Characterization of vascular heterogeneity of astrocytomas grade 4 for supporting patient prognosis estimation, and treatment response assessment

Abstract

[ES] Los tumores cerebrales son una de las enfermedades más devastadoras en la actualidad por el importante deterioro cognitivo que sufren los pacientes, la elevada tasa de mortalidad y el mal pronóstico. Los astrocitomas de grado 4 conllevan una supervivencia de cinco años en aproximadamente el 5% de los pacientes diagnosticados, siendo los tumores más agresivos y letales del Sistema Nervioso Central (SNC). Los astrocitomas de grado 4 siguen siendo un problema médico complejo aún sin resolver. A pesar de representar más del 60% de los tumores cerebrales malignos en adultos, estos tumores tienen una baja prevalencia relativa y se consideran una enfermedad huérfana, lo que dificulta el desarrollo de nuevos fármacos o tratamientos que puedan beneficiar a los pacientes. La agresividad de estos tumores se debe a diferentes características, como la fuerte angiogénesis, la necrosis, la microproliferación vascular, la capacidad de invasión e infiltración de las células tumorales y un microambiente inmunológico particular. Además, debido a la rápida progresión de los astrocitomas de grado 4, en la zona de la lesión coexisten diferentes regiones específicas que cambian con el tiempo. Esta naturaleza compleja, junto con la marcada heterogeneidad interpaciente, intratumoral y longitudinal, complica el éxito de un único tratamiento eficaz para todos los pacientes. La imagen de resonancia magnética (MRI) supone una técnica útil para caracterizar la morfología y la vascularidad del tumor. El uso de métodos avanzados y robustos para analizar las imágenes de MR recogidas en las fases iniciales del tratamiento de los pacientes permite la delimitación de las diferentes regiones de los astrocitomas de grado 4, convirtiéndose en herramientas útiles para investigadores, radiólogos y neurocirujanos. Además, el cálculo de biomarcadores vasculares de imagen, como los propuestos en esta tesis, facilitaría la caracterización del tumor, la estimación del pronóstico y los enfoques de tratamiento más personalizados. Esta tesis propone cuatro pilares fundamentales para avanzar en el manejo de los astrocitomas de grado 4. Estos incluyen I) la caracterización multinivel del tumor para mejorar las clasificaciones de los gliomas de alto grado del SNC; II) la búsqueda y desarrollo de biomarcadores robustos para estimar el pronóstico de los pacientes desde el momento prequirúrgico; III) así como para evaluar la respuesta a los tratamientos y la selección de los pacientes que pueden beneficiarse de terapias específicas; y IV) el diseño e implementación de estudios clínicos y protocolos para la recogida de datos a largo plazo de cohortes de pacientes notables a nivel internacional. Para abordar estos cuatro pilares, se ha utilizado un enfoque interdisciplinario que combina el análisis de imágenes médicas, técnicas avanzadas de inteligencia artificial y variables moleculares, histopatológicas y clínicas. En conclusión, hemos abordado la influencia de la heterogeneidad interpaciente e intratumoral del astrocitoma de grado 4 para la caracterización y clasificación del tumor, la estimación del pronóstico del paciente y la predicción de las respuestas al tratamiento. Además, se han diseñado e implementado diferentes estudios clínicos que permiten la recogida de datos multinivel de cohortes internacionales de pacientes con astrocitoma de grado 4.

