DE3788812T2 - Verfahren zum Nachweis von Krebs durch Anwendung von kernmagnetischer Resonanz. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zum Erkennen von Krebs in einem lebenden Patienten.
• In der vorbekannten Technik sind Versuche, welche das kernmagnetische Resonanzverfahren oder Kernresonanzverfahren als Hilfsmittel zur klinischen Diagnose von Krebs einsetzen, wohlbekannt.
• Damadian hat als erster die Verwendung der kernmagnetischen Resonanz (NMR) in der Medizin und zwar zur Erkennung von Malignomen vorgeschlagen. Siehe R. Damadian, "Tumor Detection by Nuclear Magnetic Resonance", Science 171 : 1151-1153 (1971). Das Damadian erteilte U.S.-Patent 3,789,832 betrifft einen Apparat und ein Verfahren zur Anwendung von kernmagnetischer Resonanz auf operativ entferntes Untersuchungsmaterial, um die Protonen-Relaxationszeiten von T&sub1; und T&sub2; zu messen, wobei diese Werte im Vergleich mit Werten für gesundes Gewebe als Indikation für Krebs angesehen wurden. Die Damadian erteilten U.S.-Patente Nr. 4,411,270 und 4,354,499 betreffen Apparat und Verfahren zur Krebserkennung durch bildgebende magnetische Kernresonanz und Abtasten von Ganzkörperproben.
• Einige andere Forscher berichteten ebenfalls, daß bei kernmagnetischer Resonanz die Relaxationszeiten (T&sub1;) für Wasserprotonen in Organen von tumortragenden Tieren höhere Werte als die entsprechenden T&sub1;-Werte für die Wasserstruktur in Organen von gesunden Tieren aufweisen. Siehe Frey et al, J. Natl. Cancer Inst. 49, 903 (1972); Inch et al, J. Natl. Cancer Inst. 52, 353 (1974); Iijima et al, Physiol. Chem. and Physics 5, 431 (1973); und Hazelwood et al, J. Natl. Cancer Inst. 52, 1849 (1974).
• Heutzutage ist trotz Ungewißheit bezüglich mechanistischer Einzelheiten wohlbekannt, daß in bösartigen oder malignen Zellen auftretende biophysikalische Veränderungen oft Änderungen des Protonen-NMR-Signals zur Folge haben. Siehe D.G. Taylor et al, "A Review of the Magnetic Resonance Response of Biological Tissue and Its Applicability to the Diagnosis of Cancer by NMR Radiology", Computed Tomography, 5 : 122-133 (1981). Solche Veränderungen bilden die physikalische Grundlage für die Erkennung von Tumoren durch Protonen-NMR-Bildgebung. Siehe R. Zimmerman et al, "Cerebral NMR: Diagnostic Evaluation of Brain Tumors by Partial Saturation Technique with Resistive NMR", Neuroradiology 27 : 9-15 (1985) und K. Ohtomo, "Hepatic Tumors: Differentiation by Transverse Relaxation Time (T&sub2;) of Magnetic Resonance Imaging", Radiology 155 : 421-423 (1985). Allerdings wird die NMR-Bildsynthese aufgrund von Zugänglichkeit und wirtschaftlichen Faktoren wahrscheinlich kaum weitverbreitet als Vorsorgeuntersuchungstest zur Erkennung von Malignomen eingesetzt werden.
