New Options for Non-invasive Imaging and Non-invasive Treatment of Skin Cancers

Abstract

Tausta Tyvisolusyöpä on maailman yleisin syöpä. Tyvisolusyövällä on eri alatyyppejä, joista pinnallinen tyvisolusyöpä ja ohut nodulaarinen tyvisolusyöpä ovat vähäisen riskin tyyppejä, jotka on mahdollista hoitaa muutoin kuin leikkaamalla. Pinnallinen tyvisolusyöpä on lisääntynyt muita alatyyppejä nopeammin, ja näin ollen myös ei-kirurgisten hoitovaihtoehtojen käyttö todennäköisesti lisääntyy. Valoaktivaatiohoito ja voidehoidot, joita ovat imikimodi ja 5-fluorourasiili, ovat vaihtoehtoja kirurgialle. Valoaktivaatiohoidon etuja ovat erinomainen kosmeettinen lopputulos sekä lyhytkestoisempi hoitoaika ja paikallisreaktion kesto verrattuna voidehoitoihin. Imikimodin teho on kuitenkin parempi kuin valoaktivaatiohoidon. Suuren riskin tyvisolusyöpiä ovat aggressiiviset alatyypit, joille tyypillisiä ovat kasvaimen epätarkkarajaisuus ja kliinisesti näkymättömät kasvainalueet. Lentigo maligna -melanooma on ihomelanooman alamuoto, jolle tyypillisiä ovat myös nämä piirteet. Lentigo maligna on lentigo maligna -melanooman esiastemuoto. Näitä kahta on vaikea erottaa toisistaan silmin ja dermatoskoopilla arvioiden. Epätarkkarajaiset ihosyövät ovat siis kliininen haaste. Kajoamattomilla kuvantamismenetelmillä on mahdollista parantaa ihokasvainten diagnostiikkaa ja arviota. Hyperspektrikuvantaminen on uusi, nopea ja tietokoneavusteinen kuvantamismenetelmä, jolla on laaja kuvausalue.

Tavoitteet Väitöskirjassa tutkitaan hyperspektrikuvantamista ja vähäisen riskin tyvisolusyövän valoaktivaatiohoitoa kliinisessä lääketutkimuksessa. Tavoitteena on tutkia hyperspektrikameran kykyä erottaa lentigo maligna -melanooma ja lentigo maligna toisistaan, sekä arvioida hyperspektrikameran kykyä määrittää epätarkkarajaisen tyvisolusyövän rajat ennen leikkausta verrattuna kliiniseen arvioon dermatoskoopin kanssa. Kliinisen lääketutkimuksen tavoitteena on verrata kolmen eri valoherkistäjävoiteen tehoa vähäisen riskin tyvisolusyövän valoaktivaatiohoidossa.

Menetelmät Hyperspektrikuvantamista tutkittiin kahdessa pilottitutkimuksessa. Näistä toisessa kuvattiin lentigo malignaa/lentigo maligna –melanoomaa, ja toisessa epätarkkarajaista tyvisolusyöpää. Molemmissa tutkimuksissa kasvaimet arvioitiin ennen kuvantamista kliinisesti dermatoskoopin avulla. Lopuksi kasvaimet leikattiin.

Hyperspektrikuvat tuotettiin matemaattisen mallinnuksen avulla tietokoneavusteisesti. Patologi, joka arvioi leikkeet, ei tiennyt, mitä hyperspektrilöydökset olivat. Kameran löydöksiä verrattiin histopatologiaan, ja epätarkkarajaisen tyvisolusyövän tapauksessa myös kliinisesti määritettyihin kasvaimen rajoihin.

Kliininen lääketutkimus oli tutkijalähtöinen, prospektiivinen, kontrolloitu, satunnaistettu ja kaksoissokkoutettu. Tutkimuksessa verrattiin kahden uudehkon valoherkistäjävoiteen eli 5-aminolevuliinihapon nanoemulsion ja matalapitoisen heksyyliaminolevulinaatin tehoa laajasti käytettyyn metyyliaminolevulinaattiin. Päätulos oli histologinen paraneminen kolme kuukautta valoaktivaatiohoidon jälkeen. Toissijaisia tuloksia olivat kosmeettinen lopputulos sekä hoidon haittavaikutukset eli kipu ja hoidonjälkeinen paikallisreaktio. Kivunhoitona käytettiin pitkävaikutteista paikallispuudutetta ennen kasvainten käsittelyä valoaktivaatiohoitoa varten. Tutkimuksessa arvioitiin myös valoherkistäjävoiteen fluoresenssia ja kulumista valotuksen aikana (ns. photobleaching) kokeellisella laitteistolla. Diagnoosi ja hoitotulos varmistettiin koepaloin. Tutkimuksessa potilaat ja tulosten arvioijat eivät tienneet, mitä valoherkistäjää oli käytetty.

Tulokset Lentigo maligna -melanooman, lentigo malignan ja terveen ihon hyperspektrikäyrät ovat erilaisia. Näin ollen lentigo maligna -melanooma ja lentigo maligna on mahdollista erottaa toisistaan hyperspektrikuvantamisen avulla. Hyperspektrikuvien perusteella oli myös mahdollista paikallistaa invaasioalue. Hyperspektrikamera määritti epätarkkarajaisen tyvisolusyövän rajat tarkemmin kuin kliinisesti oli määritetty, ja histopatologia tuki tätä löydöstä.

