Gliale Hirntumore in der konfokalen Laserendomikroskopie

Abstract

Hirneigene gliale Tumore sind die häufigsten malignen Neoplasien des zentralen Nervensystems und zeichnen sich durch ihre meist schlechte Prognose aus. Die Therapie der Gliome besteht aus Resektion des Tumors mit anschließender histopathologischer und molekulargenetischer Beurteilung des Befundes sowie Chemotherapie und Radiatio. Von prognostischer Bedeutung sind neben Alter und Allgemeinzustand des Patienten sowie molekulargenetischer Veränderungen des Tumors insbesondere das Resektionsausmaß, das residuelle Tumorvolumen sowie der neurologische Outcome nach Operation. Intraoperativ stehen daher verschiedene Hilfsmittel zur Verfügung, unter anderem die Neuronavigation, der Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen oder die Anfertigung intraoperativer Schnellschnitte. In den Fokus gerückt ist in den letzten Jahren auch bei Patienten mit intrakraniellen Raumforderungen der Einsatz konfokaler Laserendomikroskope. Während konfokale Laserendomikroskopie in anderen Fachrichtungen, beispielsweise der Pneumologie, der Dermatologie und der Gastroenterologie, schon lange erprobt ist, sind die Erfahrungen mit der konfokalen Laserendomikroskopie in der Neurochirurgie verhältnismäßig jung. Während Studien von einer guten Differenzierbarkeit zwischen Tumor- und Normalgewebe berichten, fehlen insbesondere Beschreibungen zur feingeweblichen Darstellung der Gliome unter Berücksichtigung der Tumorheterogenität. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, histologische Merkmale von glialem Gewebe mittels konfokaler Laserendomikroskopie zu erarbeiten und im Anschluss zu evaluieren, inwiefern diese Erkenntnisse zur Differenzierung von Tumor und Normalgewebe dienen. In dieser Studie wurden insgesamt 125 Proben glialer Tumore aus 38 Operationen zunächst mittels konfokaler Laserendomikroskopie analysiert und anschließend mit dazu angefertigten Gefrierschnitten verglichen. Es wurden folgende Merkmale erarbeitet: In der grauen Substanz können mittels konfokaler Laserendomikroskopie große Zellen nachgewiesen werden, welche am ehesten Neuronen entsprechen und diese so von der weißen Substanz unterscheiden. Insgesamt stellt sich die graue Substanz in der konfokalen Laserendomikroskopie geometrisch geordneter als die weiße Substanz dar, die sich wiederum durch ein homogenes, signalintensives Muster auszeichnet. Veränderungen der glialen Matrix sind charakterisiert durch den Verlust der glialen Faserung des Materials. Eine erhöhte Zellularität des Gewebes stellt sich durch das Auftreten flächiger Areale mit Signalauslöschung dar. Die Kernpleomorphie lässt sich lediglich anhand der Inhomogenität des Erscheinungsbildes abschätzen, einzelne Zellkerne sind nicht abzugrenzen. Mittels konfokaler Laserendomikroskopie können eine vermehrte Gefäßzeichnung des Gewebes sowie größere Gefäße dargestellt werden, Mitosen können nicht abgegrenzt werden. Nekrosen stellen sich als rundliche, schollig gelagerte Formationen hoher Signalintensität dar. In der statistischen Auswertung zeigte sich, dass sowohl die veränderte gliale Matrix, die Hyperzellularität, die Kernpleomorphie, das verstärkte Gefäßmuster und auch die Identifikation von Nekrosen mittels konfokalem Laserendomikroskop zur Differenzierung zwischen Tumor und Normalgewebe nützte: Die mittels konfokaler Laserendomikroskopie in den Proben erkannten Merkmale unterschieden sich jeweils signifikant in Tumor und Normalgewebe. Im Anschluss erfolgte die Untersuchung, inwiefern das Erkennen dieser Merkmalsausprägungen zur Differenzierung zwischen astro- und oligodendroglialen beziehungsweise niedriggradigen und höhergradigen Gliomen beitragen kann. Es zeigte sich ein signifikanter Unterschied der mittels konfokaler Laserendomikroskopie erkannten Kernpleomorphie zwischen astro- und oligodendroglialen Tumoren (p<0,001*), wobei die Astrozytome im konfokalen Laserendomikroskop wesentlich häufiger eine ausgeprägte Kernpleomorphie aufwiesen als die oligodendrozytären Gliome. Wie erwartet zeigten höhergradige Gliome zudem auch mittels konfokaler Laserendomikroskopie signifikant häufiger Nekroseareale als niedriggradige Gliome (p<0,001*). Das Erkennen von Nekrose mittels konfokaler Laserendomikroskopie kann somit die Differenzierung zwischen niedrig- und höhermalignen Gliomen unterstützen. Insgesamt erlaubte die Entwicklung der oben genannten Kriterien eine Unterscheidung von Tumor und Normalgewebe mittels konfokalem Laserendomikroskop ohne Fluoreszenzfarbstoff mit einer Genauigkeit von 91,2 %, einer Sensitivität von 94,17 %, einer Spezifität von 77,27 % sowie einem positiven Vorhersagewert von 95,1 % und einem negativen Vorhersagewert von 73,91 %. Für astrogliale Tumore betrug die Genauigkeit der Differenzierung zwischen Tumor und Normalgewebe 90,2 %, für oligodendrogliale Tumore 95,65 %, bei allen höhergradigen Gliomen 92,77 %, bei allen niedriggradigen Gliomen 88,1 %. Zusammenfassend zeigte sich, dass mithilfe der morphologischen Charakteristika in der konfokalen Laserendomikroskopie eine zuverlässige Differenzierung zwischen Tumor und umgebendem Hirngewebe erfolgen kann. Auch in einem Gewebe mit ausgeprägter Heterogenität, wie sie bei Gliomen zu finden ist, können Kriterien zur weiteren Charakterisierung des Gewebes identifiziert und genutzt werden. Die Untersuchung unter Verzicht auf einen Fluoreszenzfarbstoff ist zudem der Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen nicht unterlegen. Weitere Studien zur Untersuchung dieser Kriterien in vivo sowie die intraoperative Anwendbarkeit dieser Kriterien unter Berücksichtigung der Erfahrung des Untersuchers sollten erfolgen.

