεοπλασιών σε μαστογραφίες. Στις μέρες μας, έχουμε μία καλή εικόνα για τον τρόπο που δημιουργείται ο καρκίνος. Αυτό βοηθά στην βελτίωση της θεραπείας αλλά και στην μείωση εμφάνισης της πάθησης. Το κλειδί για την επιτυχή καταπολέμηση της νόσου είναι η πρώιμη ανίχνευση. Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι εξέτασης και διάγνωσης καρκίνου του μαστού είναι η αυτοεξέταση των μαστών από την ίδια τη γυναίκα, η τακτική προληπτική εξέταση του στήθους από το γιατρό καθώς και η πρόληψη μέσω της μεθόδου της μαστογραφίας. Η ανίχνευση του καρκίνου, είναι μια διαδικασία δύσκολη και απαιτεί υψηλό βαθμό αυτοσυγκέντρωσης. Τα νεοπλάσματα αποτελούν παθολογίες και μπορούν να καταταχθούν σε καλοήθη και κακοήθη με ενδιάμεσες διαβαθμίσεις. Το μεγαλύτερο ποσοστό των βιοψιών καταλήγουν τελικά να είναι καλοήθεις. Το νεόπλασμα του μαστού είναι το συχνότερο νεόπλασμα του γυναικείου πληθυσμού. Η διαδικασία συρρίκνωσης της εικόνας, ο αλγόριθμος μετατροπής βάθους των εικονοστοιχείων, ο εμπλουτισμός και η κλιμάκωση της εικόνας αποτελούν κάποιες μεθόδους βελτίωσης της ψηφιακής εικόνας στον τομέα της μαστογραφίας. Περιγράφονται οι τεχνικές ανίχνευσης των ανωμαλιών, με τη βοήθεια των οποίων, μπορούν να εντοπιστούν ανωμαλίες των ιστών στις μαστογραφικές εικόνες. Τέτοιες μορφές ανωμαλιών είναι οι οζώδεις σκιάσεις και οι μικροαποτιτανώσεις. Παρουσιάζονται τα λεγόμενα συστήματα απόφασης και πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται ο ορισμός και οι αρχές λειτουργίας των νευρωνικών δικτύων που αποτελούν και τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα. Τέλος, παρουσιάζεται μια μέθοδος ανίχνευσης νεοπλασιών σε μαστογραφίες, ξεκινώντας από μία γενική εισαγωγή στο σύστημα και στα επίπεδα από τα οποία αποτελείται, και συνεχίζοντας με την ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιεί. / This assignment is related to neoplasia detection in mammograms. Nowadays, we are aware of the way cancer is created. This fact helps to the improvement of the treatment and also to the reduction of the disease appearance. The key to the successful opposition of the disease is the precocity detection. The most prevalent examination and diagnosis methods of breast cancer are self-examination, regular preventive examination by a doctor and the prevention through the method of mammography. Breast cancer detection, is a difficult procedure and requires a high degree of concentration. Neoplasms represent pathologies and can be categorized in benign and malignant. Breast neoplasm is the most common neoplasm of the female population. The procedure of shrinking the digital image, the depth transduction algorithm of the pixels, the enhancement and the scale of the image, comprise some improvement methods of the digital image in the field of mammography. There is a description of the techniques used for detecting abnormalities of the tissues. Masses and micro-calcifications are examples of that kind of abnormalities. Furthermore, there is a presentation of the well known decision systems, and particularly, definition and principles of functionality of neural networks are described, which are the most widely used. Finally, a new method of neoplasias detection is presented in mammograms, starting from a general introduction of the system and the levels it consists of, and continuing with the analysis of the methods used.

