Στις αρχές της δεκαετίας του 80 μια νέα εποχή ξεκινά για την Μαστογραφία και τον καρκίνο του Μαστού, με τη χρήση της τεχνικής "χαμηλής δόσης Μαστογραφίας", τη σωστή ενημέρωση των γυναικών για την πρόληψη του καρκίνου του μαστού και την εφαρμογή του πληθυσμιακού ελέγχου σε ασυμπτωματικές γυναίκες, με συνέπεια να αυξήσουν τον αριθμό των μη-ψηλαφητών και μη ψηλαφητών καρκίνων μαστού που διαγιγνώσκονται σε πρώιμα στάδια (0, Ι, ΙΙ, ΙΙΙΑ κλπ) με καλλίτερη πρόγνωση και θεραπεία. Προηγούμενες κλινικές μελέτες προσπάθησαν να συσχετίσουν τα ακτινολογικά με τα ιστολογικά χαρακτηριστικά του καρκίνου του μαστού αλλά δεν κατάφεραν να αναδείξουν σημαντικές διαφορές όσον αφορά τα ιστολογικά και βιολογικά χαρακτηριστικά μεταξύ των συμπωματικών και των μαστογραφικά εντοπιζόμενων μη ψηλαφητών καρκινωμάτων του μαστού . Επιπλέον, αρκετοί ερευνητές φαίνεται να καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα καλά προγνωστικά χαρακτηριστικά των καρκινωμάτων του μαστού που αναδεικνύονται με την προληπτική μαστογραφία σχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με την επίδραση βιολογικών παραγόντων. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάδειξη των δεικτών που σχετίζονται με την μαστογραφική απεικόνιση της κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων ψηλαφητών και μη και της επιθετικότητας της νόσου. Μελετήθηκαν συνολικά πεντακόσιες εβδομήντα τέσσερεις ογκόμορφες αλλοιώσεις ψηλαφητές ή μη του μαστού σε πεντακόσιες εβδομήντα ασθενείς που εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια του μαστογραφικού ελέγχου στο εργαστήριο μας κατά την περίοδο 1994- 2004. Όλοι οι ασθενείς υποβλήθηκαν σε βιοψία δια λεπτής βελόνης (FNA) ή κατευθυνόμενη από με μαστογραφία χειρουργική βιοψία. Η ιστολογική εξέταση ανέδειξε 410/574 (71,4%) κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις και 164/574 (28,5%) καλοήθεις. Ανοσοϊστοχημεία πραγματοποιήθηκε σε τομές παραφίνης σε 390 από τις 410 κακοήθεις αλλοιώσεις χρησιμοποιώντας μία ποικιλία μονοκλωνικών και πολυκλωνικών αντισωμάτων ενάντια στις εξής πρωτεϊνες: ER, PR, p53, HER-2,Ki 67 και KATH D. Οι κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις ταξινομήθηκα από την Μαστογραφική τους απεικόνιση (σύμφωνα Breast Imaging Reporting and Dada System BI RADS) σε τρείς κατηγορίες : στην κατηγορία Β (οι αστεροειδείς κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις) ήταν το (44,8%), στην κατηγορία Α (οι άτονες με ασαφή ή εν μέρει ασαφή όρια) το 36% και στην κατηγορία Γ (σκιάσεις και αποτιτανώσεις) που ήταν 18,2% όλων των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων μεταξύ της μαστογραφικής απεικόνισης των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων και των ιστολογικών και βιολογικών χαρακτηριστικών των ανέδειξε : Σημαντική συσχέτιση της μαστογραφικής απεικόνισης με το μέγεθος των ογκόμορφων αλλοιώσεων (p=0.01<0.05). Σημαντική συσχέτιση με το βαθμό διαφοροποιήσεως της κακοήθειας (p=0.005<0.05). Σημαντική συσχέτιση με την έκφραση των πρωτεϊνών p53 (p=0.015) και Ki -67( p=0.02). Δεν παρατηρήθηκε σημαντική συσχέτιση της απεικόνισης των ογκόμορφων αλλοιώσεων με την ηλικία των ασθενών (p=0.08>0.05), με την ανίχνευση πυρηνικής θετικότητας για τους οιστρογονικούς (ER) και τους προγεστερονικούς(PR) υποδοχείς (p =0.4>0.05) καθώς και με τις πρωτεΐνες HER-2. και KATH D. Επίσης παρατηρήθηκε οριακή συσχέτιση στην απεικόνιση των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων και των λεμφαδένων. Συμπερασματικά βρήκαμε ότι η κατηγορία Β με τις αστεροειδείς ογκόμορφες αλλοιώσεις είχε ευνοϊκότερη επίδραση από τ η κατηγορία Α με τις άτονες με ασαφή ή εν μέρει ασαφή όρια και με τις ογκομορφές αλλοιώσεις και αποτιτανώσεις (κατηγορία Γ). Οι άτονες με ασαφή ή με εν μέρει ασαφή όρια κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις(κατηγορία Α) σχετίζονται με χαμηλής διαφοροποίηση κακοήθεια (grade 3) με υπερέκφραση του p53 και Ki -67 και με αρνητικούς υποδοχείς (PR και ER). Οι όγκοι αυτοί είναι μεγάλοι όγκοι με ίδια πολλές φορές μαστογραφική απεικόνιση με εκείνη των καλοηθών ογκόμορφων αλλοιώσεων. / At the beginning of 80 a new era for the Mammography and the breast cancer started with the use of the technique "low dose Mammography", with the correct information of women for the prevention of the breast cancer and the application of mass screening in asymptomatic women, with the result to increase the number of palpable and no- palpable breast cancers diagnosed in early stages (0,I,II,IIIA etr) with better prognosis and therapy. Previous clinical studies have attempted to correlate the radiological with the histological characteristics of breast cancer but did not succeed to show significant differences as for us the histological and biological characteristics among the symptomatic and the mammographically localized non- palpable breast cancers. Furthermore, many investigators see to conclude that the best prognostic characteristics of breast cancers that are identified with the preventive mammography are directly or indirectly related by the effect of biological factors. The aim of the present study is to mark out indicators that are related with the mammographic appearance of malignant palpable and no- palpable lesions and the aggressiveness of disease. In total five hundred seventy four palpable and no- palpable breast lesions have been studied in five hundred seventy patients that were localized during the mammographic screening in our department, between 1994 to 2004. All the patients were subjered to line needle biopsy (FNA) or mammographically guided open surgical biopsy. Histological examination showed 410/574 (71.4%) malignant lesions and 164/574 (28.5%) benign lesions. Immunohistochemistry was performed in paraffin sections in 390 of 410 malignant lesions using a variety of monoclonal and polyclonal antibodies against the following proteins ER,PR, P53, HER-2, Ki67and KATH D. The malignant lesions were classified from their mammographic appearance (according to Breast Imaging Reporting and Dada System BI RADS) in three categories: category A (lesions with poorly defined or partially poorly defined margins)were 36%, category B (speculated malignant lesions) were 44.8% and category C (lesions wih calcifications) were 18.2% of all malignant lesions. The analysis of our results between the mammographic appearance of the malignant lesions and their histological and biological characteristic showed the following: 1) Significant correlation existed between the mammographic appearance and the size of the lesions (p=0.01<0.05). 2) Significant correlation existed with the degree of differentiaton of malignancy (p=0.005<0.05). 3) Significant correlation existed with over expression of proteins P53 (p=0.015). and Ki- 67 (p=0.02). No significant correlation was observed between the appearance of lesins with the age of the patients (p=0.08>0.05), with the detection of nuclear positivity of the estrogens (ER) and progesterone (PR) receptors (p=0.4>0.05) and also with the proteins HER-2 and KATH D. Furthermore a bode line correlation was observed between the appearance of the malignant lesions and lymph notes. In summary, it was found that the category B patients with the speculated lesions had a more favorable effect than category A with the poorly defined or partially poorly defined limits, and the category C lesions with calcifications. The poorly defined or partially poorly defined limits malignant lesions (category A) are related with low grade malignancy (grade 3, with over expression of P53 and Ki-67 and with negative receptors (PR and ER). These are large size lesions and are difficulty diagnosed from benign lesions.

