Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met een samenvatting in het Nederlands. Met lit.opg. en index.

La société Nanobactérie développe un traitement thermique innovant contre le cancer qui repose sur l‘utilisation de nanoparticules d‘oxyde de fer d‘origine bactérienne, appelées magnétosomes. Celles-ci sont injectées directement dans la tumeur puis activées par le champ magnétique alternatif. Cette activation crée une augmentation locale de la température provoquant la destruction de la tumeur, sans affecter les tissus sains environnants. Afin d‘éviter les problèmes de toxicité liés à la présence d‘endotoxines bactériennes à la surface des magnétosomes, un processus de purification est utilisé. Il permet l‘élimination de toute la membrane organique immunogène et de garder ainsi le minéral responsable de l‘activité thermique. Cependant, l‘élimination de cette membrane entraîne l‘agrégation des magnétosomes. La première étape de ce travail de thèse a donc consisté à stabiliser les magnétosomes purifiés, et l'‘identification du meilleur revêtement a été évaluée. Dans une deuxième partie, une nouvelle modalité de chauffage a été mise au point pour augmenter l‘efficacité de l‘hyperthermie magnétique dans la destruction de cellules cancéreuses. / The Nanobactérie company develops a novel strategy of cancer treatment using iron oxide nanoparticles of bacterial origin, called magnetosomes. These nanoparticles are injected directly into the tumor and then activated by an alternating magnetic field. Activated nanoparticles trigger a highly localized rise of temperature, inducing the destruction of the tumor without any adverse effects on adjacent healthy tissues. To avoid the problems of toxicity caused by the presence of bacterial endotoxin which present on the surface of magnetosomes extracted from bacteria, a process of purification is realized to eliminate all the immunogenic organic membrane and keep only the mineral responsible for the thermal activity. However, since elimination of this membrane causes the aggregation of the magnetosomes which become unstable in aqueous solution, the first part of this work consisted in stabilizing the purified magnetosomes by a modification of their surface. The identification of the best coating was then evaluated. Moreover, in the second part of this work, a new heating modality was assessed to increase the efficiency of the magnetic hyperthermia in the destruction of cancer cells.

Das Pankreaskarzinom hat bei steigender Inzidenz eine äußerst schlechte Prognose und ist häufig bei Diagnosestellung nicht mehr kurativ operabel. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung als ein minimal invasives Verfahren zur perkutanen Ablation von parenchymatösen Tumoren. Dabei ist die Magnetresonanztomographie (MRT) eine Methode, mit der eine präzise Prozesskontrolle der Thermoablation und eine suffiziente Erfolgskontrolle zur Verfügung stehen. Ziel der vorliegenden Studie war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe am Schwein zu erproben, sowie die Möglichkeiten der MRT als Online-Monitoringverfahren mit Hilfe einer histopathologischen Korrelation zu untersuchen. Dazu wurde an 15 Läuferschweinen das Pankreas einer perkutanen laserinduzierten Thermotherapie mit einer Leistung von 5, 10 und 20 Watt sowie zwei mal 5 Watt in Multiapplikatortechnik unter MRT Prozesskontrolle unterzogen. Anschließend wurde das Pankreasgewebe histologische aufgearbeitet und die magnetresonanztomographisch detektierten Läsionen histopathologisch korreliert. Das Auftreten einer schwerwiegenden Komplikation wie einer generalisierten Pankreatitis, Peritonitis oder Blutung wurde nicht beobachtet. Die durchgeführten Korrelationsanalysen zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentiertem Thermoeffekt und histopathologisch verifizierter thermisch induzierter Nekrose. Interessanterweise wurden bei Anwendung von zwei Lasern niedriger Leistung in Multiapplikatortechnik, im Vergleich zur Anwendung von einem Laser mit höherer Leistung, größere Nekrosen induziert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die LITT ein geeignetes und sicheres minimalinvasives Verfahren zur Ablation von Pankreasparenchym unter MRT-Monitoring ist. Weiterführende Untersuchungen zur Durchführbarkeit und Ermittlung der Genauigkeit der MRT als Monitoringverfahren sind erforderlich. / Pancreatic carcinoma has an increasing incidence and a poor prognosis. Frequently at diagnosis pancreatic tumors are surgically unresectable. Laser-induced thermotherapy has become an area of considerable interest during the past few years as a minimally invasive method for percutanous ablation of parenchymatous tumors. With magnetic resonance imaging (MRI) an accurate process control of thermocoagulation and a sufficient control of performance are possible. Control of carcinoma growth of is still a problem. Therefore the aim of this study was to investigate the application of laser induced thermotherapy for ablation of pancreas in a porcine model and the possibility of MRI as an online-monitoring with histopathologic correlation. Laser applicators with energy of 5, 10, 20 and two lasers of 5 watt were placed in the pancreas of 15 female pigs. After sacrifice a pathological examination was performed and histological lesions were correlated with magnetic resonance detected lesions. No serious adverse event like generalized pancreatitis, peritonitis or bleeding was observed. Correlation analysis showed a high correspondence between magnetic resonance documented thermoeffects and histopathologic verified lesions. Thermally induced lesions were best visualised on contrast-enhanced T1-weighted images. Interestingly application of two lasers with each 5 watt, greater lesions were generated than on application of one laser with higher energy. Over a period of 7 days increasing inhomogeneity and contraction of lesions were observed. Our results show that laser-induced thermotherapy of pancreatic tissue was feasible in this porcine model, and online monitoring was practicable. Further studies are necessary to increase the accuracy of online MR imaging of thermal effects.

