Endoscopie au laser avec f luorescence et photochimioth6rapie du cancer

P. SPINELLI

Director, Service of Endoscopy, National Cancer Institute, Milan (Italy)

Endoscopic laser-fluorescence and photochemotherapy of cancer

RI~SUMI~

L'injection intraveineuse de DPH (d6riv6 d'h6matoporphyrine) chez un patient porteur de cancer est suivi d'une fixation du produit dans le tissu malin en proportion plus 61ev6e et pendant une p6riode plus longue que dans le tissu sain.

Apr6s absorption du DHP, le tissu tumoral produit une fluorescence rouge lorsqu'il est excitd par la lumibre violette de 400-410 nm. Cette propri6t6 est utilis6e dans le diagnostic de cancer.

Lorsque le tissu est illumin6 en lumi/~re rouge, un effet cytotoxique apparait : cette caract6ristique est employ6e en th6rapeutique.

Apr6s injection de DHP, les tumeurs endocavitaires peuvent ~tre diagnostiqu6es et trait6es par irradiation laser transmis par fibres optiques au cours d'exploration endoscopique,

SUMMARY

When HPD is injected intravenously in a patient presenting with cancer, it is incorporated by malignant tissue in higher proportion and remains longer in it than in healthy tissue.

Once HPD has been absorbed, fluorescent red is produced by the malignant tissue when it is excited by violet light o f 400-410 nm. This property is used for the diagnosis of cancer.

When the tissue is illuminated with red light, the cytocidal effect develops : this property is used for therapy.

After injection of HPD, intracavitary tumors can be diagnosed and treated by laser radiation conveyed by optic fibers inserted transendoscopically into the cavity.

INTRODUCTION

La photochimioth6rapie utilisant les d6riv6s de l'h6matoporphyrine (DHP) et un rayon laser combine l'utilisation de cette drogue et du faisceau lumi- neux.

Lorsqu'un rayon laser de Iongueur d'onde 630- 640 nm est dirig6 sur du tissu tumoral apr6s incor- poration de la substance photosensible, en i'occur- rence le DHP, il entra~ne par action photodynami- que un effet cytotoxique limit6 au tissu tumoral. Lorsque le DHP et le rayon laser sont utilis6s s6par6ment au lieu d 'f tre associ6s, ils n'entrainent aucune modification au niveau de la tumeur [I].

Le DHP est d6riv~ de l'h6matoporphyrine trait6e par HC1 et soumise ~ une ac6tylation avec hydro-

lyse [2]. Apr~s administration intraveineuse, le d6riv6 est incorpor6 de faqon pr6f6rentielle au ni- veau des tissus reticuloendoth61ial et tumoral. Le tissu n6oplasique incorpore des quantit6s sup6rieures de DHP (4 h 10 fois plus que le tissu normal voisin) et la drogue y persiste plus longtemps [3, 4]. Cette persistance au niveau du tissu tumoral peut 6tre exploitde pour ses propri6t6s particuli~res et ceci de deux fa~ons : primo, le fait que le tissu ayant absorb6 le DHP permet une fluorescence rouge caract6ristique lorsqu'il est excit6 par une lumi~re violette de 400-410 nm 6mise par un laser Kripton [5]; secundo, par le fait que le d6riv6 DHP a une action cytotoxique limit6e au tissu tumoral Iorsqu'il est 6clair6 en lumibre rouge (630-640 nm) 6mise par un laser ~t colorant Rhoda- mine B.

Tir6s h par t : P. SPINELL1, Istituto Nazionale Tumori. 20133 Milano (Italy).

Mots-clgs: cancer, diagnostic, endoscopie, fluorescence, h6matoporphyrine, laser, traitement.

Key-words : cancer, diagnosis, endoscopy, fluorescence, hematoporphyrine, laser, treatment.

Acta Endoscopica Volume 13 - N O 3 - 1983 201

Figure 1

Injection I.V. de DHP. - - Incorporation par le tissu malin. - - Irradiation avec rayon laser lumiere rouge (630 nm), conduisant ~t un effet cytotoxique par production d'oxygene singulet limite a la zone de tissu tumoral.

- - HPD is injected i.v. - - Malignant tissue takes it. - - Irradiation with laser red light (630 nm) produces cytocidal effects by local production of singlet oxigen limited to malignant tissue.

La fluorescence peut 6tre utilis6e dans un but diagnostique, en vue de localiser des tumeurs non identifi6es, de distinguer le tissu tumoral des 16sions inflammatoires, ou de confirmer le diagnostic de 16sion maligne et de d6terminer les limites exactes de son extension.