The purpose of this study is the comparison of methods of image enhancement kinetics in breast MRI tomography, according to 4 models, that analyze dynamic image series. Specifically, the following models have been implemented: (a) the Kuhl empirical approach, (b) a 3-parameter empirical model, (c) the 3 parameter mathematical model of Jansen and (d) the 5-parameter mathematical model of Fan. These models have been tested in a classification task of breast lesions (benignity/malignancy), using a k-ΝΝ (k=3 and k=7) classifier. A case sample of 29 benign and 49 malignant lesions, originating from 1.5T system, were analyzed. A graphical user interface has been implemented, intended as a visual aid to guide the identification of the location of the analyzing Region of Interest (ROI) of the lesion. In this study, the enhancement kinetic features of the two empirical models, as well as the primary and the secondary kinetic features of the two mathematical models were calculated. For proper ROI selection, 2 feature maps (a) the initial enhancement and (b) the 3 Time Point (3TP) kinetic map (Hauth et al. 2006), were utilized as pre-processing step. To evaluate the classification performance, indices such as sensitivity, specificity and accuracy were utilized. Employing the initial enhancement map, classification performance obtained for Kuhl empirical approach (Kuhl et al. 1999), the 3-parameter empirical model, the mathematical model of Jansen et al (Jansen et al. 2008) and the mathematical model of Fan (Fan et al. 2004, 2007) was: (0.87, 0.34, 67.9%), (0.81, 0.65, 70.5%), (0.85, 0.55, 70.5%) and (0.81, 0.58, 67.9%), respectively. Classification results employing the 3TP kinetic map for the Kuhl empirical approach (Kuhl 1999), 3-parameter empirical model, the mathematical model of Jansen and the mathematical model of Fan were: (0.95, 0.58, 82.0%), (0.95, 0.82, 84.6%), (0.85, 0.68, 78.2%) and (0.93, 0.79, 79.4%), respectively. In conclusion, the 3TP kinetic contributed in the proper location of the analyzing ROI and subsequently in the improved classification of malignant from benign lesions for all enhancement kinetic models studied. / Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σύγκριση μεταξύ μεθόδων ανάλυσης της κινητικής του σκιαγραφικού στην μαγνητική τομογραφία μαστού, σύμφωνα με 4 μοντέλα ανάλυσης που αξιοποιούν τα απεικονιστικά δεδομένα δυναμικών ακολουθιών εικόνων. Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκαν: (α) η εμπειρική προσέγγιση Kuhl et al. (Kuhl et al. 1999), η οποία χρησιμοποιεί 1 ποσοτικό δείκτη της αρχικής ενίσχυσης του σήματος και ποιοτική εκτίμηση της κινητικής του σκιαγραφικού στη φάση έκπλυσης, (β) ένα εμπειρικό μοντέλο 3 ποσοτικών δεικτών που ποσοτικοποιούν την πρόσληψη και έκπλυση, (γ) το 3-παραμετρικό εμπειρικό μαθητικό φαρμακοκινητικό μοντέλο των Jansen et al. (Jansen 2008), (δ) το 5-παραμετρικό εμπειρικό φαρμακοκινητικό μαθητικό μοντέλο των Fan et al. (Fan et al. 2004, 2007), στα πλαίσια ταξινόμησης αλλοιώσεων του μαστού (καλοήθεια/κακοήθεια) με χρήση ταξινομητή k-ΝΝ (k=3 και k=7). Μελετήθηκαν 29 καλοήθεις και 49 κακοήθεις αλλοιώσεις, και οι λήψεις των εικόνων έγιναν από 1.5 T μαγνητικό τομογράφο. Υλοποιήθηκε γραφικό περιβάλλον διεπαφής (Graphical User Interface-GUI), προτεινόμενο ως εργαλείο υποβοήθησης για την επιλογή της τοποθέτησης της περιοχής ενδιαφέροντος για την αξιολόγηση των κινητικών χαρακτηριστικών της αλλοίωσης. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, υπολογίστηκαν τα κινητικά χαρακτηριστικά για τα δύο εμπειρικά μοντέλα καθώς και τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα χαρακτηριστικά για τα μαθηματικά μοντέλα. Για την επιλογή της περιοχής ενδιαφέροντος υλοποιήθηκαν: (α) ένας κινητικός χάρτης πρώιμης ενίσχυσης σήματος, (β) ο κινητικός χάρτης 3TP (Hauth et al. 2006), οποίος εκφράζει τη συνολική κινητική του σκιαγραφικού. Για την αξιολόγηση της απόδοσης ταξινόμησης (διαφοροποίηση καλοήθειας/κακοήθειας) χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες ευαισθησία, ειδικότητα και ακρίβεια. Με χρήση του χάρτη πρώιμης ενίσχυσης για την επιλογή της περιοχής ενδιαφέροντος, η απόδοση ταξινόμησης, του εμπειρικού μοντέλου Kuhl et al. (1999), του εμπειρικού μοντέλου των 3 παραμέτρων, του μαθηματικού μοντέλου Jansen και του μαθηματικού μοντέλο Fan (Fan et al. 2004, 2007) ήταν: (0.87, 0.34, 67.9%), (0.81, 0.65, 70.5%), (0.85, 0.55, 70.5%) και (0.81, 0.58, 67.9%), αντιστοίχως. Με χρήση του κινητικού χάρτη 3TP η απόδοση ταξινόμησης του εμπειρικού μοντέλου Kuhl (Kuhl et al. 1999), του εμπειρικού μοντέλου των 3 παραμέτρων, του μαθηματικού φαρμακοκινητικού μοντέλου Jansen et al. (Jansen et al. 2008) και του μαθηματικού φαρμακοκινητικού μοντέλου Fan (Fan et al. 2004, 2007) ήταν: (0.95, 0.58, 82.0%), (0.95, 0.82, 84.6%), (0.85, 0.68, 78.2%) και (0.93, 0.79, 79.4%), αντιστοίχως. Συμπερασματικά, χρήση του κινητικού χάρτη 3TP συνεισφέρει σε ορθότερη επιλογή της θέσης της περιοχής ενδιαφέροντος προς ανάλυση, βελτιώνοντας αποτελέσματα της ταξινόμησης των κακοηθών από καλοήθεις αλλοιώσεις για όλα τα μοντέλα κινητικής σκιαγραφικού που μελετήθηκαν.