Bei der Behandlung von Tumoren und Metastasen werden neben der moderaten Hyperthermie auch minimalinvasive, thermotherapeutische Verfahren als Alternativen zur chirurgischen Resektion und / oder zur Unterstützung der Radio- und Chemotherapie angewandt, bei denen das Gewebe lokal begrenzt zur gezielten Zerstörung durch Koagulation auf Temperaturen bis zu 100 °C erhitzt wird. Dabei zeigen besonders die interstitiellen Techniken bei der Behandlung von Lebermetastasen und Prostataerkrankungen vielversprechende Ergebnisse, jedoch steht derzeit neben der Magnetresonanztomographie kein kostengünstiges, routinemäßig einsetzbares Verfahren zur nicht-invasiven on-line Therapiekontrolle zur Verfügung, so daß diese Eingriffe meist "blind", auf anatomische Normwerte und praktische Erfahrungen des Arztes gestützt, durchgeführt werden. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der nicht-invasiven Ultraschall Kontrolle der Thermotherapien am Beispiel der laserinduzierten interstitiellen Thermotherapie untersucht und zwei Ultraschallverfahren zur Therapiekontrolle vorgeschlagen. Das erste Verfahren basiert auf der Auswertung von lokalen Veränderungen der Laufzeit des Schallsignals zur Ermittelung der Temperaturverteilung im Gewebe. Es beruht physikalisch auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit. Das zweite Verfahren basiert physikalisch auf den Dämpfungseigenschaften von biologischem Gewebe und deren Abhängigkeit von der Gewebestruktur. Mit diesem Verfahren werden Veränderungen in der Frequenzabhängikeit der Dämpfung quantitativ ausgewertet und somit auf den Gewebezustand geschlossen. Beide Verfahren werden im Hinblick auf den klinischen Einsatz entwickelt und in ein experimentelles System zur Therapiekontrolle implementiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Entstehung von Störungen und Artefakten durch Patientenbewegungen gelegt und eine Methode zur Kompensation dieser Bewegungen vorgestellt wird. Anhand von in vitro Experimenten und einer ersten in vivo Messung wird gezeigt, daß beide Verfahren zur Therapiekontrolle von thermischen Therapien in Echtzeit tauglich sind. Sowohl anhand von Temperaturkarten als auch anhand von Strukturkarten kann die Läsionsausbreitung während der Therapie nicht-invasiv ermittelt und dargestellt werden. / As alternatives to surgical resection and/or supportive to radio- or chemo-therapy of tumors and metastases minimal invasive thermal treatment procedures besides the moderate hyperthermia are used, by which the tissue is heated up locally to temperatures up to 100 ° C. Particularly the interstitial techniques show promising results with the treatment of liver metastases and prostate cancer. However beside nuclear magnetic resonance tomography there is no economical, by routine applicable procedure for non invasive therapy control at present disposal, so that these interventions are usually executed "blind" by means of anatomical standard values and practical experience of the physician. By the example of the laser induced interstitial thermo-therapy in this work the possibility of non invasive control of thermal therapies by means of ultrasound are evaluated. Two different ultrasonic procedures are proposed for therapy control. The first procedure is based on the analysis of local modifications in the time of flight of the ultrasound signal for determination of the temperature distribution in the tissue. It is based on the physical dependence of the sound velocity on temperature. The second procedure is based on the physical attenuation characteristics of biological tissue and their dependence on the tissue structure. With this procedure changes in the frequency dependence of the ultrasound attenuation are quantitatively analyzed yielding information on the tissue status. Both procedures are developed with regard to the clinical application and are implemented in an experimental system for therapy control, whereby special attention was given to disturbances and artifacts due to patient movement and a method for compensating these movements is presented. With in vitro experiments and a first in vivo measurement it is shown, that both procedures are feasible for real time control of thermal therapies. During the treatment the formation of the therapeutic lesion can be observed and displayed through temperature mapping as well as structural mapping.