[CA] Els tumors cerebrals són una de les malalties més devastadores en l'actualitat per la important deterioració cognitiva que pateixen els pacients, l'elevada taxa de mortalitat i el mal pronòstic. Els astrocitomes de grau 4 comporten una supervivència de cinc anys en aproximadament el 5% dels pacients diagnosticats, sent els tumors més agressius i letals del Sistema Nerviós Central (SNC). Els astrocitomes de grau 4 continuen sent un problema mèdic complex encara sense resoldre. Malgrat representar més del 60% dels tumors cerebrals malignes en adults, aquests tumors tenen una baixa prevalença relativa i es consideren una malaltia òrfena, la qual cosa dificulta el desenvolupament de nous fàrmacs o tractaments que puguen beneficiar als pacients. L'agressivitat d'aquests tumors es deu a diferents característiques, com la forta angiogènesis, la necrosi, la microproliferació vascular, la capacitat d'invasió i infiltració de les cèl·lules tumorals i un microambient immunològic particular. A més, a causa de la ràpida progressió dels astrocitomes de grau 4, en la zona de la lesió coexisteixen diferents regions específiques que canvien amb el temps. Aquesta naturalesa complexa, juntament amb la marcada heterogeneïtat interpacient, intratumoral i longitudinal fa que es complique l'èxit d'un únic tractament eficaç per a tots els pacients. L'imatge de ressonància magnètica (MRI) suposa una tècnica útil per a caracteritzar la morfologia i la vascularitat del tumor. L'ús de mètodes avançats i robustos per a analitzar les imatges de MR recollides en les fases inicials del tractament dels pacients permet la delimitació de les diferents regions dels astrocitomes de grau 4, convertint-se en eines útils per a investigadors, radiòlegs i neurocirugians. A més, el càlcul de biomarcadors vasculars d'imatge, com els proposats en aquesta tesi, facilitaria la caracterització del tumor, l'estimació del pronòstic i els enfocaments de tractament més personalitzats. Aquesta tesi proposa quatre pilars fonamentals per a avançar en el maneig dels astrocitomes de grau 4. Aquests inclouen I) la caracterització multinivell del tumor per a millorar les classificacions dels gliomes d'alt grau del SNC; II) la cerca i desenvolupament de biomarcadors robustos per a estimar el pronòstic dels pacients des del moment prequirúrgic; III) així com per a avaluar la resposta als tractaments i la selecció dels pacients que poden beneficiar-se de teràpies específiques; i IV) el disseny i implementació d'estudis clínics i protocols per a la recollida de dades a llarg termini de cohorts de pacients notables a nivell internacional. Per a abordar aquests quatre pilars, s'ha utilitzat un enfocament interdisciplinari que combina l'anàlisi d'imatges mèdiques, tècniques avançades d'intel·ligència artificial i variables moleculars, histopatològiques i clíniques. En conclusió, hem abordat la influència de l'heterogeneïtat interpacient i intratumoral del astrocitoma de grau 4 per a la caracterització i classificació del tumor, l'estimació del pronòstic del pacient i la predicció de les respostes al tractament. A més, s'han dissenyat i implementat diferents estudis clínics que permeten la recollida de dades multinivell de cohorts internacionals de pacients amb astrocitoma de grau 4.

[EN] Brain tumors are one of the most devastating diseases today because of the significant cognitive impairment suffered by patients, high mortality rates, and poor prognosis. Astrocytomas grade 4 bring five-year survival in approximately 5% of diagnosed patients, being the most aggressive and lethal tumors of the Central Nervous System (CNS). Astrocytomas grade 4 continue to be an unresolved complex medical problem. Despite accounting for more than 60% of malignant brain tumors in adults, these tumors have a low relative prevalence and are considered an orphan disease, making difficult developing new drugs or treatments that might benefit patients. The aggressiveness of these tumors is due to different characteristics, such as strong angiogenesis, necrosis, vascular microproliferation, the capacity of the tumor cells to invade and infiltrate, and a particular immune microenvironment. In addition, due to the rapid progression of astrocytomas grade 4, different specific regions coexist in the lesion area which change over time. This complex nature, along with the marked interpatient, intratumor, and longitudinal heterogeneity, makes complicate the success of a single efficient treatment for all patients. Magnetic Resonance Imaging (MRI) represents a useful technique to characterize tumor morphology and vascularity. Using advanced and robust methods to analyze MR images collected from initial stages of patient management allows the delineation of different regions of astrocytomas grade 4, becoming useful tools for researchers, radiologists and neurosurgeons. In addition, the calculation of imaging vascular biomarkers, such as those proposed in this thesis, would facilitate tumor characterization, prognosis estimation and more personalized treatment approaches. This thesis proposes four fundamental pillars to advance the management of astrocytomas grade 4. These include I) the multilevel characterization of the tumor to improve classifications of high-grade CNS gliomas; II) the search and development of robust biomarkers for estimating patient prognosis from the presurgical moment; III) as well as for evaluating the response to treatments and the selection of patients who may benefit from specific therapies; and IV) the design and implementation of clinical studies and protocols for long-term collecting data from internationally remarkable cohorts of patients. To address these four pillars, an interdisciplinary approach has been used that combines medical imaging analysis, advanced artificial intelligence techniques, and molecular, histopathological, and clinical variables. Concluding, we have addressed the influence of both interpatient and intratumor heterogeneity of astrocytoma grade 4 for tumor characterization and classification, patient prognosis estimation and predicting treatment responses. In addition, different clinical studies have been designed and implemented allowing the collection of multilevel data from international cohorts of patients with astrocytoma grade 4.