In the framework of this thesis, a simulation model, based on Monte Carlo techniques, was developed for the study of breast imaging using Synchrotron Radiation (SR). The basic core of the model was developed in previous dissertations of our Department for conventional mammography. The existing model was expanded to include SR physical and geometrical characteristics and test the potential of SR for further optimization in breast imaging. The SR model was validated against experimental data from SYRMEP beamline of the Elettra Synchrotron Light Facility. The alterations of the new model comparing to the one for conventional mammography mostly concerned the geometry used (source-to-slit distance 22m), the narrow gaussian almost monoenergetic beam, and the scanning of the region of interest by a uniform movement of the phantom and the detector. Besides the generation of an image, the model was enriched with dose parameters (incident air kerma, backscatter radiation, entrance surface air kerma-Ke), in order to evaluate SR for both image quality and dose. The validation showed excellent results for 16-28 keV, for both image quality (subject contrast-SC) and dose (incident air kerma and corresponding number of photons) indices. In the case of SC, Pearson's correlation R was calculated 0.996, while in the case of dose validation, R was equal to 1. Regarding the backscatter, the validation was based on published data and the deviation did not exceed 2% for 20 keV. The performance of SR was then evaluated with mathematical phantoms designed to simulate difficult imaging tasks; the first experiment concerned a 4cm-thick phantom made of adipose tissue with embedded spheres of PMMA, glandular tissue and water of increasing diameter; the second one concerned a step wedge of 0-75% glandularity in a 5cm-thick background of adipose tissue and small calcifications in each step. The first experiment was used to compare SR energies (16-25 keV) to conventional mammographic spectra (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd at 28 kVp) in terms of SC and CNR (Contrast-to-Noise Ratio). The results demonstrate that there is an energy range where CNR maximized (18-21 keV). The image quality indices are highly affected by the size and composition of the lesion, with PMMA showing a slightly degraded CNR compared to the same size glandular tissue inhomogeneity. SR energies between 18-21 keV demonstrate improved imaging performance compared to conventional spectra. For the second experiment, a Figure of Merit (FOM=CNR^2/Ke), was used as an index of the overall perfomance. The energy on the detector was kept constant at 7μGy for SR energies 19-25 keV (for 20 keV, the corresponding Ke was 1.5mGy). The results showed that the best performance (highest FOM), is observed in higher energies. However, taking into consideration the contrast-detail visibility, the best performance was observed at 21-22 keV. Synchrotron Radiation seems promising for breast imaging, since it shows better performance in cases where conventional mammography faces limitations. However, further exhaustive performance studies, in terms of resolution and dose, are necessary in order to consider it as a reliable alternative for mammographic applications. / Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης με βάση τις τεχνικές Monte Carlo για την υπολογιστική μελέτη της εφαρμογής της Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ΑΣ) στην απεικόνιση μαστού. Μια βάση για το σχεδιασμό του μοντέλου είχε διαμορφωθεί στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής για κλασική μαστογραφία. Το νέο μοντέλο σχεδιάστηκε και πιστοποιήθηκε ως προς την ακρίβεια των αποτελεσμάτων του, με βάση πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με τη δέσμη SYRMEP του Elettra Synchrotron Light Facility στην Τεργέστη. Οι διαφορές του μοντέλου για ΑΣ σε σχέση με το προηγούμενο που είχε αναπτυχθεί για κλασική μαστογραφία παρατηρήθηκαν κυρίως στη διάταξη (απόσταση πηγής-σχισμής 22m), στη στενή gaussian μορφή της σχεδόν μονοενεργειακής δέσμης, αλλά και στην σάρωση της περιοχής ενδιαφέροντος από τη δέσμη, που πραγματοποιείται στην πράξη με την ομοιόμορφη κίνηση του συστήματος ομοίωμα-ανιχνευτής. Εκτός από τη δημιουργία εικόνας, στο μοντέλο προστέθηκαν και παράμετροι για τον υπολογισμό δοσιμετρικών στοιχείων (προσπίπτον kerma στην επιφάνεια του ομοιώματος, οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, kerma εισόδου στην επιφάνεια του μαστού-Ke), για τη συνολική εκτίμηση της απόδοσης της ΑΣ στην απεικόνιση μαστού. Η πιστοποίηση του μοντέλου ως προς την ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων είχε εξαιρετικά αποτελέσματα, τόσο για την ποιότητα εικόνας (αντίθεση υποκειμένου-subject contrast), όσο και για τη δόση (προσπίπτον kerma και αντίστοιχος αριθμός φωτονίων). Ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson, R, μεταξύ των δεικτών ποιότητας πειραματικής και προσομοιωμένης εικόνας, βρέθηκε 0.996, ενώ στην περίπτωση της επαλήθευσης της δόσης, ο συντελεστής R άγγιξε το 1. Για την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, η επαλήθευση πραγματοποιήθηκε με βάση βιβλιογραφικά στοιχεία και τα αποτελέσματα έδωσαν απόκλιση μικρότερη του 2% για 20 keV. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσομοίωσης για την αξιολόγηση της ΑΣ με χρήση μαθηματικών ομοιωμάτων; στο πρώτο πείραμα σχεδιάστηκε ομοίωμα πάχους 4cm από λιπώδη ιστό με σφαιρικές ανομοιογένειες τριών διαφορετικών διαμέτρων και τριών διαφορετικών πυκνοτήτων (PMMA, αδενώδης ιστός και νερό); το δεύτερο πείραμα αφορά σε ομοίωμα αδενώδους ιστού αυξανόμενου πάχους (step wedge) 0-75% glandularity μέσα σε λιπώδη ιστό πάχους 5cm και με ενσωματωμένες αποτιτάνωσεις σε κάθε βήμα. Στο πρώτο πείραμα, συγκρίθηκαν ενέργειες ΑΣ (16-25 keV) με τα συνήθη μαστογραφικά φάσματα (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd) στα 28 kVp ως προς το Subject Contrast (SC) και το Contrast-to-Noise Ratio (CNR). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει ένα εύρος ενεργειών (18-21 keV) όπου το CNR γίνεται βέλτιστο. Οι δείκτες ποιότητας εικόνας εξαρτώνται σημαντικά από το μέγεθος και τη σύνθεση της ανομοιογένειας με το PMMA να εμφανίζει ελαφρώς υποβαθμισμένο CNR σε σχέση με το αντίστοιχο μέγεθος ανομοιογένειας από αδενώδη ιστό. Οι ενέργειες ΑΣ στο εύρος 18-21 keV παρουσίασαν καλύτερη απόδοση από τα συμβατικά φάσματα. Για το δεύτερο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε ένας δείκτης συνολικής απόδοσης (Figure of Merit - FOM=CNR^2/Ke). Για εύρος ενεργειών 19-25 keV, διατηρήθηκε σταθερή η ενέργεια στον ανιχνευτή (7 μGy), που αντιστοιχεί σε Ke=1.5mGy για 20 keV. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι την καλύτερη απόδοση (υψηλότερο FOM) παρουσίασαν οι υψηλότερες ενέργειες ΑΣ. Λαμβάνοντας όμως υπόψη και την ανιχνευσιμότητα των αποτιτανώσεων, η καλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε στα 21-22 keV. Η Ακτινοβολία Συγχρότρου φαίνεται εξαιρετικά υποσχόμενη στην απεικόνιση μαστού, καθώς έχει καλύτερη απόδοση σε περιπτώσεις όπου η συμβατική μαστογραφία παρουσιάζει περιορισμούς. Εντούτοις, πρέπει να υποβληθεί σε περισσότερες μελέτες απόδοσης, ώστε να θεωρηθεί ως αξιόπιστη εναλλακτική για τις μαστογραφικές εφαρμογές.

