Novel Methods for the Treatment and Diagnosis of Skin Cancers and their Precursors

Abstract

Aktiinikeratoosi (AK) on yleinen ihosyövän esiastemuutos, johon liittyy riski invasiivisen okasolusyövän (cSCC) kehittymiselle. Monet kansainväliset hoitosuositukset suosittelevat kenttähoitoa, mikäli iholla on useita AK-leesioita tai kenttäkarsinogeneesiä.

Lentigo maligna (LM) on melanooman esiastemuutos, joka kasvaa ensin hitaasti kokoa ja voi lopulta kehittyä invasiiviseksi lentigo maligna -melanoomaksi (LMM). LM:n vakiintunut hoitokäytäntö on leikkaus laajalla marginaalilla. Aina kirurgia ei kuitenkaan onnistu potilaan korkean iän tai leesion esteettisesti haastavan sijainnin vuoksi. LM:n hoidossa on tutkittu myös vaihtoehtoisia ei-kirurgisia menetelmiä, mutta niiden tulokset vaihtelevat.

Tyvisolusyöpä (BCC) on vaaleaihoisten yleisin ihosyöpä, ja noin 7% kaikista tyvisolusyövistä on pigmentoituneita eli ne sisältävät melaniinipigmenttiä. Jopa kokeneen ihotautilääkärin voi olla vaikea erottaa pigmentoitunut tyvisolusyöpä melanoomasta tai muista melanosyyttikasvaimista.

Väitöskirja koostuu kolmesta erillisestä osatyöstä. Osatyö I oli satunnaistettu ja kaksoissokkoutettu tutkimus, jossa verrattiin kahden valoherkistäjävoiteen, aminolevulinaatti-nanoemulsion (BF-200 ALA) ja metyyliaminolevulinaatin (MAL) tehoa, siedettävyyttä ja kustannustehokkuutta AK:ien päivänvalo-fotodynaamisessa hoidossa (DL-PDT). Tutkimukseen osallistui 69 potilasta, joilla oli yhteensä 767 lievää tai keskivaikeaa AK:ia. Potilaat hoidettiin DL-PDT:llä kertahoitona käyttäen eri kasvopuoliskoille eri voiteita satunnaistamisen mukaan. Vuoden kuluttua hoidosta BF-200 ALA oli tehokkaampi kuin MAL, parantaen 79,7% kaikista AK-leesioista, kun MAL paransi 73,5%. Molemmat hoidot olivat hyvin siedettyjä. Kivun, kosmeettisen lopputuloksen tai potilaiden hoitomieltymyksen välillä ei ollut merkitsevää eroa, mutta BF-200 ALA aiheutti voimakkaampia paikallisia ihoreaktioita.

Osatyö II oli prospektiivinen tutkimus, jossa selvitettiin fotodynaamisen hoidon (PDT) tehoa LM:n hoidossa käyttäen valoherkistäjänä BF-200 ALA:a. Kymmenen biopsiavarmennettua LM:a hoidettiin AFL-avusteisella (ablatiivinen fraktionaalinen laser) PDT-hoidolla kolme kertaa kahden viikon välein. Neljä viikkoa viimeisen PDT-hoidon jälkeen LM-leesiot leikattiin kirurgisesti, ja kudospalat analysoitiin histopatologisesti. Seitsemän kymmenestä (70%) LM:sta parani kokonaan histopatologisesti. PDT-hoitojen jälkeen kuitenkin ilmeni muutamia vaikeita ja odottamattomia ihoreaktioita.

Osatyö III oli prospektiivinen diagnostinen pilottitutkimus, jossa käytettiin tekoälyä (syväoppiva neuroverkko) ihokasvainten hyperspektrikuvien automaattiseen luokitteluun. Yhteensä 26 pigmentoitunutta ihokasvainta kuvattiin ensin hyperspektrikameralla ja sitten leikattiin kirurgisesti histopatologista diagnoosia varten. Hyperspektrikuvat jaettiin kahteen osaan, joista toista käytettiin neuroverkon koulutukseen ja toista luokittelutehtävään. Neuroverkon herkkyys erottaa melanosyyttikasvaimet pigmentoituneista tyvisolusyövistä oli 100%, tarkkuus 90% ja positiivinen ennustearvo 94%, kun käytettiin kuvan pikselienemmistöä ennustamaan koko kasvaimen diagnoosi.