Τα υπολογιστικά συστήματα υποβοήθησης ανίχνευσης και διάγνωσης αλλοιώσεων του μαστού έχουν προταθεί στις διάφορες απεικονιστικές τεχνικές «ως δεύτεροι αναγνώστες» με σκοπό να αυξήσουν τη διαγνωστική ακρίβεια του ακτινολόγου και να μειώσουν τη μεταβλητότητα μεταξύ και ενδο-παρατηρητή κατά την ερμηνεία της μαστογραφικής εικόνας. Η αυτόματη διάγνωση των ομάδων μικροαποτιτανώσεων αποτελεί ανοικτό ερευνητικό ζήτημα. Τα προταθέντα συστήματα ψηφιακής υποβοήθησης διάγνωσης ομάδων μικροαποτιτανώσεων ακολουθούν δύο βασικές προσεγγίσεις: (α) ανάλυση μορφολογίας των μεμονωμένων μικροαποτιτανώσεων της ομάδας και (β) ανάλυση υφής των περιοχών ενδιαφέροντος της μαστογραφικής εικόνας που περικλείει την ομάδα μικροαποτιτανώσεων. Τα συστήματα αυτά διατυπώνουν μαθηματικά το κλινικό ερώτημα αξιοποιώντας μεθόδους επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας με σκοπό την ποσοτικοποίηση δομικών και λειτουργικών παραμέτρων του απεικονιζόμενου ιστού. Στην παρούσα εργασία περιγράφονται οι τρέχουσες προσεγγίσεις στην μεθοδολογία ανάπτυξης συστημάτων υποβοήθησης διάγνωσης ομάδων μικροαποτιτανώσεων στην μαστογραφία ακτίνων-Χ. Σκοπός είναι η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων, μειονεκτημάτων και προκλήσεων των διαφορετικών προσεγγίσεων της ψηφιακής υποβοήθησης διάγνωσης, η καταγραφή των εξελίξεων και αναδυόμενων μεθόδων καθώς και η διερεύνηση και αποτύπωση των μελλοντικών ερευνητικών βημάτων. / Computer-aided detection and diagnosis schemes have been proposed across breast imaging modalities to improve diagnostic accuracy and reduce inter- and intra-observer variability in image interpretation. Computer-aided diagnosis schemes for microcalcification clusters in mammography are based on morphology analysis of individual microcalcifications and on texture analysis of the depicted breast tissue. The current study reviews major approaches in the development of computer-aided diagnosis schemes for microcalcification clusters in mammography, while recent advances and challenges of each methodological approach are highlighted.

The current thesis is focused on the study of tomosynthesis techniques applied on breast imaging, in order to improve the detection of breast lesions. Breast Tomosynthesis (BT) is a pseudo-three-dimensional (3D) x-ray imaging technique that provides reconstructed tomographic images from a set of angular projections taken in a limited arc around the breast, with dose levels similar to those of a two-view conventional mammography. Simulation studies and clinical trials suggest that BT is very useful for imaging the breast in an attempt to optimize the detection and characterization of lesions particularly in dense breasts and has the potential to reduce the recall rate. Reconstruction algorithms and acquisition parameters are critical for the quality of reconstructed slices. The aim of this research is to explore tomosynthesis modalities for breast imaging and evaluate them against existing mammographic techniques as well as to investigate the effect of reconstruction algorithms and acquisition parameters on the image quality of tomosynthetic slices. A specific aim and innovation of the study was to demonstrate the feasibility of combining BT and monochromatic radiation for 3D breast imaging, an approach that had not been studied thoroughly yet. For the purposes of this study a computer-based platform has been developed in Matlab incorporating reconstruction algorithms and filtering techniques for BT applications. It is fully parameterized and has a modular architecture for easy addition of new algorithms. Simulations studies with the XRayImaging Simulator and experimental work at ELETTRA Synchrotron facilities in Trieste, Italy, have been performed using software and complex hardware phantoms, of realistic shape and size, consisting of materials mimicking