Η σεργλυκίνη (SG) είναι η κύρια πρωτεογλυκάνη που εκφράζεται από τα αιμοποιητικά κύτταρα και συμμετέχει στη ρύθμιση διαφόρων παραγόντων που εμπλέκονται στις αντιδράσεις φλεγμονής. Επιπλέον, φαίνεται ότι διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη βιολογία του πολλαπλού μυελώματος αφού αναστέλλει τη δραστικότητα της κλασικής οδού και της λεκτινικής οδού του συμπληρώματος και προάγει την προσκόλληση των μυελωματικών κυττάρων στο κολλαγόνο τύπου Ι. Παράλληλα, η αυξημένη έκφρασή της σχετίζεται με τον επιθετικό φαινότυπο των κυττάρων καρκίνου του ρινοφάρυγγα. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η έκφραση της SG σε κακοήθειες. Τα αποτελέσματά μας αναδεικνύουν την έντονη παρουσία της σε συμπαγείς όγκους λόγω της αυξημένης έκφρασή της είτε από τα καρκινικά κύτταρα είτε από τα κύτταρα φλεγμονής και τα κύτταρα του στρώματος τα οποία επιστρατεύονται κατά την ανάπτυξη του όγκου. Επιπλέον, η αυξημένη έκφρασή της και η έκκρισή της σχετίσθηκαν με το μεταστατικό δυναμικό των κυτταρικών σειρών διαφόρων τύπων καρκίνου. Παράλληλα, ταυτοποιήθηκε η έκφραση του μεταγράφου της SG που προκύπτει από εναλλακτικό μάτισμα με απαλοιφή του εξωνίου 2. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε ο βιολογικός ρόλος της SG σε επιθετικά καρκινικά κύτταρα μαστού. Βρέθηκε ότι η SG αλληλεπιδρά με πρωτεΐνες που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε κυτταρικές λειτουργίες όπως η αναδιοργάνωση του κυτταροσκελετού, η μεταφορά και ανακύκλωση μορίων από και προς την κυτταρική επιφάνεια και η γονιδιακή ρύθμιση. Η ίδια πρωτεογλυκάνη εκκρίνεται ιδιοσυστατικά από αυτά τα κύτταρα. Τόσο η γλυκοζαμινογλυκανική της σύσταση όσο και η ανασταλτική της δράση έναντι της ενεργοποίησης του συστήματος του συμπληρώματος είναι παρόμοιες με τη SG που εκκρίνεται από τα μυελωματικά κύτταρα. Η συμβολή της SG στον επιθετικό φαινότυπο των καρκινικών κυττάρων επιβεβαιώθηκε με την υπερέκφρασή της σε χαμηλής επιθετικότητας κύτταρα καρκίνου του μαστού. Λειτουργίες όπως ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός, η μετανάστευση και η διήθηση των καρκινικών κυττάρων σχετίσθηκαν θετικά με την αυξημένη έκφραση και έκκριση της SG από αυτά τα κύτταρα. Οι επαγωγικές της ιδιότητες καταργήθηκαν με την απαλοιφή των θέσεων πρόσδεσης των γλυκοζαμινογλυκανών από τον πρωτεϊνικό της κορμό. Επιπλέον, διερευνήθηκε το πρωτεολυτικό δυναμικό αυτών των κυττάρων με τη μελέτη της έκφρασης πρωτεολυτικών ενζύμων του εξωκυττάριου χώρου, όπως οι tPA, uPA, MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-9, MT1-MMP και του αναστολέα των μεταλλοπρωτεϊνασών TIMP-1. Παρουσιάσθηκε ότι η υπερέκφραση του πλήρους μορίου της SG αλλά και της μη γλυκοζυλιωμένης της μορφής οδηγούν στη διαφοροποίηση της έκφρασης και της ενεργότητας των μορίων αυτών με τρόπο που ποικίλει ανάλογα με την κυτταρική πυκνότητα. Παρόλα αυτά, τα δεδομένα που προέκυψαν από τη μελέτη της έκφρασης του uPA και της MT1-MMP συσχέτισαν την αυξημένη τους ενεργότητα με την υπερέκφραση της γλυκοζυλιωμένης μορφής της SG και ανέδειξαν την πιθανή συμβολή τους στην επιθετικότητα των καρκινικών κυττάρων μαστού. Συμπερασματικά, η παρουσία της SG είναι έντονη σε πληθώρα συμπαγών όγκων και καρκινικών κυτταρικών σειρών και φαίνεται να σχετίζεται με το μεταστατικό δυναμικό των κυττάρων. Η συμβολή της στον επιθετικό φαινότυπο των καρκινικών κυττάρων περιλαμβάνει τόσο ενδοκυττάριες όσο και εξωκυττάριες δράσεις που μεσολαβούνται από τη γλυκοζυλιωμένη της μορφή. / Serglycin (SG) is the major proteoglycan of hematopoietic origin cells and contributes to the regulation of several inflammatory proteins. Moreover, SG has a significant role in the biology of Multiple Myeloma; It inhibits the activation of the classical and the lectin pathway of complement system. Enhanced SG expression is correlated with the aggressive phenotype of nasopharyngeal cancer cells. In the present study, the expression of SG in several malignancies was investigated. The strong presence of SG in solid tumors due to its elevated expression either by cancer cells or by inflammatory and stomal cells was revealed. Furthermore, SG elevated expression and secretion was correlated with the high metastatic potential of several cancer cell lines. The expression of the alternatively spliced SG mRNA (variant 2) was identified. This variant lacks exon 2. The role of SG in the biology of aggressive breast cancer cells was studied. SG interacts with significant mediators of actin cytoskeleton reorganization, protein transport and regulation of gene expression. This proteoglycan is constitutively secreted by aggressive breast cancer cells and shares the same glycosaminoglycan (GAG) moieties and inhibitory effects torward complement system activation as the secreted SG by myeloma cells. SG contribution in the aggressive phenotype of cancer cells was studied via the overexpression of the moleclule in the low aggressive breast cancer cells. Cellular functions such as proliferation, migration and invasion of cancer cells were positively correlated with the elevated expression and secretion of SG. These properties were abolished by the deletion of GAG binding sites from SG core protein. Moreover, the proteolytic potential of the overexpressing cells was examined via the expression of ECM degrading molecules, such as tPA, uPA, MMP-1, MMP-2, MMP-3, MMP-9, MT1-MMP, and TIMP-1 MMP inhibitor. Altered expression and activity rates of these enzymes correlated with the overexpression of either the full length or the truncated form of SG in a manner which depends on the cellular density. Interestingly, enhanced MT1-MMP activity followed only the overexpression of the full length molecule indicating the contribution of this MMP in breast cancer cell aggressiveness. The data above revealed the intense presence of SG in several solid tumors and cancer cell lines and the correlation of SG expression with the metastatic potential of cancer cells. Its contribution to cancer cells aggressive phenotype includes both intracellular and extracellular functions which are mediated by the glycanated form of SG.

This Master Thesis presents a novel classification approach for microcalcifications (MCs) extracted from core biopsy tissue samples digitized using micro-CT, a high-resolution 3D imaging modality. MCs are tiny spots of calcium that may occur in the female breast. Although they are common in healthy woman, they are often an early sign of breast cancer. The shape of the MCs is an important factor used to discriminate between benign and malignant abnormalities. However, the current standard imaging modalities (i.e. mammography) are not efficient for a clear shape based analysis. In case of suspiciousness, a biopsy is conducted and the extracted tissue is anatomopathologically investigated for the presence of cancer cells. Nevertheless, only 20-35% of biopsies turn out to be positive. As such, the question whether some unnecessary biopsies can be avoided if the shape of the MCs could be analysed in more detail has been raised. In addition, the MCs themselves are not analysed, but they are characterised as benign (or malignant) according to whether they were found into a benign (or malignant) tissue. As a result, there is a ground truth for the tissue samples but not for the individual MCs. So, when a classifier of a Computer Aided Diagnosis System will be asked to classify a MC according to its shape, there will be a degree of ambiguity and uncertainty. This master thesis investigates whether the use of a clustering method as a preprocessing step before training the classifier could avoid the ground truth issues and could improve the obtained classification results. / Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία παρουσιάζει μια νέα μέθοδο για την ταξινόμηση μικροαποτιτανώσεων μαστού που έχουν εξαχθεί από βιοψίες και έχουν ψηφιοποιηθεί με χρήση micro-CT, μια υψηλής ανάλυσης, τρισδιάστατη τεχνική απεικόνισης. Οι μικροαποτιτανώσεις (ή αλλιώς μικροασβεστώσεις) αποτελούν μικρά αποθέματα ασβεστίου στον μαστικό αδένα. Παρόλο που μπορεί να εμφανιστούν και σε υγιείς γυναίκες, μπορούν να αποτελέσουν ένα πρώιμο σημάδι καρκίνου του στήθους. Το σχήμα είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες ο οποίος βοηθάει στη διάκριση ανάμεσα σε καλοήθεις και κακοήθεις μικροασβεστώσεις, ωστόσο δεν μπορεί να απεικονιστεί επαρκώς μέσω των στανταρ απεικονιστικών τεχνικών (μαστογραφία). Σε περίπτωση υποψίας κακοήθειας, διεξάγεται βιοψία με σκοπό την απομάκρυνση ιστού από την ύποπτη περιοχή και την ανατομοπαθολογική του εξέταση για την παρουσία καρκινικών κυττάρων. Ωστόσο, μονο το 20%-35% των βιοψιών αποδεικνύονται κακοήθεις. Ως εκ τούτου, έχει τεθεί το ερώτημα κατά πόσο μπορούν να αποφευχθούν οι μη απαραίτητες βιοψίες εάν το σχήμα των μικροασβεστώσεων μπορούσε να μελετηθεί πιο λεπτομερώς. Επιπροσθέτως, οι μικροασβεστώσεις αυτές καθ’ εαυτές δεν αναλύονται αλλά χαρακτηρίζονται ως καλοήθεις (ή κακοήθεις) με βάση το αν βρέθηκαν μεσα σε καλοήθες (ή κακοήθες) ιστό. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει βάση αναφοράς για τα δείγματα ιστού αλλά όχι για τις μικροασβεστώσεις. Έτσι, όταν ζητηθεί από έναν ταξινομητή ενός συστήματος υποβοηθούμενης διάγνωσης με υπολογιστή να ταξινομήσει μικροασβεστώσεις με βάση το σχήμα τους υπάρχει ένα μεγάλο ποσοστό ασάφειας και αβεβαιότητας. Αυτή η μεταπτυχιακή εργασία έχει σκοπό να ερευνήσει εάν η εισαγωγή ενός βήματος συσταδοποίησης πριν αυτού της ταξινόμησης μπορεί να αποφύγει το πρόβλημα έλλειψης βάσης αναφοράς και να βελτιώσει τα αποτελέσματα της ταξινόμησης.