Thermoablationsverfahren werden in der klinischen Routine zur Therapie bei Patienten mit primären Lebertumoren und Lebermetastasen eingesetzt, bei denen von einer Operation abgesehen wird. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) ist ein minimal invasives radiologisches Verfahren zur perkutanen Tumorablation. Mit der Magnetresonanztomographie (MRT) am Hochfeldtomographen (1.5 Tesla) steht eine radiologische Methode mit der Option einer präzisen Prozesskontrolle der Thermoablation und einer suffizienten Erfolgskontrolle zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe zu erproben, das Potenzial der MRT für die Prozesskontrolle der LITT am Pankreas zu bestimmen und neue MRT-Sequenzen mit neuen Kontrastmitteln für die Optimierung der Erfolgskontrolle zu erforschen. Die LITT am Pankreas im Rahmen einer Pilotstudie an 15 Läuferschweinen war perkutan komplikationsarm durchführbar, generalisierte Pankreatitiden oder Blutungen traten nicht auf. Die qualitative Prozessbeobachtung mittels thermosensitiver Sequenzen zeigte eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentierten Thermoeffekten und histopathologisch verifizierten thermisch induzierten Nekrosen. Die Untersuchung und invasive Kalibrierung verschiedener Messmethoden in vivo zur quantitativen MRT-Thermometrie ergab Vorteile für den Einsatz der Protonenresonanzfrequenz-Methode. Zur Optimierung der Erfolgskontrolle nach LITT von Lebergewebe im Tierexperiment sowie klinisch bei Lebermetastasen wurden die MRT-Kontrastmittel Gadomesoporphyrin, Eisenoxid und Gadobutrol erprobt. Mittels Spätaufnahmen 6 - 18 h post injectionem wurden mit Gadobutrol thermisch induzierte Nekrosen präzise visualisiert. / Thermoablation of primary liver tumors and liver metastases is widely used in patients without surgical options. The laser-induced thermotherapy (LITT) is a minimal invasive radiologic procedure for percutaneous tumor ablation. With high field magnetic resonance imaging at 1.5, monitoring of thermoablation and visualization of thermal induced ablation zones can be performed precisely. Aim of this work was to investigate the feasibility of MR-guided LITT of pancreatic tissue and to optimise the contrast between thermal induced lesions, residual tumor and normal tissue after LITT procedure. MR-guided LITT was feasible in 15 female pigs, generalized pancreatitis or bleeding did not occur. MR monitoring by thermosensitive sequences precisely visualized thermal induced ablation zones verified by histopathologic examination. Best results of MR thermometry (thermo-mapping) were obtained by proton resonance frequency method. Gadolinum- mesoporphyrine, superparamagnetic iron oxides (SPIO) and gadobutrol were used to optimise ablation control. Late enhanced imaging 6 - 18 hours after injection of gadobutrol precisely visualized thermal induced necrosis. In conclusion, percutaneous MR guided LITT of pancreatic tissue of female pigs was feasible and monitoring of thermoablation could be performed accurately. In contrast to other imaging methods, MR using new contrast agents enables accurate visualization of thermal induced necrosis.