L'action photodynamique ~t vis6es th6rapeuti- ques, reposant sur I'action cytotoxique bien connue, est utilis6e en vue de traiter les tumeurs malignes et constitue le premier mode de traitement s~lectif du cancer. Ceci signifie que l'agression par le sys- t~me laser-DHP est limit6e au tissu tumoral sans alt~rer le tissu sain voisin.

Ce mode th6rapeutique a 6t~ appliqu~ aux Etats- Unis voici quelques ann6es et il s'est ensuite lar- gement r6pandu dans le traitement des 16sions su- perficielles, notamment en endoscopie. Les auteurs japonais ont appliqu6 la photochimioth6rapie aux affections respiratoires et digestives selon un pro- c6d6 illustr6 dans la figure 1. La photochimioth6- rapie endoscopique s'est rapidement 61argie h toute une s6rie d'applications dans le domaine des tu- meurs visc6rales. En pareil cas, la lumi~re rouge est focalis6e b. l'extr6mit6 proximale d'une fibre optique, dont la partie distale est introduite dans le canal op6rateur de l 'endoscope et irradie la 16sion tumorale.

L'instrumentation et les modalit6s op6ratoires different selon que les applications ont une vis6e diagnostique ou th6rapeutique. Les applications diagnostiques exploitent la propri&6 bas6e sur le p rincipe de Stake, h savoir le fait que les rayons emzs par ie corps fluorescent sont de longueur d 'onde plus longue que ceile de la lumi~re violette incidente. Ainsi, lorsque l'arbre bronchique ou l 'estomac d'un sujet soumis /a I'injection intravei- neuse de DHP, est irradi6 par une lumi~re UV

de 410 nm 6mise par un laser Kripton, la lumi/~re fluorescente rouge sera 6mise par le tissu n6opla- sique pr6sent dans l'organe. L'intensit6 de cette 6mission de lumi6re rouge est faible, ce qui n6ces- site i'adaptation ~. l 'endoscope d'un syst~me d'in- tensification de l'image. Le systbme DHP ~ laser UV Kripton --* endoscope ~ image intensifi6e, permet de d&ecter de tr~s petites 16sions qui n'eussent pas 6t6 d6tect6es par l'endoscopie et de confirmer ce diagnostic par biopsie transendo- scopique (fig. 2). Le proc6d6 de manipulation se d6roule de la fa~)on suivante :

I) Injection I.V. de DHP suivie d'un temps de latence de 48 h 72 heures, jusqu'h obtenir une absorption 6levee par le tissu tumoral el une r~duc- tion de concentration au niveau du tissu normal. Le produit a une demi-vie d'environ 25 heures lorsqu'on utilise une dose de 2,5-5 mg/kg et il est 61imin~ par le tractus digestif.

2) L'irradiation de la zone cible s'effectue par un rayon laser Krypton transmis par une fibre optique en quartz de 400/z introduite b. travers l'un des deux canaux d'un fibroscope (le deuxi~me ca- nal est utilis6 pour les pinces ~. biopsie).

3) L'endoscope est reli6/~ un syst~me d'intensi- fication de I'image, qui accroit 30 000 fois l'intensit6 du signal transformant la faible impulsion de fluo- rescence rouge en un vert brillant.

f

Figure 2

- - Fluorescence laser-DHP ~ visees diagnostiques - - Injection:-I.~,de .[3~P suivie de :son incorporation dans !a zone de tissu malin~ " - - Irradiation du tissu par laser Krypton a travers une fibre optique en quartz. - - L'endoscope (en I'occurrence un bronchoscope), est connecte

un agranclisseur d'image et le signal fluorescent intensifie est visible sur un ~cran de television.

Diagnostic HPD-laser fluorescence. - - HPD, injected i.v. is taken by an area of malignant tissue. - - Irradiation with Krypton laser reaches the malignant area conveyed by a quartz f iber; the endoscope (in this case a bronchoscope) is connected to an image intensifier and the fluorescent intensified signal is visible on the T.V. screen.

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4) Des biopsies sont pr61ev6es au niveau du site de production de la fluorescence en vue d'une confirmation histologique de l'observation optique.

Par ailleurs, les applications th6rapeutiques sont d6riv6es de reffet tumoricide du rayon laser 630- 640 nm au niveau de tumeurs impr6gn6es de DHP. Les tumeurs exophytiques saillantes dans la cavit6 visc6rale feront principalement l'objet d'un traite- ment palliatif, alors que les 16sions pr6canc6reuses et les tumeurs au d6but ou localis6es, b6n6ficie- ront par syst~me DHP-laser d'un traitement v6dta- blement curatif.