Confocal laser endomicroscopy in glial tumors Gliomas are the most frequent type of malignant neoplasia in the central nervous system with an overall poor prognosis. While there is no cure for malignant gliomas, therapy consists of surgical resection of the tumor with histological and genetic diagnosis, followed by chemotherapy and radiotherapy. Among factors such as age, preoperative morbidity of the patient and genetic abnormalities of the tumor, especially extent of surgical resection, residual tumor volume and the postoperative neurological state of the patient are of crucial prognostic relevance. Surgeons therefore use and benefit from intraoperative tools such as neuronavigation systems, fluorescent agents and frozen sections to achieve maximal and safe resection. A relatively new technique is the use of confocal laser endomicroscopy. While other specialties such as pneumology, dermatology and gastroenterology have already integrated confocal laser endomicroscopes into their surgical routines, neurosurgical experiences are fairly scarce. Even though previous studies have shown the value of confocal laser endomicroscopes in differentiating normal brain tissue from intracranial lesions, detailed descriptive analyses of confocal laser endomicroscopic visualization focusing on morphologic features of glial tumors with respect to their heterogeneity have not been conducted yet. The aim of this study is to examine glial tissue characteristics via confocal laser endomicroscopy and evaluate whether these criteria allow reliable differentiation between glial tumor and normal brain tissue. For this study, 125 glioma specimens from 38 surgical resections were first analyzed via confocal laser endoscopy and consecutively compared to their corresponding frozen sections. The following tissue characteristics were found: Confocal laser endomicroscopy showed cortical grey matter nearly geometrically organized. Relatively big, round signal losses were interpreted as cortical neurons. White matter appeared more homogenously than grey matter and with a more intense signal. Reduction or loss of the glial fibrillary pattern as described above were interpreted as changes of the glial extracellular matter due to tumor infiltration. Hypercellularity was displayed as extensive, dense signal losses. These conglomerates were interpreted as groups of densely lying tumor cells. Cell margins could not be delineated. Variability in nuclear size and shape could be estimated by assessment of the irregularity or patchiness of the acquired confocal images. Single nuclei or nucleoli could not be visualized via confocal laser endomicroscopy. Enlarged blood vessels and vascular convolutes appeared as irregularly traversing streaks. Although an important factor in determining malignancy in gliomas, mitotic figures couldn’t be identified. Necrosis appeared as a loss of fibrillary pattering with the simultaneous appearance of round, hyperintense structures. Depending on the advance of disintegration of glial tumor matter, confocal laser endomicroscopy showed only few of these round formations or presented large patchy areas that seemed only loosely interconnected. Pseudopalisading necrosis could not be differentiated via confocal laser endomicroscopy. These criteria proved useful in differentiation of tumor from peritumoral tissue: Tumor was diagnosed with an accuracy of 91.2 %. Sensitivity was 94.17 %, specificity 77.27 %. The positive and negative predictive values were 95.1 % and 73.91 %, respectively. All criteria mentioned above differed significantly in visualization in tumor and peritumoral matter. Astroglial tumors showed significantly less nuclear pleomorphism in confocal laser endomicroscopy than oligodendroglial tumors (p<0.001*). Visualization of necrosis allowed differentiation between low-grade and high-grade gliomas (p<0.001*). Accuracy in differentiation between tumor and peritumoral tissue was 90.2 % for astroglial tumors and 95.65 % for oligodendroglial tumors. For low- and high-grade gliomas, accuracy was 88.1 % and 92.77 %, respectively. In conclusion, detailed analysis of the morphological features of gliomas as seen via confocal laser endomicroscopy allows reliable differentiation between tumor tissue and surrounding brain tissue. Even in a heterogenous group of tumors such as gliomas, certain criteria can be identified and utilized to further characterize glial tissue. The results also show that this technique is not inferior to the additional use of fluorescent agents with confocal laser endomicroscopy. Further studies should be conducted to analyze the use of these criteria in an in vivo setting. Also, the practical applicability regarding the experience of the examiner should be evaluated in future investigations.