Assessment of renal function after conformal radiotherapy and intensity-modulated radiotherapy by functional ¹H-MRI and ²³Na-MRI

Abstract

Purpose

Adjuvant radiochemotherapy (RCHT) improves survival of patients with locally advanced gastric cancer. Conventional three-dimensional conformal radiotherapy (3D-CRT) results in ablative doses to a significant amount of the left kidney, while image-guided intensity-modulated radiotherapy (IG-IMRT) provides excellent target coverage with improved kidney sparing. Few long-term results on IMRT for gastric cancer, however, have been published. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) at 3.0 T including blood oxygenation-level dependent (BOLD) imaging, diffusion-weighted imaging (DWI) and, for the first time, ²³Na imaging was used to evaluate renal status after radiotherapy with 3D-CRT or IG-IMRT.

Patients and methods

Four disease-free patients (2 after 3D-CRT and 2 after IMRT; FU for all patients > 5 years) were included in this feasibility study. Morphological sequences, axial DWI images, 2D-gradient echo (GRE)-BOLD images, and ²³Na images were acquired. Mean values/standard deviations for (²³Na), the apparent diffusion coefficient (ADC), and R2* values were calculated for the upper/middle/lower parts of both kidneys. Corticomedullary ²³Na-concentration gradients were determined.

Results

Surprisingly, IG-IMRT patients showed no morphological alterations and no statistically significant differences of ADC and R2* values in all renal parts. Values for mean corticomedullary ²³Na-concentration matched those for healthy volunteers. Results were similar in 3D-CRT patients, except for the cranial part of the left kidney. This was atrophic and presented significantly reduced functional parameters (p = 0.001—p = 0.033). Reduced ADC values indicated reduced cell density and reduced extracellular space. Cortical and medullary R2* values of the left cranial kidney in the 3D-CRT group were higher, indicating more deoxygenated hemoglobin due to reduced blood flow/oxygenation. (²³Na) of the renal cranial parts in the 3D-CRT group was significantly reduced, while the expected corticomedullary ²³Na-concentration gradient was partially conserved.

Conclusions

Functional MRI can assess postradiotherapeutic renal changes. As expected, marked morphological/functional effects were observed in high-dose areas (3D-CRT), while, unexpectedly, no alteration in kidney function was observed in IG-IMRT patients, supporting the hypothesis that reducing total/fractional dose to the renal parenchyma by IMRT is clinically beneficial.

Zusammenfassung

Ziel

Adjuvante Radiochemotherapie verbessert das Überleben der Patienten mit einem lokal fortgeschrittenen Magenkarzinom. Konventionelle Radiotherapie („3-dimensional conformal radiotherapy“, 3D-CRT) bei Magenkarzinomen resultiert in ablativen Dosen am Oberpol der linken Niere, wohingegen dieser bei bildgeführter intensitätsmodulierter Strahlentherapie („image-guided intensity-modulated radiotherapy“, IG-IMRT) geschont wird. Langzeitdaten nach IMRT bei Magenkarzinom liegen jedoch bisher kaum vor. Diese Machbarkeitsstudie evaluiert die renalen Veränderungen nach unterschiedlichen Radiotherapien mit funktioneller Magnetresonanztomographie (MRT) bei 3 T mittels diffusionsgewichteter Bildgebung („diffusion-weighted imaging“, DWI), blutoxygenierungsabhängiger („blood oxygenation-level dependent“, BOLD) und weltweit erstmalig mit ²³Na-Bildgebung.

Material und Methoden

Vier tumorfreie Patienten (zwei nach 3D-CRT und zwei nach IG-IMRT; Follow-up für alle Patienten > 5 Jahre) wurden untersucht. Neben morphologischen Sequenzen wurden axiale DWI-Sequenzen, 2D-Gradientenecho(GRE)-BOLD-Sequenzen und eine 3D-dichteadaptierte, radiale GRE-Sequenz für die ²³Na-Bildgebung angefertigt. Mittelwerte/Standardabweichungen wurden für (²³Na)- und Apparent-Diffusion-Coefficient(ADC)-Werte sowie für die R2*-Werte der BOLD-Bildgebung berechnet. Dies erfolgte separat für den Ober-/Mittel- und Unterpol beider Nieren. Der kortikomedulläre ²³Na-Konzentrationsgradient wurde berechnet (10 mm vom Kortex in Richtung Medulla).

Ergebnisse

IG-IMRT-Patienten zeigten keine morphologischen Veränderungen und überraschenderweise keine signifikanten Unterschiede der ADC- und R2*-Werte zwischen gesunden und bestrahlten Nierenabschnitten. Die durchschnittlichen kortikomedullären ²³Na-Konzentrationsgradienten glichen denen gesunder Probanden. Ähnliche Resultate fanden sich bei 3D-CRT-Patienten für die nichtbestrahlten Nieren und die Mittel-/Unterpole der linken Nieren. Die Oberpole der linken Nieren waren atrophiert und zeigten signifikant erniedrigte funktionelle Parameter (p = 0,001; p = 0,033). Die reduzierten ADC-Werte sind als reduzierte Zelldichte zu interpretieren. Die kortikalen und medullären R2*-Werte der linken, kranialen Niere waren in der 3D-CRT-Gruppe erhöht und weisen auf einen erhöhten Gehalt an desoxygeniertem Hämoglobin hin, mutmaßlich aufgrund reduzierten Blutflusses/reduzierter Oxygenierung. Die (²³Na)-Werte der linken kranialen Niere war in der 3D-CRT-Gruppe signifikant erniedrigt, wobei der erwartete kortikomedulläre (²³Na)-Wert noch teilweise erhalten war.

Schlussfolgerung

Mit der funktionellen MR-Bildgebung bei 3,0 T ist eine grundlegende Beurteilung von radiogenen Nierenschäden möglich. Die Nierenanteile innerhalb des Hochdosisbereichs wiesen deutliche morphologische und funktionelle Unterschiede zu gesunden Probanden auf. Die Nieren von Patienten nach IG-IMRT zeigten dagegen keine morphologischen und funktionellen Unterschiede zu gesunden Probanden. Somit wird bildmorphologisch die Hypothese unterstützt, dass eine reduzierte totale oder fraktionierte Bestrahlung der Niere mittels IG-IMRT einen klinischen Nutzen hat.