Dans la perspective th6rapeutique, le proc6d6 est ie suivant :

I) Le DHP est inject6 par voie intraveineuse h une dose de 2,5 ~ 5 mg/kg de poids corporel.

2) 48 /a 72 heures apr~s injection, la tumeur est irradi6e avec un rayon laser 630 h 640 nm produit par un laser colorant (Rhodamine B) 6quip6 sur un syst~me argon. Le rayon laser colorant Rho- damine B, transmis dans la cavit6 visc6rale par une fibre optique introduite par voie endoscopique, irradie le tissu tumoral pendant l0 h 20 minutes. L'irradiation peut 6tre r6p6t6e ~ diff6rents inter- valles, pour autant que le DHP soit pr6sent dans la tumeur.

3) L'6volution des 16sions irradi~es est contr6- 16e. Le lendemain, un ced~me apparait, d61imitant les bords des parties non irradi6es, la n6crose commence ; elle atteint son maximum entre le 4 ~' et le 6 ~ jour, entrainant une r6duction du volume tumoral. La fr6quence des contr61es est d6termi- n6e en fonction de r6volution, ainsi que selon la n6cessit6 de traitements ult6rieurs.

Des r6sultats tr~s int6ressants ont 6t6 obtenus par cette technique et ils devraient 6tre indiscuta- blement meilleurs encore en am61iorant des points de m6thodologie et les conditions de traitement. Le nombre de cas ainsi trait6s dans le monde ne d6passe pas le miilier, et parmi ceux-ci figurent des tumeurs, des m&astases, des r6cidives, loca- lis6es ~ ia surface du corps ou au niveau des cavit6s visc6rales, ces derni~res 6videmment trai- t6es par voie endoscopique.

Notre exp6rience personnelle concerne le traite- ment de 16sions trach6o-bronchiques, cesogastri- ques et rectocoliques, avec des r6sultats positifs

ou de r6gression de plus de 50 % dans les cas de tumeurs exophytiques et reperm6abilisation de visc~res respiratoires ou digestifs obstru6s. Bien que cette exp6rience ne soit pas suffisante pour en tirer une conclusion finale, elle permet d'en- trevoir les limitations, les dangers, les possibilit6s et avantages de ce type de traitement.

Les techniques diagnostiques et th6rapeutiques en relation avec rapplication de DHP et de laser sont en plein d6veloppement. En ce qui concerne le diagnostic, nous pouvons entrevoir les possi- bilit6s suivantes :

a) localiser des zones de dysplasie s6v~re ou de carcinome submacroscopique au niveau de rarbre bronchique, de l 'estomac et du c61on, 16sions qui sans ce proc6d6 seraient rest6es m6connues, sauf par rhistologie ;

b) 6tablir le diagnostic diff6rentiel entre 16sions inflammatoires et alt6rations tumorales, discrimi- nation particuli6rement difficile lorsque les tumeurs de petite taille sont suspect6es au niveau des trac- tus respiratoire et digestif ;

c) faciliter l'identification de la tumeur d'origine responsable de la production de cellules tumorales d6tect6es dans le mat6riel d'expectoration chez des patients pr6sentant un cancer pulmonaire oc- culte, c'est-5.-dire non reconnu par la radioiogie et rendoscopie ;

d) mettre en 6vidence des m6tastases ou exten- sions locales au niveau du tractus digestif, respira- toire ou de la vessie ;

e) d&erminer les limites de la chirurgie en rap- port avec ia localisation pr6cise des tumeurs ;

f) reconnaRre pr6cocement rapparition d'une r6cidive.

Les limitations du diagnostic et en particulier les faux n6gatifs sont li6s 5. la pr6sence 5. la surface des tumeurs, de zones de n6crose, de caillots, ou au fait que le tissu tumoral est recouvert par de la muqueuse saine.

En ce qui concerne la th6rapeutique, i'applica- tion palliative de la technique dans les cas de tu- meurs non traitables par les techniques tradition- nelles ainsi que rapplication curative en cas de petites tOmeurs, constituent des perspectives 5. d6- velopper.

REFERENCES

DOUGHERTY T.J., KAUFMAN J.E., GOLDFARB A., WEISHAUPT K.R., BOYLE D., MITTLEMAN A . - Photoradiation therapy for the treatment of malignant tu- mors. Cancer Research, 1978, 38, 2628-2635.

LIPSON R., BALDES E., OLSEN A. - - The use of a derivate of hematoporphyrine in tumor detection. J. Natl . Cancer Inst . , 1961, 26, 1-8.