the breast tissue. The work has been carried out in comparison to conventional BT and mammography and demonstrates the feasibility of the studied new technique and the potential advantages of using BT with synchrotron modality for the detection of breast low- and high-contrast breast lesions such as masses and microcalcifications (μCs). Evaluations of both simulation and experimental tomograms demonstrated superior visibility of all reconstructed features using appropriately optimized filtered algorithms. Moreover, image quality and evaluation metrics are improved with extending the acquisition length for the masses. The visualization of μCs was found less sensitive to this parameter due to their high inherent contrast. Breast tomosynthesis shows advantages in visualizing features of small size within phantoms of increased thickness and especially in bringing into focus and localizing low-contrast masses hidden in a highly heterogeneous background with superimposed structures. Monochromatic beams can result in better tissue differentiation and in combination with BT can lead to improvement of features’ visibility, better detail and higher contrast. Monochromatic BT provided improved image quality at lower incident exposures, compared to conventional mammography, concerning mass detection and visibility of borders, which is important for their characterization, especially when they are spiculated. Overall it has been proved that while reducing the radiation dose, monochromatic beams combined with BT, result in an improvement of image quality. These findings are encouraging for the development of a tomosynthesis system based on monochromatic beams. / Η συγκεκριμένη διατριβή εστιάζει στη μελέτη των τεχνικών της τομοσύνθεσης όπως αυτές εφαρμόζονται στην απεικόνιση του μαστού, με στόχο την βελτίωση της ανίχνευσης των αλλοιώσεων του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού είναι μια τεχνική ψευδό-τρισδιάστατης απεικόνισης με ακτίνες-χ που ανακατασκευάζει τομογραφικές εικόνες χρησιμοποιώντας μια σειρά προβολικών λήψεων υπό διαφορετικές γωνίες σε περιορισμένο τόξο γύρω από το μαστό και με δόσεις ακτινοβολίας παρόμοιες με εκείνες που απαιτούνται για τις δύο τυπικές λήψεις της κλασικής μαστογραφία. Μελέτες προσομοίωσης και κλινικές δοκιμές δείχνουν πως η τομοσύνθεση του μαστού βελτιώνει την απεικόνιση του μαστού, με αποτέλεσμα την καλύτερη ανίχνευση των αλλοιώσεων ειδικά σε πυκνούς μαστούς και αναμένεται ότι η εφαρμογή της θα μπορούσε να μειώσει την ανάγκη επανάληψης της εξέτασης. Οι αλγόριθμοι ανακατασκευής και οι παράμετροι λήψης των προβολικών εικόνων είναι μεγάλης σημασίας για την ποιότητα των ανακατασκευασμένων τομογραφικών εικόνων. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να μελετήσει τεχνικές που βασίζονται στην τομογραφική απεικόνιση του μαστού και να τις συγκρίνει με υπάρχουσες τεχνικές μαστογραφίας καθώς και να διερευνήσει την επίδραση των αλγορίθμων ανακατασκευής και των παραμέτρων λήψης στην ποιότητα της ανακατασκευασμένης τομογραφικής εικόνας. Ένας συγκεκριμένος στόχος και καινοτομία αυτής της μελέτης ήταν να διερευνήσει πιθανά πλεονεκτήματα και να επιδείξει την σκοπιμότητα του συνδυασμού της τομοσύνθεσης του μαστού με μονοχρωματική ακτινοβολία που παράγεται από σύγχροτρον για την τρισδιάστατη απεικόνιση του μαστού, μία προσέγγιση που δεν είχε ακόμα μελετηθεί εκτενώς. Για τις ανάγκες αυτής της μελέτης αναπτύχθηκε στο Matlab μια πλατφόρμα που ενσωματώνει αλγορίθμους ανακατασκευής και τεχνικές φιλτραρίσματος για τομοσύνθεση μαστού. Η εφαρμογή είναι πλήρως παραμετροποιημένη και σχεδιασμένη ώστε να είναι εύκολη η προσθήκη νέων αλγορίθμων. Προσομοιώσεις με τη χρήση του προσομοιωτή XRayImagingSimulator καθώς και πειραματικές μελέτες στις εγκαταστάσεις σύγχροτρον ELETΤRA, στην Τεργέστη της Ιταλίας έχουν πραγματοποιηθεί, με χρήση απλών και σύνθετων