Breast cancer is the prime factor of women mortality in the developed countries. During the recent years however, many techniques in breast imaging have been developed and applied, with X-ray mammography been perhaps the most widely used of cancer diagnostic tests. Nevertheless, X-ray mammography although still remains the frontline diagnostic technique in the fight against breast cancer and has been a contributing factor in the steady decline in deaths from breast cancer, it has certain drawbacks which range from false-positive results to missed lesions and the risk of carcinogenesis. Mammography, whether conventional or digital, has been thoroughly documented as missing between 25% and 40% of breast cancers, with a higher miss rate among women with dense breasts, which constitute 40% of the female population. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a breast with a dense (i.e. lighter in appearance on a mammogram) pattern. As a result, mammography appears low sensitivity (ranging from 24.5% to 37%), especially in women with dense breasts. This is due to the fact that it only images anatomic detail and provides no functional information which is essential for early and accurate diagnosis of breast cancer and can be expected to significantly reduce the number of unnecessary biopsies. The special properties of light could help optical imaging "see" what other diagnostic methods, including conventional x-ray mammography, may miss. One of the newest techniques on the scene is CT laser mammography (CTLM), a computed tomographic laser light-based scanner for the breast, which is able to detect greater blood flow that is a sign of cancer, with a radiation free energy source. The Computed Tomography Laser Mammography (CTLM®) system uses laser to image the breast in a non-invasive procedure. Unlike x-ray mammography, CTLM images blood hemoglobin and the process of neoangiogenesis or new vessel formation which is often associated with breast cancer. The CTLM functions somewhat like a conventional CT scanner in that an energy source, a near-infrared (NIR) laser, scans the breast; a computer reconstructs cross-sectional images based on measured optical data. The measured optical values are directly related to the optical effective transport coefficient of the breast tissue. Like CT, the images may be viewed as single slices or as 3D volumes. The Computed Tomography Laser Mammography method is a rather new breast imaging technique, yet studies from diagnostic centers all over the world present it as a promising tool in the imaging of the breast either alone or as an adjunctive to conventional mammography. When applying laser light to biological tissue, the occurrence of a variety of interaction mechanisms is multiple. This diversity is due to specific tissue characteristics as well as laser parameters. Laser radiations induce biological damage in tissues via photochemical, photothermal, and photomechanical interactions. During the CTLM technique of the NIR laser irradiation of the breast tissue, thermal effects take place, which were studied in this thesis with the aid of a Monte Carlo simulation code, the MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue) code. With the assistance of the MCSLTT code the simulation of the photon propagation inside the breast tissue and the skin was performed and graphics (appearing the temperature rise (°C) as a function of the depth that the laser light penetrates inside the tissue) and results that concerned the parameters under investigation (the total heat, the maximum photon depth when using different input powers and different medium thicknesses) were extracted. The combination of those results, led to the extraction of useful information and to the quantification of the thermal effects induced on skin and breast tissue and to the quantification of the influence of several parameters on breast’s temperature, when being irradiated with laser beams. Photochemical interactions, photoablation, plasma-induced ablation and photodisruption could as well be examined with the development of a new Monte Carlo simulation code, giving interesting results about the interaction mechanisms observed during the CTLM’ s laser beam irradiation of the breast tissue as an aspect of future work. / Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί τον πρωταρχικό παράγοντα θνησιμότητας των γυναικών στις ανεπτυγμένες χώρες. Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων, εντούτοις, αρκετές τεχνικές στην απεικόνιση του μαστού έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί, με την μαστογραφία ακτινών Χ να αποτελεί ίσως την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη από τις διαγνωστικές μεθόδους καρκίνου. Παρόλο που η μαστογραφία ακτινών Χ ακόμη παραμένει η κύρια διαγνωστική τεχνική στην μάχη κατά του καρκίνου του μαστού και αποτελεί έναν συνεισφέρων παράγοντα στην σταδιακή μείωση των θανάτων από καρκίνο του μαστού, παρουσιάζει συγκεκριμένα μειονεκτήματα τα οποία ποικίλλουν από ψευδή-θετικά αποτελέσματα έως χαμένες αλλοιώσεις καθώς και το ρίσκο της καρκινογένεσης. Έχει εκτενώς τεκμηριωθεί ότι η μαστογραφία, συμβατική ή ψηφιακή, “χάνει” το 25% - 40% των καρκίνων του μαστού, με το ποσοστό να αυξάνει μεταξύ γυναικών με πυκνούς μαστούς οι οποίες και αποτελούν το 40% του γυναικείου πληθυσμού. Εφόσον η μαστογραφία αποτελεί μια προβολική απεικόνιση υπερτιθέμενων δομών μαστού είναι γενικότερα δυσκολότερο να ανιχνευτεί καρκίνος σε έναν μαστό με πυκνή μορφή. Σαν αποτέλεσμα η μαστογραφία παρουσιάζει χαμηλή ευαισθησία (κυμαίνεται από 24.5% έως 37%) ειδικά σε γυναίκες με πυκνούς μαστούς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απεικονίζει μόνο ανατομική λεπτομέρεια και δεν παρέχει λειτουργική πληροφορία που είναι απαραίτητη για την πρώιμη και ακριβή διάγνωση του καρκίνου του μαστού και αναμένεται να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των μη απαραίτητων βιοψιών. Οι ειδικές ιδιότητες του φωτός μπορούν να βοηθήσουν την οπτική απεικόνιση να “δει” αυτά που οι άλλες διαγνωστικές μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένης και της συμβατικής μαστογραφίας ακτινών Χ, μπορεί να χάσουν. Μία από τις νεότερες τεχνικές στο προσκήνιο, είναι η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM), ένας υπολογιστικός, τομογραφικός, βασιζόμενος σε ακτινοβολία laser ανιχνευτής για τον μαστό, που μπορεί να ανιχνεύει μεγαλύτερη ροή αίματος (η οποία αποτελεί ένδειξη καρκίνου), χρησιμοποιώντας μία μη ιοντίζουσα πηγή ενέργειας. Το σύστημα CTLM χρησιμοποιεί laser για να απεικονίσει τον μαστό σε μία μη διηθητική διαδικασία. Αντίθετα με την μαστογραφία ακτινών Χ, το σύστημα CTLM απεικονίζει την αιμογλοβίνη του αίματος και την διαδικασία της νέο-αγγειογέννεσης ή του σχηματισμού νέων αγγείων που συχνά σχετίζεται με τον καρκίνο του μαστού. Το CTLM λειτουργεί σαν ένας συμβατικός ανιχνευτής υπολογιστικής τομογραφίας εφόσον η πηγή ενέργειας, ένα laser που εκπέμπει στο εγγύς υπέρυθρο ανιχνεύει τον μαστό και ένας υπολογιστής αναδομεί εικόνες από εγκάρσιες τομές που βασίζονται σε μετρήσιμα οπτικά δεδομένα. Οι μετρήσιμες οπτικές τιμές σχετίζονται απευθείας με τον οπτικό δραστικό συντελεστή μεταφοράς του μαστού. Όπως στην υπολογιστική τομογραφία, οι εικόνες μπορούν να απεικονιστούν σαν ατομικές τομές ή ως τρισδιάστατοι όγκοι. Η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM) είναι μια σχετικά νέα τεχνική απεικόνισης του μαστού, παρόλα αυτά μελέτες διαγνωστικών κέντρων από όλο τον κόσμο την παρουσιάζουν ως μία πολλά υποσχόμενη μέθοδο στην απεικόνιση του μαστού είτε μόνη της είτε βοηθητικά στην συμβατική μαστογραφία. Κατά την εφαρμογή ακτινοβολίας η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας laser σε βιολογικό ιστό, η εμφάνιση διαφόρων μηχανισμών αλληλεπίδρασης είναι πολλαπλή. Η ποικιλία αυτή οφείλεται στα ειδικά χαρακτηριστικά του ιστού καθώς και στις παραμέτρους του laser. Η ακτινοβολία laser προκαλεί βιολογική καταστροφή σε ιστούς μέσω φωτοχημικών, φωτοθερμικών και φωτομηχανικών αλληλεπιδράσεων. Κατά την διάρκεια της NIR laser ακτινοβολίας του μαστού της τεχνικής CTLM, θερμικά φαινόμενα λαμβάνουν χώρα, τα οποία μελετήθηκαν σε αυτή την διπλωματική εργασία με την βοήθεια ενός Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, του κώδικα MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue). Με την βοήθεια του συγκεκριμένου κώδικα πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διάδοσης των φωτονίων εντός του ιστού και του δέρματος του μαστού και ελήφθησαν γραφικές που παρουσίαζαν την αύξηση της θερμοκρασίας (°C) ως συνάρτηση του βάθους που η ακτινοβολία laser φτάνει εντός του ιστού και αποτελέσματα που αφορούσαν τις παραμέτρους υπό διερεύνηση (συνολική θερμότητα, μέγιστο βάθος φωτονίων με χρήση διαφορετικών ισχύων εισόδου και διαφορετικών παχών μέσου). Ο συνδυασμός αυτών των αποτελεσμάτων οδήγηση σε χρήσιμες πληροφορίες και στην ποσοτικοποίηση των θερμικών φαινομένων στο δέρμα και στον ιστό του μαστού καθώς και στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης αρκετών παραμέτρων στην θερμοκρασία του μαστού όταν αυτός ακτινοβολείται από δέσμες laser. Οι φωτοχημικές αλληλεπιδράσεις, η φωτοαποκόλληση, η αποκόλληση επαγόμενη από πλάσμα και η φωτοδιάσπαση θα μπορούσαν να μελετηθούν σε μία μελλοντική εργασία με την ανάπτυξη ενός νέου Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, οδηγώντας στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης κατά την διάρκεια της CTLM μεθόδου ακτινοβόλησης του μαστού.