3. TOMIO L., REDDI E., JORI G., ZORAT P.I., PIZZI G.B., CALZAVARA F. - - Hematoporphyrine as a sen- sitiser in tumor phototherapy. In : Laser in photomedicine

and photobiology. R. Pratesi and C.A. Sacchi, Eds, pp. 76-82. Springer, Berlin-New York, 1980.

4. TOMIO L., ZORAT P.L., JORI G., REDDI E., SALVA- TO B., CORTI L., CALZAVARA F. - - Elimination path- way of hematoporphyrine from normal and tumor-bearing rats. Tumori, 1982, 68, 283-286.

5. PROFIO E.A., DOIRON D.R., KING E.G. - - Laser fluo- rescence bronchoscope for localization of occult lung tumors. Med. Phys . , 1979, 6, 523-525.

6. HAYATA Y., KATO H., KANOKA C., ONO J., TAKI- ZAWA N. - - Hematoporphyrine derivative and laser photo-

Acta Endoscopica Volume 13 - N ~ 3 - 1983 203

radiation in the treatment of lung cancer. Chest, 1982. 81, 269-277.

7. OKUDA S. - - Diagnostic laser fluorescence and photo- chemiotherapy. XXIV Postgraduate course on clinical oncology, Veronesi V., Emanuelli H., Gennafi L., Spi- nelli P. eds., CEA, Milan, 1983.

8. DOUGHERTY T., GR1NDEY G., FIEL R.. WEISHAUPT

9.

K., BOYLE D. - - Photoradiation therapy : cure of animal tumors with hematoporphyrine and light. J. Natl. Cancer lnst., 1975, 55, 115-12 I.

OKUDA S., MIMURA S.. ICHII M.. TATSUTA M. - - Experimental and clinical studies on HPD photoradiation therapy for upper gastro-intestinal cancer. International symposium on porphyrins in tumor phototherapy, Andreo- ni A., Cubeddu R. eds., Plenum Press, New York, 1983.

I N T R O D U C T I O N

Photochemotherapy with hematoporphyrin deri- vatives (HPD) and laser uses the combined action o f drug and laser beam.

When the laser beam with a wavelength of 630-640 nm, is directed to the tumoral tissue after incorporation o f the photosensitive substance, in this case HPD, it causes a cytocidal effect limited to the tumoral tissue, refered to as photodynamic action. When HPD and the laser b e a m are used separately in the way they are used together, they do not cause any modification of the tumor [1].

HPD is derived from hematoporphyrin treated with HCI and subjected to acetylation and hydro- lysis [2]. After IV administration, it is incorporated preferentially by reticuloendothelial and tumoral tissue. Neoplastic tissue incorporates higher quan- tities o f HPD (4 to 10 times more than normal tissue) and the drug remains longer in it [3, 4]. Its persistence in tumoral tissue can be exploited in relation to its particular properties in two ways : first, in relation to the fact that the tissue which has absorbed HPD emits a characteristic red fluorescence if excited by 400-410 nm violet light emitted by a Kripton laser [5] ; secondly, in rela- tion to the fact that HPD has a cytocidal effect restricted to the tumoral tissue which has absorbed it when it is illuminated with 630-640 nm red light emitted by a Rhodamin B dye laser.

Fluorescence can be used for diagnostic purpo- ses n to localize unnoticed tumors, to differentiate tumoral from inflammatory lesions, or to confirm the diagnosis o f malignant and to determine the exact limits o f its extension. Photodynamic action is the basis for therapeutic applications, and thanks to the well-known cytocidal effect, it is used to treat malignant tumors, constituting the first selec- tive treatment o f cancer. This means that the injurious action o f the laser-HPD system is limited to tumoral tissue without involving the surrounding healthy tissue.

Therapeutic application of this system began in the United States a f ew years ago, and it is ra- pidly becoming widely used in superficial treatments as well as endoscopically. Japanese investigators have applied photochemotherapy to respiratory as well as digestive affections, according to the pro- cedure shown in Fig. 1. Endoscopic photochemo- therapy has a rapidly expanding range of appli- cations in visceral tumors. In these cases, red light is focalized on the proximal end of an optic

f iber the distal end o f which, introduced in the operative canal o f an endoscope, irradiates the tumoral lesion.