ομοιωμάτων μαστού, μιμούμενα τις ιδιότητες του ιστού του μαστού, με ρεαλιστικό μέγεθος και σχήμα. Οι μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί σε σύγκριση με την τυπική τομοσύνθεση μαστογραφία και δείχνουν πόσο εφικτή είναι η νέα τεχνική και τα δυνητικά πλεονεκτήματα της τομοσύνθεσης του μαστού με χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας για την εύρεση χαμηλής και υψηλής αντίθεσης αλλοιώσεων όπως μάζες και μικροαποτιτανώσεις. Εκτιμήσεις των τομογραφικών εικόνων που έχουν προκύψει τόσο από προσομοιώσεις όσο και από πειράματα δείχνουν βελτιωμένη απεικόνιση όλων των ανακατασκευασμένων στοιχείων ενδιαφέροντος με χρήση κατάλληλων βελτιστοποιημένων φίλτρων. Επιπλέον, η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται με τη διεύρυνση του τόξου λήψης για τις μάζες, ενώ η απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων βρέθηκε να είναι λιγότερο ευαίσθητη σε αυτή τη παράμετρο λόγω της υψηλότερης αντίθεσης που έχουν σε σχέση με τον περιβάλλοντα φυσιολογικό ιστό του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού φάνηκε να έχει πλεονεκτήματα στην απεικόνιση αλλοιώσεων μικρού μεγέθους και πιο συγκεκριμένα στο να διακρίνει και να ανιχνεύει χαμηλής αντίθεσης μάζες, μέσα σε πυκνούς μαστούς με έντονα ετερογενή σύσταση, μετριάζοντας τα προβλήματα επικάλυψης. Η μονοχρωματική ακτινοβολία μπορεί να προσφέρει καλύτερη διαφοροποίηση των ιστών του μαστού και σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της απεικόνισης των αλλοιώσεων και στην παραγωγή εικόνων με καλύτερη λεπτομέρεια και υψηλότερη αντίθεση. Γενικά βρέθηκε ότι η μονοχρωματική τομοσύνθεση του μαστού παρέχει βελτιωμένη ποιότητα εικόνας, σε σύγκριση με την κλασική μαστογραφία, όσον αφορά την ανίχνευση όγκων και την ορατότητα των περιγραμμάτων τους, που είναι σημαντική για τον χαρακτηρισμό των μαζών, ειδικά όταν δεν έχουν καλώς καθορισμένα όρια. Συνολικά η μελέτη αυτή έδειξε ότι ακόμα και με μικρότερη δόση ακτινοβολίας, η χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση του μαστού, έχουν ως αποτέλεσμα την βελτίωση της εικόνας, γεγονός που είναι ενθαρρυντικό για την ανάπτυξη ενός συστήματος τομοσύνθεσης βασισμένο σε ακτίνες-χ μονοχρωματικής δέσμης.

Το οστό αποτελεί ένα ιδανικό περιβάλλον για μετάσταση, καθώς η συνεχής και δυναμική ανάπλασή του παρέχει μια γόνιμη βάση για την παλιννόστηση και τον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων. Ο μεταβολισμός του οστού αποτελείται από το στάδιο της απορρόφησης (bone resorption), το στάδιο του σχηματισμού (bone formation) και το στάδιο της ηρεμίας. Το 65-75% των γυναικών με καρκίνο του μαστού εμφανίζουν οστικές μεταστάσεις, καθώς τα καρκινικά κύτταρα του μαστού εμφανίζουν αυξημένο οστεοτροπισμό. Τα καρκινικά κύτταρα του μαστού όταν μεταναστεύουν στο οστό εκκρίνουν διάφορους αυξητικούς παράγοντες και κυτταροκίνες, οι οποίοι μέσω των οστεοβλαστών, υπερενεργοποιούν τους οστεοκλάστες με αποτέλεσμα την διατάραξη της φυσιολογικής ομοιοστασίας του οστού. Η αυξημένη οστεολυτική δραστηριότητα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση αυξητικών παραγόντων που βρίσκονται εγκλωβισμένοι στο οστό, οι οποίοι συμβάλλουν στην επιβίωση και τον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων στο περιβάλλον του οστού. Έτσι εγκαθιδρύεται ένας ‘φαύλος κύκλος’ μεταξύ την ενεργοποίησης των οστεοκλαστών και την ανάπτυξης του όγκου στο περιβάλλον του οστού. Η οστική νόσος στον καρκίνο έχει σημαντικές κλινικές εκδηλώσεις που επηρεάζουν την ποιότητα ζωής του ασθενή. Αυτές περιλαμβάνουν πόνο στον σκελετό, εξασθένηση της κινητικότητας, υπερασβεστιαιμία, συχνά κατάγματα, συμπίεση των νευρικών ριζών και του νωτιαίου μυελού, καθώς και διαταραχές αιμοποίησης. Για την αντιμετώπιση των εκδηλώσεων της οστικής νόσου και γενικότερα των ασθενειών με αυξημένη οστεοκλαστική δραστηριότητα έχει εγκριθεί από τον FDA η χορήγηση διφωσφονικών. Τα διφωσφονικά είναι συνθετικά ανάλογα του πυροφωσφορικού (PPi), όπου οι δύο φωσφονικές ομάδες ενώνονται μέσω φωσφοαιθερικού δεσμού με ένα κεντρικό άτομο άνθρακα (P–C–P) στο οποίο είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένες δύο πλευρικές αλυσίδες. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες τα αμινο-διφωσφονικά και τα μη αμινο-διφωσφονικά με διαφορετικούς μηχανισμούς δράσης. Το ζολενδρονικό ανήκει στην κατηγορία των αμινο-διφωσφονικών και δρα αναστέλλοντας την συνθάση του πυροφωσφορικού φαρνεσυλίου (FPP) στο μονοπάτι του μεβαλονικού. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αναστολή της σύνθεσης των ισοπρενοϊδών λιπδίων FPP και πυροφωσφορικό γερανυλγερανύλιο (GGPP). Τα FPP και GGPP είναι απαραίτητα για την πρενυλίωση δηλαδή την λιπιδική τροποποίηση των μικρών GTPασων. Η πρενυλίωση είναι απαραίτητη για την «αγκυροβόληση» τους στην κυτταροπλασματική πλευρά τις κυτταρικής μεμβράνης 274 και ως εκ τούτου στην λειτουργία των σηματοδοτικών αυτών πρωτεϊνών που είναι επίσης απαραίτητη για την λειτουργία των οστεοκλαστών. Αρχικός σκοπός της διατριβής ήταν να εξετάσει την επίδραση του ζολενδρονικού σε βασικές ιδιότητες των καρκινικών κυττάρων, όπως είναι ο ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός και η διήθηση σε γειτονικούς ιστούς. Για τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιήθηκαν δύο καρκινικές επιθηλιακές κυτταρικές σειρές από ανθρώπινο μαστό, με διαφορετική μεταστατική ικανότητα και διαφορετική έκφραση οιστρογοϋποδοχέων. Οι πειραματικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό υλικό παρουσία ορού, ώστε να υπάρχει διέγερση των κυττάρων από μίγμα αυξητικών παραγόντων που υπάρχει στον ορό, έδειξαν ότι το ζολενδρονικό ανέστειλε στατιστικώς σημαντικά των κυτταρικό πολλαπλασιασμό και των δύο κυτταρικών σειρών. Επίσης αξιοσημείωτο είναι ότι το ζολενδρονικό ανέστειλε σε σημαντικό βαθμό την διήθηση και των δύο καρκινικών σειρών είτε χρησιμοποιήθηκε ως χημειοτακτικό ορός είτε εθισμένο υλικό καλλιέργειας από ινοβλάστες μαστού. Για την περαιτέρω μελέτη της ανασταλτικής δράσης του ζολενδρονικού στην διηθητική ικανότητα των καρκινικών κυττάρων, μελετήθηκε η δράση του σε βασικές διεργασίες των καρκινικών κυττάρων που συμβάλλουν στην διηθητική τους ικανότητα, την ικανότητα προσκόλλησης τους στον ECM και την κινητικότητά τους. Η επώαση των καρκινικών κυττάρων με ζολενδρονικό είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική αναστολή της ικανότητας προσκόλλησης τους σε όλα τα συστατικά του ECM για την MDA-MB-231 σειρά, ενώ για την MCF-7 παρατηρήθηκε αναστολή της προσκόλλησης σε όλα τα συστατικά του ECM με μόνη διαφορά ότι η αναστολή αυτή δεν ήταν στατιστικώς σημαντική για τα κολλαγόνα τύπου Ι και IV. Η μελέτη της κινητικότητας των καρκινικών κυττάρων μελετήθηκε με δύο τρόπους, έτσι ώστε να έχουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για την δράση του ζολενδρονικού. Και από τις δύο πειραματικές τεχνικές παρατηρήθηκε ότι η κυτταρική κινητικότητα αναστέλλεται σημαντικά υπό την επίδραση του ζολενδρονικού για τα MDA-MB-231 κύτταρα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η ανασταλτική δράση του ζολενδρονικού στην κυτταρική κινητικότητα παρατηρήθηκε και στην συγκέντρωση των 3μΜ. Ο εξωκυττάριος χώρος δεν είναι ένα απλό υποστηρικτικό σύστημα μορίων του συνδετικού ιστού, αλλά αποτελεί μια δομική μονάδα η οποία λαμβάνει μέρος σε φυσιολογικές αλλά και παθολογικές διεργασίες. Η σημαντικότητα της δομής και Περίληψη 275 λειτουργικότητας των μορίων του εξωκυττάριου χώρου στις παθοφυσιολογικές διαδικασίες τον καθιστούν ως ένα από τα σημαντικότερα προς μελέτη πεδία. Είναι ευρέως γνωστό ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ καρκινικών κυττάρων και των συστατικών του εξωκυττάριου χώρου, εκτός από την επαγωγή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, είναι σημαντικές για