Magnification mammography is a special technique used in cases where breast complaints are noticed by a woman or when an abnormality is found in a screening mammogram. The carcinogenic risk in mammography is related to the dose deposited in the glandular tissue of the breast rather than the adipose, and Average Glandular Dose (AGD) is the quantity taken into consideration during a mammographic exam. Direct measurement of the AGD is not feasible during clinical practice and thus, the incident air Kinetic Energy Released per unit of MAss (KERMA) on the breast surface is used to estimate the glandular dose, with the help of proper conversion factors. Additional conversion factors adapted for magnification and tube voltage are calculated, using Monte Carlo simulation. The effect of magnification factor, tube voltage and various anode/filter material combinations on AGD, ESD and PDD is also studied. Results demonstrate that, for fixed glandularity, the estimation of AGD utilizing conversion factors depends on magnification factor, anode/filter combination and tube voltage applied. AGD was found to increase mainly with filter material’s kabsorption edge, filter’s Al thickness, anode material’s k-emission edge and tube voltage. Rh/Nb, W/Zr, W/Nb, W/Mo and Mo/Nb are combinations resulting in lower AGD and higher ESD, compared to the Mo/Mo one. / -

Παρά τις προόδους των κλασικών θεραπευτικών στρατηγικών για τον καρκίνο, η μεγάλη πλειοψηφία των ασθενών υποτροπιάζει και καταλήγει. Η ανάγκη για την αντιμετώπιση της νόσου με εναλλακτικό τρόπο οδήγησε στην ανάπτυξη ανοσοθεραπευτικών μεθόδων. Η ιδέα της ανοσοθεραπείας του καρκίνου έγινε γνωστή στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, όταν ο William Coley χρησιμοποίησε ζωντανά στελέχη του πυογενούς βακτηρίου Streptococcus erysipelas με σκοπό τη δημιουργία γενικευμένης ανοσολογικής απάντησης, μέρος της οποίας να κατευθυνθεί ενάντια σε όγκους σαρκώματος. Οι σποραδικές θετικές αποκρίσεις που παρατήρησε οφείλονταν κατά πάσα πιθανότητα σε ενίσχυση της ανοσολογικής απάντησης από τις φλεγμονώδεις αντιδράσεις που προκάλεσαν τα βακτήρια. Για να επαχθεί όμως ειδική ανοσολογική απάντηση ενάντια σε όγκους απαιτείται να χαρακτηριστούν στα καρκινικά κύτταρα συγκεκριμένα αντιγόνα, ώστε να δύναται το ανοσολογικό σύστημα να τα αναγνωρίσει ως στόχους. Συνεπώς, το πρώτο βήμα στην προσπάθεια για ανοσοθεραπεία του καρκίνου είναι η απομόνωση αντιγόνων που εκφράζουν τα καρκινικά κύτταρα, τα οποία κατά προτίμηση να μην εκφράζονται από τους φυσιολογικούς ιστούς ώστε να αποφευχθεί η αυτοάνοση απάντηση. Η ταυτοποίηση ογκοειδικών αντιγόνων, τα οποία αναγνωρίζονται από τα Τ λεμφοκύτταρα, έδωσε ιδιαίτερη ώθηση στην ανάπτυξη της κατευθυνόμενης από τα Τ κύτταρα ανοσολογικής απάντησης, στο επίπεδο τόσο της έρευνας της ανοσολογίας του καρκίνου, όσο και της κλινικής ανοσοθεραπευτικής εφαρμογής και έθεσε τις βάσεις για τη χρησιμοποίηση πεπτιδικών εμβολίων στην ανοσοθεραπεία του καρκίνου. Από την πληθώρα των γνωστών καρκινικών αντιγόνων, έχουν ταυτοποιηθεί κατά κύριο λόγο επίτοποι ικανοί να συνδεθούν με μόρια του μείζονος συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας (MHC) τάξης Ι και συνεπώς να επάγουν την ενεργοποίηση των CD8+ T κυττάρων, δεδομένου ότι οι περισσότεροι όγκοι είναι θετικοί ως προς τα μόρια MHC τάξης Ι, αλλά αρνητικοί ως προς τα μόρια MHC τάξης ΙΙ. Επιπρόσθετα, τα CD8+ Τ κύτταρα μπορούν να καταστρέφουν τα καρκινικά κύτταρα απευθείας, μέσω της αναγνώρισης του συμπλόκου MHC τάξης Ι-πεπτιδίου που εκφράζεται στην επιφάνεια του όγκου. Τα τελευταία χρόνια, δεδομένης της αναγνώρισης του κεντρικού ρόλου των CD4+ Τ λεμφοκυττάρων στην έναρξη, οργάνωση και διατήρηση της ανοσολογικής απάντησης, έχουν αναγνωριστεί και αρκετοί επίτοποι που αναγνωρίζονται από μόρια MHC τάξης ΙΙ. Πρόσφατες κλινικές μελέτες και προκλινικά μοντέλα έδειξαν ότι ο εμβολιασμός με επιτόπους που δύνανται να συνδεθούν με μόρια MHC τάξης ΙΙ, οι οποίοι εμπεριέχουν αλληλουχίες σύνδεσης για τα μόρια MHC τάξης Ι, είναι αποτελεσματικοί στην ταυτόχρονη ανάπτυξη βοηθητικών και κυτταροτοξικών Τ λεμφοκυττάρων με μακρά διάρκεια ζωής in vivo. Από τα γνωστά καρκινικά αντιγόνα, η πρωτεΐνη HER-2/neu παρουσιάζει το πλεονέκτημα της υπερέκφρασης σε ποικίλους τύπους καρκίνου, ενώ οι ασθενείς των οποίων όγκοι την υπερεκφράζουν παρουσιάζουν προϋπάρχουσα ανοσία ενάντια σε πεπτίδια αυτής. Η αυξημένη έκφρασή της στα καρκινικά κύτταρα και το γεγονός ότι πρόκειται για διαμεμβρανική πρωτεΐνη την καθιστούν στόχο για ανοσοθεραπευτικές προσεγγίσεις που περιλαμβάνουν τόσο κυτταρική όσο και χυμική ανοσία. Κλινικές έρευνες με χρήση πεπτιδίων της HER-2/neu έχουν δείξει την πρόκληση ανοσολογικής απάντησης στην πλειονότητα των ασθενών. Παρόλα αυτά, οι μεταστατικοί τύποι καρκίνου που υπερεκφράζουν τη συγκεκριμένη πρωτεΐνη παραμένουν μη θεραπεύσιμοι. Συνεπώς, υπάρχει άμεση ανάγκη για νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις και στο σημείο αυτό η διερεύνηση των πιο ανοσογονικών τμημάτων της αλληλουχίας της πρωτεΐνης HER-2/neu, καθώς και της αντίδρασης των ασθενών σε αυτά, αποτελούν στόχο για ειδικές νέες αντικαρκινικές θεραπείες. O εγκλεισμός του αντιγόνου σε μικροσφαίρες πολυ-γαλακτικού-γλυκολικού οξέος (PLGA) έχει δειχθεί ότι επάγει ισχυρή και παρατεταμένη ανοσοαπόκριση. Μέχρι σήμερα, δεν φαίνεται να έχει αναφερθεί μελέτη στην οποία να αναλύεται η επίδραση των χαρακτηριστικών του PLGA συμπολυμερούς και του σχήματος ανοσοποίησης στον τύπο της λαμβανόμενης ανοσοαπόκρισης μετά την χορήγηση PLGA μικροσφαιρών του αντιγόνου in vivo. Στην παρούσα μελέτη διερευνήθηκε ο τύπος της ανοσοαπόκρισης που λαμβάνεται in vivo μετά την χορήγηση πεπτιδίων της HER-2/neu (πρότυπα αντιγόνα) συνδεμένων σε πολυ-γαλακτικού οξέος (PLA) και PLGA μικροσφαίρες. Τα πρότυπα αντιγόνα ήταν δύο: * το πεπτίδιο GSPYVSRLLGICLTSTVQLVQL, που αντιστοιχεί στην περιοχή 778-799 της ογκοπρωτεΐνης HER-2/neu. Η πεπτιδική αυτή ακολουθία περιλαμβάνει τον κυτταροτοξικό επίτοπο CLTSTVQLV (789-797) σε συνδυασμό με τον T βοηθητικό (Th) επίτοπο GSPYVSRLLGICL (778-790) της συγκεκριμένης ογκοπρωτεΐνης. * καθώς και το πεπτίδιο CLTSTVQLV (789-797), δηλαδή μόνο ο κυτταροτοξικός (CTL) επίτοπος. Ως πειραματόζωα στην συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν HHD διαγονιδιακοί μύες, οι οποίοι εκφράζουν ανθρώπινα HLA-A2.1 μόρια ιστοσυμβατότητας, δεδομένου ότι η ακολουθία του πεπτιδίου που έχει επιλεγεί προέρχεται από την ανθρώπινη HER-2/neu. Η μετατροπή της ανοσοαπόκρισης Th2 τύπου, εναντίον διαλυτών αντιγόνων που εκφράζονται σε καρκινικούς όγκους, σε Τh1 τύπο ανοσοαπόκρισης είναι σημαντική στην ανοσοθεραπεία του καρκίνου. Η δημιουργία αντιγονο-ειδικών CD8+ κυτταροτοξικών λεμφοκυττάρων, σε συνέργεια με τα αντίστοιχα βοηθητικά Τ (CD4+) λεμφοκύτταρα, πιστεύεται ότι θα οδηγήσουν στην απόρριψη του όγκου ή στην επιβράδυνση της ανάπτυξης αυτού. Η ταυτοποίηση του τύπου της ανοσοαπόκρισης έγινε με την ανάπτυξη ανοσοαναλυτικών τεχνικών για την μέτρηση των ολικών ειδικών ανοσοσφαιρινών IgG, των ισοτύπων αυτών (IgG1 και IgG2a). Επίσης προσδιορίσθηκε ο τύπος της ανοσοαπόκρισης σε κυτταρικό επίπεδο με την ανάπτυξη τεχνικών μέτρησης της ικανότητας του πολλαπλασιασμού των λεμφοκυττάρων και με μέτρηση των κυτοκινών, κυρίως σε υπερκείμενα καλλιεργειών λεμφοκυττάρων, αλλά και στο αίμα. Για την χορήγηση χρησιμοποιήθηκαν μικροσφαίρες PLA και PLGA με φορτωμένο το αντιγόνο με δύο διαφορετικούς τρόπους (προσροφημένο ή απλά αναμεμιγμένο). Η in vivo χορήγηση του πεπτιδικού αντιγόνου που απλά και μόνο αναμίχθηκε με PLA μικροσφαίρες προκάλεσε μια ισχυρή ανοσολογική απόκριση που ήταν συγκρίσιμη με αυτήν που προκλήθηκε από το συνδυασμό του αντιγόνου με πλήρες ανοσοενισχυτικό του Freund (CFA). Επιπλέον, μετά από ανάλυση του προφίλ των κυτοκινών που εκκρίνονται από τα Τ λεμφοκύτταρα των ανοσοποιημένων μυών, αποδείχθηκε ότι ο συνδυασμός του αντιγόνου πεπτιδίων με τις PLA μικροσφαίρες προκάλεσε μια ισχυρή Th1 ανοσολογική απόκριση στο αντιγόνο. Ο χρόνος της επώασης πεπτιδίων με τις μικροσφαίρες πριν από τη χορήγηση δεν είχε επιπτώσεις στην ανοσολογική απόκριση, γεγονός που απλοποιεί περαιτέρω την παραγωγή σε ευρεία κλίμακα αυτού του τύπου εμβολίων. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από αυτή τη μελέτη δικαιολογούν την περαιτέρω διερεύνηση σε in vivo πειραματικά μοντέλα καρκίνου της δυνατότητας επαγωγής ισχυρής κυτταρικής ανοσοαπόκρισης έναντι των καρκινικών κυττάρων που υπερεκφράζουν την HER-2/neu πρωτεΐνη με απλή ανάμιξη κατάλληλων πεπτιδικών αντιγόνων της HER-2/neu με PLA μικροσφαίρες. / Despite the progress of classic therapeutic strategies developed concerning cancer the greatest number of patients deteriorates and eventually dies. The need to confront this disease in an alternative way has led to the development of new immunotherapeutic methods. The novel idea of cancer immunotherapy was born in the 19th century when William Coley used live live species of bacteria Streptococcus erysipelas in order to induce an overall immune response targeted in part against sarcoma tumors. Occasional positive immune responses that were observed were possibly due to the enhancement of the immune response from the inflammatory reactions caused by the bacteria. In order to induce a special immune response against tumors it is necessary for some specific antigens to be identified at cancer cells. So the first step in the effort to induce immunotherapy is the isolation of antigens expressed by cancer cells that are preferably not expressed at healthy tissues, to prevent autoimmune response. The identification of tumor-specific antigens that are identified by T cells gave a great boost to the development of T-cell-mediated specific immune response, both in research for tumor immunology as in its clinical appliance. That led to the beginning of peptide use in vaccines in cancer immunotherapy. From the plethora of already known cancer antigens, epitopes have been identified as capable of forming complex with MHC (Major Histocompatibility Complex) class I molecules, which consequently induce the activation of CD8+ T cells, given that most tumors are positive for the MHC class I molecules, but negative to MHC class II molecules. Moreover, CD8+ T cells can kill cancer cells directly, through identification of the MHC class I–peptide complex that is expressed on the tumor surface. Recently many epitopes that are recognized by MHC class II molecules have been identified, since it is well known that the CD4+ T cells play an important role in the initiation, organization and maintenance of the immune response. Recent clinical studies and preclinical models have shown that immunization with epitopes that are eminent to form a complex with MHC class II molecules, which comprise amino acid sequences that can connect with MHC class I molecules, are effective in the simultaneous induction of helper and cytotoxic long life T-cell in vivo. Among all known cancer antigens, the HER-2/neu protein demonstrates the advantage of being overexpressed in various types of cancer, while patients whose tumors overexpress the protein exhibit preexisting immunity against its peptides. HER-2/neu is a transmembrane protein that is overexpressed in cancer cells and therefore the perfect target for immunotherapy concerning both cellular and humoral immunity. Clinical studies using HER-2/neu peptides have shown induction of immune response in the majority of patients. However, metastatic tumors overexpressing HER-2/neu protein still remain incurable. As a result, there is ample need for respective new therapeutic strategies and at this point more potent immunogenic sequences of the protein are under investigation, as is the response of patients to those sequences, in hope of creating more specific anticancer therapies. Encapsulation of antigen into poly (lactic-co-glycolic) acid (PLGA) microspheres has proven to induce potent and long lasting immune response. Up to date, there is no study analyzing the influence of PLGA polymer characteristics or the immunization scheme, regarding the type of the immune response following the administration of PLGA antigen microspheres in vivo. In the current study, the type of the immune response after in vivo administration of HER-2/neu peptide adsorbed on poly-lactic acid (PLA) and PLGA microspheres is investigated. The model antigens used were the following two: • GSPYVSRLLGICLTSTVQLVQL peptide corresponds to the 779-799 amino acid sequence of the HER-2/neu protein. This amino acid sequence contains the cytotoxic epitope CLTSTVQLV (789-797) in combination with the Th epitope GSPYVSRLLGICL (778-790) of the HER-2/neu protein. • CLTSTVQLV (789-797) peptide, which corresponds to merely the cytotoxic epitope. HHD transgenic mice expressing human HLA-A2.1 histocompatibility molecules were used as subjects, given the fact that the amino acid sequence chosen has derived from the human HER-2/neu protein. Converting the preexisting Th2 type of immune response, against soluble antigens expressed in tumors, to the Th1 type is extremely important in curing cancer. The production of antigen-specific CD8+ cytotoxic lymphocytes with the relevant helper T (CD4+) lymphocytes is believed to trigger the rejection of the tumor or the delay of its development. The type of the immune response was identified with immuno-analytic techniques developed for measuring the total amount of IgG immunoglobulins, and their isotypes (IgG1 and IgG2a). Moreover the type of the immune response has been determined at cellular level using proliferation assay and cytokine measurement assay, usually at cell culture supernatants but also in blood samples. For the peptide administration, PLA and PLGA microspheres were used. The antigen was administered in two different ways, either absorbed or adsorbed (just mixed). The in vivo administration of the peptide antigen just admixed with PLA microspheres induced potent immune response, comparable to that caused by the antigen administration using complete Freund’s adjuvant (CFA). Moreover, upon the analysis of the cytokine profile secreted from T lymphocytes of immunized mice, the PLA admixed peptide proved to induce a specific and potent Th1 immune response. The incubation time of the peptide with PLA microspheres had no implications to the immune response, therefore further simplifying future mass production of such vaccine types. The results extracted by this study justify further investigation of the in vivo experimental cancer models for inducing potent cellular immune response against cancer cells that overexpress the HER-2/neu protein by simply mixing the appropriate HER-2/neu peptide antigens with PLA microspheres.