Instrumentation and operative modalities in diag- nostic applications are different from those used in therapeutic ones. Diagnostic applications exploit the fluorescent property, which is based (Stake's principle) on the fact that the rays emitted by a fluorescent body have a longer wavelength than the incident violet rays. Thus, when the bronchial tree or the stomach o f a subject who has been administered HPD intravenously, is irradiated with UV light o f 410 nm wavelength produced by a Krypton laser, red fluorescent light will be emitted by any neoplastic lesion that might be present. The intensity o f the red light emission is low so that an image intensifier needs to be adapted to the endoscope in order to detect it. The HPD

UV ~ Krypton laser ~ endoscope ~ image intensifier system makes it possible to detect very small lesions which would otherwise not be detec- ted endoscopically and to confirm the results by transendoscopic biopsy (Fig. 2). The specific pro- cedure is as follows :

1) I.V. injection o f HPD and 48 to 72 hour- waiting until absorption by tumoral tissue is highest and concentration in normal tissue reduced. The compound has a half-life o f about 25 h with the usual dose o f 2.5-5 mg/kg and it is eliminated by the digestive tract.

2) Irradiation o f the target area with a beam from the krypton laser conveyed by a 400 tz quartz optic fiber which is passed through one o f the 2 channels o f a fiberscope (the biopsy forceps being passed through the second channel).

3) Connection o f the endoscope to the image intensifier, which increases the signal 30 000 times, turning the weak impulse o f fluorescent red to a brilliant green.

4) Biopsy sampling in the site o f production o f the fluorescence for histologic confirmation of the optic observation.

On the other hand, therapeutic applications are derived from the known tumoricidal effect that a 630-640 nm - - laser beam has on tumors impre- gnated with HPD. Tumoral lesions protruding in

cavity will thus receive mainly a palliative treat- "nent, whereas premalignant lesions, early or loca- lized tumors, will benefit from curative treatment with the HPD laser system. In this case the proce- dure is as follows :

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1) HPD is injected intravenously at doses of 2.5 to 5 mg/kg body weight.

2) 48 h-72 h after the injection, the tumor is irradiated with a 630 to 640 nm red laser beam produced by a staining laser (Rhodamine B) sup- ported by an argon laser. The Rhodamine B dye laser beam, transmitted by an optic fiber inserted transendoscopically into the cavity, irradiates the tumoral lesion for 10 to 20 min. Irradiation may be repeated at various intervals, as long as there is a reason to believe that the HPD is still in the tumor.

3) The evolution o f the irradiated lesion is controlled. The following day, edema appears with deliminations o f the non-irradiated margins, necro- sis begins, reaching a peak between the 4th and the 6th day, causing reduction o f the tumor. Ac- cording to the evolution, the frequency o f controls is determinated as well as the necessity for further treatments.

Highly interesting results have been achieved by this technique and even better ones will un- doubtedly be obtained by improving a series of methodologic factors and treatment conditions. The amount o f cases treated throughout the world has not yet reached I 000, among primary tumors, me- tastases, relapses, localized on the surface o f the body or in cavities, therefore treated endoscopically. Our experience consists o f treatments o f tracheo- bronchial, esophagogastric and rectocolic lesions with consistent results o f regression of more than 50 % o f the lesion in cases o f protruding tumors and recanalization o f obstructed respiratory or di- gestive tracts.

Although it is not large enough to draw any final conclusions, our experience does allow us to

anticipate some o f the limitations, dangers, possi- bilities and advantages o f this type of treatment.

The diagnostic and therapeutic techniques rela- ted to the application o f HDP and laser are deve- lopping. Regarding diagnosis, we can foresee the possibility to :

a) localize areas o f severe dysplasia and sub- macroscopic carcinoma at the bronchial, gastric and colic level, which would otherwise go unnoti- ced, except histologically ;

b) make the differential diagnosis between in- f lammatory and tumoral type o f alteration, which is particularly difficult when tumors o f a small size are suspected in the respiratory or digestive tract ;

c) help identify the site o f origin of malignant tumor cells detected in the sputum of patients pre- senting with occult cancer o f the lung, i.e. cancer unidentified radiologically or endoscopically ;

d) reveal metastatic processes or local exten- sions, in the digestive tract, the respiratory tract or in the urinary bladder ;

e) determine the limits o f surgery in relation to the precise localization o f the tumor ;

j~ precociously identify the onset o f a relapse.

Diagnostic limitations and therefore false nega- tives are, however, bound to the presence of patches o f necrosis on the surface of the tumor, blood clots, o f the fact that the malignant tissue remains covered by healthy mucosa.

Regarding therapeutics, palliative application of the technique in the case of tumors not treatable by traditional procedures, as well as curative ap- plication in the case o f small tumors, are both considered fields o f development.

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