την πρόοδο του καρκίνου, την αγγειογέννεση και τη μετάσταση. Με βάση τη σύγχρονη βιβλιογραφία, αλλά και την μακροχρόνια εμπειρία και το δημοσιευμένο έργο του εργαστηρίου μας, είναι γνωστό ότι αλλαγές στην έκφραση τριών ο σημαντικών κατηγοριών μορίων του εξωκυττάριου χώρου, των PGs των MMPs και των ιντεγκρινών, μπορεί να έχουν σημαντικές συνέπειες στην ανάπτυξη και την πρόοδο του καρκίνου του μαστού. Για το σκοπό αυτό έγινε εκτενής μελέτη στο επίπεδο της δράσης του ζολενδρονικού στις κατηγορίες αυτών των μορίων. Η χορήγηση του ζολενδρονικού στα κύτταρα είχε ως αποτέλεσμα την αναστολή της έκφρασης, ενός σημαντικού για την οστική μετάσταση μορίου, της συνδεκάνης-1 τόσο σε γονιδιακό όσο και σε πρωτεϊνικό επίπεδο και στις δύο καρκινικές σειρές. Επίσης ανέστειλε την γονιδιακή έκφραση της συνδεκάνης -2 στην MCF-7 και MDAMB- 231 παρατηρήθηκε μια τάση αναστολής της. Για την συνδεκάνη-4 δεν επηρέασε την γονιδιακή της έκφραση στην MDA-MB-231, ενώ στην MCF-7 την ανέστειλε. 6στόσο σε πρωτεϊνικό επίπεδο αύξησε την έκφραση της και στις δύο καρκινικές σειρές, γεγονός που υποδεικνύει πως καταστέλλει τον μηχανισμό αποικοδόμησής της. Βάσει πρόσφατων μελετών η αύξηση της έκφρασης της συνδεκάνης-4 έχει ως αποτέλεσμα την καταστολή της κινητικότητας των κυττάρων, γεγονός που εξηγεί την παρατηρούμενη από το ζολενδρονικό μείωση στην κινητικότητα των κυττάρων. Η μελέτη της δράσης του ζολενδρονικού στην έκφραση των MMPs και των TIMPs έδωσε σημαντικά στοιχεία για την παρατηρούμενη αναστολή της διηθητικής ικανότητας των καρκινικών κυττάρων, καθώς η έκφραση της των MMPs που μελετήθηκαν και στις δύο καρκινικές σειρές μειώθηκε σημαντικά, ενώ η έκφραση των TIMPs αυξήθηκε σημαντικά. Όσον αφορά τις ιντεγκρίνες, των οποίων ο ρόλος στην κυτταρική προσκόλληση είναι γνωστός, στα κύτταρα MDA-MB-231 το ζολενδρονικό προκάλεσε στατιστικά σημαντική αναστολή στην έκφραση των υπομονάδων α1, α4, α5, β1, β2, β6 των ιντεγκρινών, καθώς και στις ιντεγκρίνες αvβ3 και α5β1, προκάλεσε σχεδόν πλήρη αναστολή στην έκφραση των β3 και αvβ5, επαγωγή στις αv και β4 υπομονάδες και δεν επηρέασε την έκφραση των α2 και α3. Αντίστοιχα, στα MCF-7 το ζολενδρονικό προκάλεσε αναστολή στην έκφραση των 276 υπομονάδων α2, α3, α5, αν, αvβ3, β1, β2, β3, β6 και των ιντεγκρινών αvβ5 και α5β1. Προκάλεσε επίσης επαγωγή στην υπομονάδα α1, ενώ δεν επηρέασε την έκφραση των υπομονάδων α4 και β4. Αξιοσημείωτη είναι η αναστολή της αvβ3, καθώς το ετεροδιμερές αυτό παίζει σημαντικό ρόλο στην μετάσταση των καρκινικών κυττάρων στο οστό. Συγκρίνοντας τα πειράματα της κυτταρικής προσκόλλησης και της έκφρασης των ιντεγκρινών παρατηρείται συμφωνία μεταξύ τους. Σημαντική επίσης για την αντικαρκινική και αντιμετασταστική δράση του ζολενδρονικού είναι η παρατηρούμενη αναστολή της έκκρισης του HA και της έκφρασης του υποδοχέα του, του CD44, καθώς το και τα δύο μόρια ξεχωριστά αλλά και ως σύμπλοκο διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην πρόοδο του καρκίνου και στην μετάσταση του στα οστά. Επόμενος σκοπός της διατριβής ήταν να μελετηθεί η επίδραση του ζολενδρονικού εκεί που κυρίως δίνει μετάσταση ο καρκίνος του μαστού, δηλαδή στα οστά. Για το λόγο μελετήθηκε η δράση του στην ενεργοποίηση των πρώιμων οστεοκλαστων σε υπόστρωμα οστού, χρησιμοποιώντας ως δείκτες την TRAP 5b και το NTx, και διαπιστώθηκε πως το ζολενδρονικό μπορεί να επάγει την αναστολή της οστεοκλαστογένεσης με μηχανισμό ο οποίος δεν βασίζεται στην υπερέκκριση της OPG. Επίσης ανέστειλε την έκφραση της ΜΜP-9, η οποία πέρα από την αποικοδομητική της δράση, αποτελεί και δείκτη της οστεοκλαστικής σειράς. Στην συνέχεια μελετήθηκε η ενεργοποίηση των οστεοκλαστών σε ένα πειραματικό μοντέλο που περιλάμβανε την συν-καλλιέργεια πρώιμων οστεοκλαστών και καρκινικών κυττάρων της σειράς MDA-MB-231 παρουσία και απουσία αυξητικών παραγόντων που επάγουν την ενεργοποίηση των οστεοκλαστών. Και στις δύο