The aim of this project is the application of Dual Energy technique in breast phantoms using Complimentary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)Active-Pixel-Sensor (APS). This includes both, lab experimentation on developed breast phantoms, as well as simulations validating the results. Initially, phantoms were carefully prepared simulating the properties of real breast tissue and were imaged using X-ray unit. The next step in this project involved image processing and data representation. Using the dual energy technique, different concentrations of contrast agent (Iodine) were measured to relate clinical to medium kinetic measurements. With respect to this projects‟ clinical application, the implementation of this technique can be used to evaluate the iodine projected thickness (mg/cm2) using Contrast Enhanced Digital Mammography (CEDM) based on Dual Energy technique for the breast cancer detection. / Ο στόχος του εργασίας αυτής είναι η εφαρμογή της τεχνικής Διπλής Ενέργειας σε ομοιώματα μαστού χρησιμοποιώντας Complimentary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) Active-Pixel-Sensor (APS). Αυτό περιλαμβάνει, τον πειραματισμό σε αναπτυγμένα ομοιώματα μαστού, καθώς και προσομοιώσεις για την επικύρωση των αποτελεσμάτων. Αρχικά, κατασκευάστηκαν προσεκτικά τα ομοιώματα μαστού όπου προσομοιώνουν τις πραγματικές ιδιότητες των ιστών του μαστού και στη συνέχεια απεικονίστηκαν με χρήση μονάδων ακτίνων-Χ . Το επόμενο βήμα σε αυτό την εργασία ήταν η επεξεργασία εικόνας και παρουσίαση δεδομένων. Χρησιμοποιώντας την τεχνική της διπλής ενέργειας, διαφορετικές συγκεντρώσεις σκιαγραφικού (ιώδιο) μετρήθηκαν ώστε να σχετίζουν κλινικά την μέτρηση της αγγειογένεσης εν συναρτήση του χρόνου. Η εφαρμογή αυτής της τεχνικής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αξιολογήσει το προβλεπόμενο πάχος του ιωδίου (mg/cm^2) χρησιμοποιώντας Ενίσχυση Αντίθεσης στην Ψηφιακή Μαστογραφία βασίσμένη στην τεχνική της διπλής ενέργειας για την ανίχνευση του καρκίνου του μαστού.

Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί τον πιο συχνό τύπο καρκίνου των γυναικών. Παρότι η σχετική έρευνα είναι αρκετά εκτεταμένη, οι υποκείμενοι μηχανισμοί δεν έχουν πλήρως αποσαφηνιστεί. Πρόσφατες μελέτες έχουν αναδείξει τη σημαντικότητα της διαντίδρασης των καρκινικών κυττάρων και του καρκινικού μικροπεριβάλλοντος ως μια κομβική συνιστώσα στη παθοφυσιολογίας της νόσου. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της ανοσοϊστοχημικής έκφραση του υποδοχέα CXCR4, της χημοκίνης SDF-1, της μεταλλοπρωτεϊνάσης MMP-9 και του παράγοντα HIF-1α σε διηθητικά καρκινώματα του μαστού και στον παρακείμενο μη καρκινικό ιστό (τόσο στο επιθηλιακό όσο και στο στρωματικό στοιχείο), καθώς και οι συσχετίσεις των ποικίλων ανοσοεντοπίσεων με τις κλινικοπαθολογοανατομικές παραμέτρους και την επιβίωση. η επιλογή των μορίων έγινε βάσει της σημαντικότητάς τους σε ποικίλα στάδια της παθογένειας της νόσου (υποξία, νεοαγγείωση, ανάπτυξη κτλ). Η έκφραση όλων των υπό εξέταση μορίων ήταν στατιστικά σημαντικότερη στον καρκινικό ιστό σε σχέση με τον παρακείμενο μη νεοπλασματικό. Από τα αποτελέσματα προκύπτει επίσης συσχέτιση μεταξύ ανοσοϊστοχημικών εντοπίσεων της MMP-9 και των υπολοίπων υπό διερεύνηση μορίων. Προέκυψαν επίσης ποικίλες συσχετίσεις μεταξύ συγκεκριμένων προτύπων έκφρασης (pattern) και προγνωστικών παραγόντων. Η έκφραση της MMP-9 στο κυτταρόπλασμα των καρκινικών κυττάρων σχετίστηκε θετικά με τη λεμφαδενική προσβολή, αλλά αρνητικά με το μέγεθος του όγκου. Επίσης, η έκφραση του CXCR4 και της SDF-1 στα καρκινικά κύτταρα σχετίστηκε με την παρουσία οστικών μεταστάσεων και με τον ιστολογικό βαθμό κακοήθειας, αντίστοιχα. Επιπλέον, η ανοσοεντόπιση της SDF-1 στους ινοβλάστες του καρκινικού στρώματος συσχετίστηκε θετικά με την έκφραση του Ki67 και με το στάδιο κατά ΤΝΜ, ενώ η ανοσοεντόπιση της SDF-1 στα ενδοθηλιακά κύτταρα του καρκινικού στρώματος με την έκφραση του Her2. Η ανοσοϊστοχημική έκφραση του HIF-1α συσχετίστηκε αρνητικά με την έκφραση των στεροειδικών υποδοχέων ER και PR. Επιπλέον, η έκφραση της MMP-9 στους ινοβλάστες του καρκινικού στρώματος και η έκφραση της SDF-1 στα επιθηλιακά κύτταρα και στους ινοβλάστες του παρακείμενου μη καρκινικού ιστού συσχετίστηκαν με δυσμενέστερη επιβίωση. Το εύρημα αυτό τονίζει τη σημαντικότητα τόσο του στρώματος όσο και του ξενιστή στην παθογένεια του καρκίνου. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν τη σημαντικότητα των υπό μελέτη μορίων στην καρκινογένεση και στην εξέλιξη της νόσου. Για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων αυτών απαιτείται η διενέργεια μελετών μεγαλύτερης κλίμακας ενώ προσεγγίσεις με λειτουργικές μεθοδολογίες θα μπορούσαν να αναδείξουν πιθανώς κοινά ή διαπλεκόμενα υποκείμενα μηνυματοδοτικά μονοπάτια στα οποία εμπλέκονται τα ως άνω μόρια. / Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer in women. Despite the ongoing research in breast cancer tumorigenesis the underlying mechanisms are not yet well elucidated. In recent years, the interaction between tumour cells and tumour microenvironment has gained appreciation as an active participant in cancer pathophysiology. In the present study we attempt to investigate the immunohistochemical staining of CXCR4, SDF-1, MMP-9 and HIF-1a in invasive breast cancer and adjacent normal breast tissue (including epithelial and stromal components) and to determine the relationship between different expression patterns and various tumor clinicopathological parameters and survival. The understudy molecules where chosen due to their crucial role in different steps of breast cancer progression (tumor growth, hypoxia, neovascularisation, invasiveness etc). All molecules showed statistically significant higher expression in cancer tissue compared to expression in the adjacent noncancerous tissue. Our results reveal a correlation between expression patterns of MMP9 and the other understudy molecules (SDF1, CXCR4 and HIF-1a). Furthermore, MMP9 expression in fibroblasts of cancer stroma and SDF1 expression in normal epithelial cells and fibroblasts of adjacent normal stroma were associated with poorer survival, underscoring the importance of tumor microenvironment and host derived molecules in tumor progression. There were also various correlations between specific expression patterns and prognostic factors: MMP9 expression in cancer cells was positively correlated with lymph node involvement, but negatively with tumor size,¬ while CXCR4 and SDF-1 expression in cancer cells was positively correlated with bone metastases and tumor grade, respectively. Furthermore, SDF-1 immunoexpression of cancer stromal fibroblasts was positively correlated with Ki67 expression and TNM stage, whereas SDF1 immunoexpression in endothelial cells of cancer stroma was positively correlated with Her2 expression. HIF-1a expression in cancer cells was negatively correlated with expression of steroid receptors. The abovementioned results underline the importance of the understudy molecules in carcinogenesis and tumor progression. Larger scale studies are necessary to confirm our results, while functional approaches could possibly reveal common or interwoven molecular pathways for the understudy molecules.