Tämän väitöskirjan tulosten perusteella voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset: 1) BF-200 ALA on tehokkaampi kuin MAL lievien ja keskivaikeiden AK:ien päivänvalo-PDT-hoidossa, ja se on lisäksi hieman kustannustehokkaampi. BF-200 ALA aiheuttaa voimakkaampia paikallisia ihoreaktioita, millä voi olla vaikutusta hoidon siedettävyyteen. 2) AFL-avusteinen PDT-hoito on kohtalaisen tehokas LM:n hoidossa, parantaen 70% leesioista histopatologisesti. Sitä voidaan pitää vaihtoehtona LM:n hoidossa silloin, kun kirurgia ei tule kyseeseen. 3) Syväoppiva neuroverkko pystyy erottamaan melanosyyttikasvaimet ja pigmentoituneet basalioomat hyperspektrikuvissa tarkasti ja pikselikohtaisesti. Jatkossa tarvitaan suurempi otos hyperspektrikuvia useista erilaisista kasvaimista näiden alustavien tulosten varmistamiseksi.

Actinic keratosis (AK) is a common premalignant skin lesion carrying a risk of progression into invasive cutaneous squamous cell carcinoma (cSCC). Many international guidelines recommend field-directed therapy for multiple AKs and for field-cancerized skin.

Lentigo maligna (LM) is an <i>in situ</i> form of melanoma that grows very slowly radially and eventually can progress into invasive lentigo maligna melanoma (LMM). The gold standard treatment for LM is wide local excision but surgery is not always feasible due to elderly age of the patients and location on cosmetically sensitive head and neck area. Alternative, non-surgical therapies have been investigated with varying results.

Basal cell carcinoma (BCC) is the most common skin cancer among whites in Western countries and approximately 7% of all BCCs contain melanin, being clinically pigmented. Pigmented BCCs may be difficult to distinguish from melanoma and other melanocytic tumours even for an experienced dermatologist.

The dissertation consists of three separate studies. Study I was a randomized double-blind trial intended to compare clinical efficacy, tolerability and cost- effectiveness of two photosensitizers, 5-aminolaevulinic acid nanoemulsion (BF-200 ALA) and methyl-5-aminolaevulinate (MAL) in daylight photodynamic therapy (DL-PDT) for AKs. Altogether 69 patients with 767 mild to moderate AKs were given a single DL-PDT treatment in a randomized split-face setting. In a follow-up of 12 months, BF-200 ALA was more effective than MAL, clearing 79.7% vs. 73.5% of all AKs. The tolerability of both treatments was very good, with no difference in pain, cosmetic outcome or patient preference, but BF-200 ALA caused more intense local skin reactions.

Study II was a prospective study intended to investigate the efficacy of ablative fractional laser (AFL)-assisted PDT in the treatment of LM. BF-200 ALA was used as a photosensitizer. Ten biopsy-verified LM lesions were treated with AFL-assisted PDT three times at two-week intervals. Four weeks after the last PDT treatment all LM lesions were surgically excised for histopathological evaluation. The complete histopathological clearance rate was seven out of ten lesions (70%). Some severe and unanticipated skin reactions occurred after PDT sessions.

Study III was a prospective diagnostic study piloting hyperspectral imaging (HSI) and convolutional neural network (CNN) for differential diagnosis of pigmented skin lesions. A total of 26 pigmented lesions were imaged with HSI <i>in vivo</i> and then surgically excised for histopathological evaluation. HSI images were divided into two halves, one of which was used for the training of the CNN and the other for the classification task. For two-class classifier (melanocytic tumours vs. pigmented BCCs) using majority of the pixels to predict the class of the lesion, we obtained high sensitivity of 100%, specificity of 90% and positive predictive value (PPV) of 94% for diagnosis of melanocytic tumours.

The results of this thesis permit the following conclusions: 1) BF-200 ALA is more effective than MAL in DL-PDT for mild to moderate AKs and is slightly more cost-effective than MAL. BF-200 ALA caused more intense local skin reactions, which could affect the tolerability of the treatment. 2) AFL-assisted PDT showed good efficacy of 70% for lentigo maligna in terms of histopathological clearance. It could be considered a minimally invasive alternative treatment for LM in cases where surgery is not an option. 3) a CNN classifier can accurately and pixel-wise differentiate melanocytic tumours from pigmented BCCs in hyperspectral images. A larger sample dataset with multiple tumour types and a separate training dataset is warranted in the future to confirm these preliminary results.