περιπτώσεις η ωρίμανση των οστεοκλαστών αναστάλθηκε δοσο-εξαρτώμενα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι τα καρκινικά κύτταρα μπορούν από μόνα τους να επάγουν την ενεργοποίηση των οστεοκλαστών καθώς και ότι ζολενδρονικό αναστέλλει την ενεργοποίηση των οστεοκλαστων στην χαμηλή συγκέντρωση των οστεοκλαστών. Επίσης και στις δύο περιπτώσεις το ζολενδρονικό μείωσε σημαντικά το φορτίο των ζελατινασών στο περιβάλλον του οστού μειώνοντας έτσι και την λυτική τους δραστηριότητα. Όπως είναι γνωστό όταν τα καρκινικά κύτταρα μεταναστεύουν στο περιβάλλον του οστού ουσιαστικά εκμεταλλεύονται του μηχανισμούς αποικοδόμησης έτσι ώστε να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον ευνοϊκό για την επιβίωσή τους. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε η δράση του ζολενδρονικού στην δραστικότητα ενεργών οστεοκλαστών Περίληψη 277 καθώς και σε μόρια, όπως η TRAP, η β3 ιντεγκρίνη, η καθεψίνη Κ και οι MMP-1, -9, -14, που παίζουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία τους. Τα αποτελέσματα από την μέτρηση του NTx έδειξαν πως το ζολενδρονικό καταστέλλει την δραστικότητα των οστεοκλαστών. Όσον αφορά τα μόρια που μελετήθηκαν το ζολενδρονικό ανέστειλε την έκφραση τους στην συγκέντρωση των 15 μΜ, ενώ στην συγκέντρωση των 3 μΜ είτε ανέστειλε την έκφραση τους (ΜΜP-1, MT1-MMP, ιντεγκρίνη β3) είτε δεν την επηρέασε (καθεψίνη Κ, TRAP) είτε την αύξησε (MMP-9). Η μελέτη της πρωτεϊνικής έκφρασης της ΜΜP- 9 εμφάνισε το ίδιο μοτίβο με την γονιδιακή της έκφραση. Όπως είναι γνωστό η χημειοθεραπεία στον καρκίνο δεν έγκειται στην χορηγία ενός μόνο φαρμάκου αλλά σε συνδυασμούς φαρμάκων. Για το λόγο αυτό αξιολογήθηκε η δράση του ζολενδρονικού με άλλα γνωστά αντικαρκινικά μόρια (λετροζόλη και STI571), των οποίων η δράση τους έχει μελετηθεί και αξιολογηθεί από το εργαστήριο Βιοχημείας. Τα μόρια αυτά είναι η λετροζόλη και ο μοριακός αναστολέας STI571. Παρουσία των δύο ειδικών αναστολέων παρατηρήθηκε ενίσχυση της ανασταλτικής δράσης του ζολενδρονικού στον κυτταρικό πολλαπλασιασμό, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται συνεργιστική δράση τους. Συνοψίζοντας το ζολενδρονικό φαίνεται να έχει σημαντική in vitro αντικαρκινική δράση, καθώς εμφανίζει ανασταλτική δράση στον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων και στα επιμέρους βήματα της μεταστατικής διαδικασίας. Επιδρά σε μόρια που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξάπλωση του όγκου και φαίνεται να μπορεί να διακόψει το ‘φαύλο κύκλο’ της οστικής νόσου στον καρκίνο του μαστού. Η χρησιμοποίηση του μαζί με άλλα αντικαρκινικά μπορεί να αυξήσει την ανασταλτική του ικανότητα. Περαιτέρω μελέτες θα βοηθήσουν στην in vivo επιβεβαίωση των παραπάνω και συγκεκριμένα ότι το ζολενδρονικό εν δυνάμει θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αντικαρκινικός παράγοντας σε γυναίκες με καρκίνο του μαστού, έτσι ώστε να αποφευχθούν οι πιθανές μεταστάσεις στα οστά. / In this doctoral thesis the effect of zoledronic acid (zol) on human MDA-MB- 231 and MCF-7 breast cancer cell lines on cell proliferation, invasion, adhesion and migration were examine. The obtained results demonstrated that zoledronate effectively reduced cell growth for both cancer cell lines. Moreover the effect of zol on key matrix molecules that implicated in cell migration, invasion and metastasis, such as Proteoglycans, Metalloproteinase and integrins were studied. In both cell lines the inhibition of expression of both protein and gene levels were demonstrated. In order to evaluated the effect of zol on the activation of osteoclasts, bone particles with the appropriate growth factors were co-cultured with MDA-MB-231 cells. Conclusively the result of this thesis demonstrated that zol inhibits migration and invasiveness of breast cancer cells, which is of crucial importance in preventing the spread in bone inviroment.