The aim of the current thesis is the exploitation of texture analysis approaches for the computer-aided diagnosis (CADx) of breast cancer. The first objective of the presented thesis is the exploitation of texture properties of the tissue surrounding microcalcifications (MCs) on x-ray mammograms for its differentiation into malignant or benign type. This approach is differentiated from previously reported texture-based CADx schemes by analyzing the “net texture pattern” of the underlying breast tissue, removing any bias introduced by the presence of MCs. This is achieved by employing a “coarse” MC segmentation step, relaxing requirements for accurate segmentation in morphology-based CADx schemes, and subsequently “excluding” the segmented MCs from the tissue area being analyzed by means of texture analysis approaches. The discriminating ability of the MCs surrounding tissue texture analysis approach is compared to that of a current state-of-the-art texture analysis approach and to a morphology-based one, employing supervised classification schemes. Classification performance is evaluated by means of Receiver Operating Characteristic (ROC) analysis on a dataset of 108 pleomorphic MC clusters originating from the Digital Database for Screening Mammography (DDSM). Results suggested that the exploitation of texture properties of the tissue surrounding MCs on screening x-ray mammograms accounts for a competitive new methodological approach towards computer-aided diagnosis of breast cancer. The second objective of the current thesis is the exploitation of lesion enhancement kinetics heterogeneity for the differentiation of breast lesions in Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (DCE-MRI). This approach is differentiated from previously reported studies by investigating the texture of the lesion not as depicted on a single post-contrast frame but by considering serial post-contrast data. This is achieved by generating parametric maps the reflect lesion enhancement kinetics properties and then subjecting the parametric maps to texture analysis. The discriminating ability of the enhancement kinetics “texture” analysis approach is compared to that of current state-of-the-art approach of single time frame texture analysis, employing supervised classification schemes. Classification performance is evaluated by means of ROC analysis on a dataset of 81 mass-like lesions, originating from a locally available Database. Results suggested that texture features extracted from parametric maps that reflect lesion washout properties can discriminate malignant from benign lesions more efficiently as compared to texture features extracted from either the 1st post-contrast frame lesion area or from a parametric map that reflects lesion initial uptake. Results of the current thesis suggest the contribution of texture analysis methods in breast imaging for the quantification of both anatomical and functional tissue heterogeneity, providing important information for breast cancer diagnosis. / Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής μελετήθηκε η συμβολή μεθόδων ανάλυσης υφής μαστογραφικών εικόνων στη διάγνωση καρκίνου του μαστού. Η μελέτη εστιάσθηκε σε δύο διαγνωστικά προβλήματα τα οποία αποτελούν ανοικτά ζητήματα τόσο στην κλινική ρουτίνα όσο και στις μεθοδολογικές προσεγγίσεις αυτόματων συστημάτων ανάλυσης εικόνας για την υποβοήθηση της διάγνωσης με χρήση υπολογιστή (Computer-aided diagnosis - CADx). Το πρώτο διαγνωστικό πρόβλημα στο οποίο εστίασε η παρούσα Διατριβή αφορά στο χαρακτηρισμό μικροαποτατινώσεων στη μαστογραφία ακτίνων-Χ. Στην παρούσα μελέτη ακολουθείται μια διαφορετική προσέγγιση για τη διάγνωση συστάδων μικροαποτιτανώσεων, βάσει της οποίας μελετάται η ετερογένεια του ιστού ο οποίος περιβάλλει τις μικροαποτιτανώσεις. Ο «περιβάλλων ιστός» προκύπτει από εφαρμογή μεθόδου τμηματοποίησης των μικροαποτιτανώσεων και εξαίρεσής τους από την περιοχής ενδιαφέροντος. Οι απαιτήσεις ακρίβειας της μεθόδου τμηματοποίησης στην προσέγγιση ανάλυση υφής του «περιβάλλοντος ιστού» είναι μειωμένες, σε σχέση με τις αντίστοιχες μεθόδους των CADx συστημάτων βάσει μορφολογίας, καθώς απαιτείται μόνο «αδρός» καθορισμός των ορίων τους. Η ετερογένεια του περιβάλλοντος ιστού μελετήθηκε βάσει μεθόδων εξαγωγής χαρακτηριστικών υφής εικόνας, σε δείγμα 108 συστάδων μικροαποτιτανώσεων, που αντλήθηκαν από μαστογραφικές εικόνες της ψηφιακής βάσης αναφοράς Digital Database for Screening Mammography. Η διαχωριστική ικανότητα των εξαχθέντων χαρακτηριστικών υφής διερυνήθηκε με χρήση επιβλεπόμενων σχημάτων ταξινόμησης. Η ακρίβεια ταξινόμησης αξιολογήθηκε βάσει του εμβαδού της καμπύλης απόκρισης παρατηρητών. Η προσέγγιση «ανάλυσης υφής του περιβάλλοντος ιστού» συγκρίθηκε με την τρέχουσα μέθοδο ανάλυσης υφής εικόνας περιοχής ενδιαφέροντος που εμπεριέχει τη συστάδα μικροαποτιτανώσεων, αλλά και με προσέγγιση βάσει ανάλυσης μορφολογίας μικροαποτιτανώσεων. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης συνιστούν ότι η προσέγγιση ανάλυσης υφής «του περιβάλλοντος ιστού» αποτελεί μία νέα ανταγωνιστική μεθοδολογία στη διάγνωση καρκίνου του μαστού υποβοηθούμενη από υπολογιστή. Το δεύτερο διαγνωστικό πρόβλημα στο οποίο εστίασε η παρούσα Διατριβή αφορά στο χαρακτηρισμό χωροκατακτητικών αλλοιώσεων στη μαστογραφία μαγνητικής τομογραφίας με χρήση σκιαγραφικού (Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging: DCE-MRI). Στην παρούσα μελέτη διερευνάται η ικανότητα ποσοτικοποίησης της ετερογένειας των αλλοιώσεων ως προς τη δυναμική τους συμπεριφορά για τη διάγνωση χωροκατακτητικών αλλοιώσεων στη DCE-MRI. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν τρεις παραμετρικοί χάρτες βάσει υπολογισμού τριών δυναμικών χαρακτηριστικών των αλλοιώσεων σε επίπεδο εικονοστοιχείου, οι οποίοι αποτέλεσαν τη βάση για την εφαρμογή μεθόδου ανάλυσης υφής εικόνας, βάσει μητρών συνεμφάνισης στο πεδίο διαβαθμίσεων του γκρι. Μελετήθηκε η διαχωριστική ικανότητα μεμονωμένων χαρακτηριστικών υφής αλλά και επιλεχθέντων υποσυνόλων από κάθε παραμετρικό χάρτη με χρήση επιβλεπόμενων σχημάτων ταξινόμησης. Η ακρίβεια ταξινόμησης αξιολογήθηκε βάσει του εμβαδού της καμπύλης απόκρισης παρατηρητών. Η μέθοδος συγκρίθηκε με τη συμβατική προσέγγιση ποσοτικοποίησης ετερογένειας της αλλοίωσης σε συγκεκριμένο χρονικό στιγμιότυπο, όπως υιοθετείται από τρέχουσες προσεγγίσεις συστημάτων CADx στη DCE-MRI, σε δείγμα 81 αλλοιώσεων. Τα χαρακτηριστικά υφής που εξήχθησαν από χάρτες που εκφράζουν τη μεταβολή του σήματος κατά τη φάση της έκπλυσης του σκιαγραφικού παρουσίασαν την υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης η οποία ήταν στατιστικώς σημαντικά διαφορετική συγκρινόμενη με χαρακτηριστικά που εξήχθησαν είτε από χάρτη που εκφράζει μεταβολή του σήματος κατά τη φάση της πρόσληψης του σκιαγραφικού ή από αλλοίωση όπως απεικονίζεται σε συγκεκριμένο χρονικό στιγμιότυπο. Τα αποτελέσματα της παρούσας Διατριβής υποδηλώνουν την ικανότητα μεθόδων ανάλυσης υφής στη μαστογραφική απεικόνιση για την ποσοτικοποίηση τόσο της ανατομικής όσο και της λειτουργικής ετερογένειας των αλλοιώσεων, παρέχοντας σημαντική πληροφορία για τη διάγνωση καρκίνου του μαστού.