Die Dissertation handelt über die Ergebnisse der Laserinduzierten Thermotherapie bei Lebertumoren aus Februar 2000 mit einem Follow up bis Februar 2002. Dabei wurden 43 Patienten mit 89 Läsionen therapiert. Betrachtet wurden Komplikationen, Liegezeiten, metastasenfreie Intervalle, Stichkanalmetastasen, Auswertungen der bildmorphologischen Ablationskontrollen und die Analyse der klinischen Verläufe. Dabei wurden die Patienten in drei Altersgruppen eingeteilt, so dass man die Ergebnisse auf das Alter beziehen konnte. Zu den Primärtumoren zählten zu 70 Prozent das Kolorektale Karzinom, zu 10 Prozent das HCC und zu 20 Prozent andere Tumoren. Liegezeit und Komplikationen waren in allen Altersklassen gleich. Die komplette Ablationsrate betrug 80 Prozent. Die Liegezeit betrug weniger als 3 Tage im Durchschnitt. Komplikationen, die zur Verlängerung der Liegezeit führten, waren intrathorakale Blutungen, subkapsuläre Hämatome und Fistelbildungen. Es wurde ein durchschnittlich sechsmonatiges metastasenfreies Intervall festgestellt. / The dissertation acts about the results of the Laser-Induced Thermotherapy of manignant liver tumors from February 2000 in follow up to February 2002. 43 patients with 89 lesions became to treat in this case. Were considered complications, time to stay in bed, metastasis-free interval, metastasis from prick in the duct, evaluations of the picture-morphological controls and the analyses of the clinical progresses. The patients were divided into 3 age-groups in this case so that one could get the results on the age. To the primary tumors counted in 70 percent the colorectal cancer, to 10 percent the HCC and to 20 percent other tumors. The time to stay in bed and complications were identical in all age-groups. The complete ablation was 80 percent. The time to stay in bed was on average little as 3 days. Complications which led to the prolongation of the time to stay in bed were pleural effusions, subcapsular hematoma and fistulae. It was found on the average an metastases-free interval for 6 month.

ZIEL: In der vorliegenden Studie wurde die Effektivität und Sicherheit der Applikation von 90% Ethanol als Kühlmittel evaluiert METHODEN: Wir benutzten einen Mikrokatheter mit einem äußeren Durchmesser von 1,8 mm, welchen wir in der Rinderleber platzierten. Verbunden mit dem Katheter war ein Dornier Diffusor-Tip H6111-T3 angeschlossen an einen Dornier Medilas Fibertom 5100 Laser. Es wurden zwei Kühlmedien verwendet, physiologische Kochsalzlösung und 90% Ethanol, beide mit einer Flussgeschwindigkeit von 0,75 ml/min und 1,5 ml/min. Fünfzehn Minuten Laserbetriebszeit und verschiedene Wattstärken wurden verwendet. Die Koagulationsgröße wurde makroskopisch ausgewertet. ERGEBNISS: Es konnte kein Unterschied im radialen Durchmesser und in der Form hinsichtlich des verwendeten Kühlmittels gefunden werden. In der Gruppe mit dem hohen Kühlmittelfluss wurde eine Verlängerung des axialen Durchmessers festgestellt. Weiterhin führte die Verwendung von Ethanol zu einer erhöhten Rate an zerstörten Dornier Diffusor-Tips. SCHLUSSFOLGERUNG: Unter diesen technischen Vorraussetzungen wird es keinen Vorteil für die Patienten geben durch die Verwendung von Ethanol. Für bessere Ergebnisse ist ein neues Lichtleitersystem notwendig, welches resistent gegen die Ethanolwirkung ist. / Laser-induced thermotherapy of ex-vivo cow liver with open microcatheter system: comparison of two used cooling agents PURPOSE: We evaluated the efficiency and safety of 90% Ethanol as a cooling agent in Laser-induced thermotherapy of the liver. MATERIAL AND METHODS: We used a Microcatheter with an outer diameter of 1.8 mm which was placed in ex-vivo cow liver. Connected to the microcather was a Dornier Diffusor-Tip H6111-T3 coupled to a Dornier Medilas Fibertom 5100 laser. We compared two types of cooling agents, physiological NaCl solution and 90% Ethanol, both with a flow of 0,75 ml/min and 1,5 ml/min. Fifteen minutes of ablation time and different laser powers were used. The lesions size was examined macroscopically. RESULTS: We were not able to find any difference in form or diameter of the ablated liver depending on the usage of NaCL and Ethanol as cooling agent. However utilization of Ethanol yielded a larger length of ablated liver in the high flow group. Furthermore usage of Ethanol results in a higher rate of destructed Dornier Diffusor-Tips. CONCLUSIONS: Under the present technical conditions there will be no benefit from the usage of Ethanol as cooling agent. For better results a new light guide system is needed, which is resistent to the effect of Ethanol.