Valoaktivaatiohoidossa tyvisolusyöpä parani lähes yhtä hyvin matalapitoisella heksyyliaminolevulinaatilla kuin korkeapitoisemmilla 5-aminolevuliinihapon nanoemulsiolla ja metyyliaminolevulinaatilla. Valoherkistäjävoiteiden välillä ei ollut eroja haittavaikutuksissa tai kosmeettisessa lopputuloksessa. Fluoresenssin ja valoherkistäjän kulumisen tuloksissa oli laaja hajonta.

Johtopäätökset Hyperspektrikuvantaminen vaikuttaa lupaavalta uudelta menetelmältä, jolla on laaja kuvausalue, ja joka on nopea ja helppokäyttöinen. Lisäksi hyperspektrikamera näyttää pystyvän visualisoimaan silmälle näkymättömiä muutoksia. Heksyyliaminolevulinaatti on mielenkiintoinen uusi vaihtoehto vähäisen riskin tyvisolusyövän valoaktivaatiohoitoon, sillä jo matalalla pitoisuudella saavutetaan vastaava hoitotulos kuin korkeammilla pitoisuuksilla 5- aminolevuliinihapon nanoemulsiota tai metyyliaminolevulinaattia. Kuitenkaan hoidon kosmeettisessa lopputuloksessa tai haittavaikutuksissa ei ole eroja valoherkistäjien välillä.

Background Basal cell carcinoma is the most common cancer in the world. The incidence of superficial basal cell carcinoma, a subtype of basal cell carcinoma, is rising at a far steeper rate than the other subtypes, and as a non-aggressive subtype, it can be treated non-invasively. Aggressive subtypes of basal cell carcinoma are often ill-defined, which poses a clinical problem in preoperative margin assessment. Another ill-defined skin cancer type is lentigo maligna. Lentigo maligna is an in situ melanoma, and a precursor of lentigo maligna melanoma. These two forms are clinically challenging to distinguish from each other, which is crucial as melanoma has the worst prognosis of all skin cancers. Non-invasive imaging is an option for increasing the accuracy of preoperative diagnosis and the assessment. Hyperspectral imaging is a novel, fast, and computer-aided imaging modality with a wide field of view. In non-invasive treatment of non-aggressive basal cell carcinomas, photodynamic therapy has many advantages: an excellent cosmetic outcome as well as a shorter application time and recovery period. Notwithstanding these advantages, the efficacy of photodynamic therapy is lower when compared to topical pharmacological options such as imiquimod and 5- fluorouracil. Objectives This dissertation focuses on non-invasive imaging and non-invasive treatment. In non-invasive imaging, the aim is to study the performance of a hyperspectral imaging system in separating lentigo maligna melanoma from lentigo maligna and assessing the preoperative margins of ill-defined basal cell carcinomas compared to clinical delineation assessments performed with a dermoscope. In non-invasive treatment, the aim is to compare the efficacy of three different photosensitisers in photodynamic therapy of non-aggressive basal cell carcinomas. Methods There are two pilot studies with hyperspectral imaging: one on lentigo maligna and lentigo maligna melanoma, and another one on ill-defined basal cell carcinoma. Tumours were preoperatively visually inspected utilising a dermoscope, and thereafter imaged with the hyperspectral imaging system. Next, surgical excision was performed. Hyperspectral images were created with computer-aided mathematical models. Additional mathematical models were subsequently developed. In the results analysis, the findings of the hyperspectral imaging and clinically assessed margins were compared to the histopathology results, where assessment was performed blind to the hyperspectral imaging findings. A non-sponsored, prospective, randomised, controlled and double-blinded trial focused on non-invasive treatment. In this trial, two novel photosensitisers, 5- aminolevulinic acid nanoemulsion and low-concentration hexylaminolevulinate, were compared to the commonly used methylaminolevulinate in photodynamic therapy of non-aggressive basal cell carcinomas, i.e. thin nodular or superficial subtypes. The primary outcome was histological clearance at three months. Secondary outcomes included adverse events such as pain associated with the treatment while using a long-lasting local anaesthetic as pain management, post- treatment reaction, as well as cosmetic outcome, and fluorescence and photobleaching during the illumination. We used an experimental fluorescence imaging system. Punch biopsies were performed prior to treatment and during follow-up. Both patient and observers of outcomes were blind to the photosensitiser that was used. Results Hyperspectral imaging exhibited a unique hyperspectral graph for lentigo maligna melanoma, lentigo maligna, and healthy skin. Based on these results, hyperspectral images were created where hyperspectral data was represented in several abundance maps. The maps showed differing abundances for lentigo maligna melanoma and lentigo maligna, and it was possible to localise the invasion site inside the lesion. For ill-defined basal cell carcinoma, the margins of the tumour were delineated more accurately than by clinical assessment, and the results were confirmed with histopathology. The results of the clinical trial in photodynamic therapy showed that the histological clearance of hexylaminolevulinate was similar compared to 5- aminolevulinic acid nanoemulsion and methylaminolevulinate, with no differences in cosmetic outcome, pain or post-treatment reaction between the arms. In our fluorescence and photobleaching analyses the results were widely spread. Conclusions In conclusion, hyperspectral imaging seems to be a promising and useful new imaging modality with a wide field of view: it is fast, easy to use and it seems to be capable of visualising subclinical findings. In non-invasive treatment, hexylaminolevulinate is an interesting option for photodynamic therapy of non- aggressive basal cell carcinomas. Hexylaminolevulinate at low concentrations achieves a comparable efficacy to 5-aminolevulinic acid nanoemulsion and methylaminolevulinate at higher concentrations. No differences were observed in adverse events or cosmetic outcome between the arms.