• Protonen-NMR-Untersuchungen von herausgeschnittenen Tumoren sowie von Plasma und Serum von Versuchstieren und Patienten haben oft Unterschiede bei den Relaxationsparametern T&sub1;, T&sub2; und T&sub2;* als Funktion von Bösartigkeit gezeigt. Derartige Ergebnisse wurden von den Folgenden berichtet:
• L. McLachlan in "Cancer-induced Decreases in Human Plasma Proton NMR Relaxation Rates", Phys. Med. Biol. 25 : 309-315 (1980);
• F. Smith et al in "Nuclear Magnetic Resonance Imaging of the Pancrea&", Radiology 142 : 677-680 (1982);
• P. Beall et al in "The Systemic Effect of Elevated Tissue and Serum Relaxation Times for Water in Animals and Humans with Cancers", NMR Basic Principles and Progress, Hrsg. P. Diehl et al, 19 : 39-57 (1981);
• R. Floyd in "Time Course of Tissue Water Proton Spin-lattice Relaxation in Mice Developing Ascites Tumor", Cancer Res. 34 : 89-91 (1974);
• C. Hazelwood et al in "Relationship Between Hydration and Proton Nuclear Magnetic Resonance Relaxation Times in Tissues of Tumor Bearing and Nontumor Bearing Mice: Implications for Cancer Detection", J. Natl. Cancer Inst. 52 : 1849-1853 (1974); und
• R. Klimek et al in "A Discussion of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Relaxation Time of Tumors in Terms of Their Interpretation as Self-organizing Dissipative Structures, and of Their Study by NMR Zeugmatographic Imaging", Ginekol Pol. 52 : 493-502 (1981).
• Jedoch sind diese Methodologien aufgrund beträchtlicher Überschneidungen von Gruppen und geringer Unterschiede zwischen den Mittelwerten der Gruppen klinisch nicht von Nutzen.
• Die meisten der obengenannten Verfahren auf dem Stand der Technik beschreiben zwar die Anwendung von NMR auf die Untersuchung von Gewebe, doch werden bekanntlicherweise auch Körperflüssigkeiten einer solchen Untersuchung unterworfen. Dies wird beispielsweise von Beall et al, oben, beschrieben.
• In Pat. Abs Japan, 30/07/81 5(118), P-73) (790) 56-58649 wird die Messung der Konzentration von Milchsäure in einer Serumprobe durch Protonen-Kernresonanz vorgeschlagen. Pract. NMR Spect. Martin et al, 1980, Heyden & Son, S. 38-43 lehrt, daß die Gesamtbreite in halber Höhe einer Resonanzlinie von Relaxationsprozessen herrührt. Keines der Dokumente weist darauf hin, daß die Erkennung von Krebs aufgrund der Gesamtbreite in einer vorgegebenen Höhe einer Resonanzlinie von einer Lipidkomponente erfolgen könnte.
• Die voranstehenden herkömmlichen Untersuchungen und Verfahren sowie alle weiteren vorbekannten NMR-Verfahren zur Erkennung von Malignomen auf dem gegenwärtigen Stand der Technik stützen sich auf die Beobachtung des zusammengesetzten NMR-Signals aus allen Protonen in den aus Gewebe bzw. Blut erhaltenen Proben. Dieses zusammengesetzte Signal wird von den Protonen des Wassers dominiert, welche das NMR-Signal von anderen protonenhaltigen Bestandteilen der Probe undeutlich machen. In der Tat wurde herkömmlicherweise geglaubt, daß der scheinbare Zusammenhang zwischen Malignität und beobachteten Veränderungen der NMR-Parameter auf die "Veränderungen in der Wasserstruktur" zurückzuführen sei, um Frey et al, oben, zu zitieren.
• Bei anderen Anwendungen der Protonen-NMR-Spektroskopie wurde bekanntlicherweise das Signal von dem Lösemittel (beispielsweise Wasser) in einer Probe unterdrückt.
• Gegenwärtig ist noch kein verläßliches und statistisch eindeutiges NMR-Verfahren zur Diagnose des Vorhandenseins von Krebs in einem lebenden Patienten entwickelt worden.
• Demgemäß ist eine Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum und eines Apparats für das Diagnostizieren des Vorhandenseins von Krebs in einem lebenden Patienten.
• Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens, welches mittels einer Probe von einer dem Patienten entnommenen Körperflüssigkeit durchgeführt werden kann.
• Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Anwendung der NMR-Spektroskopie auf eine Weise, auf die die voranstehenden Zielsetzungen erreicht werden können.
• Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der Beschreibung der folgenden Erfindung wie folgt deutlich werden.
• Die Erfindung rührt von der Erkenntnis her, daß die Komponenten des NMR-Spektrums mit bedeutsamem vorhersagbarem Wert von anderen Materialien in der Probe maskiert werden können. Durch das Eliminieren der Maskierung, wie durch das Eliminieren des Wassersignals, wird das vorher maskierte Spektrum dieser Komponenten enthüllt.
• Gemäß der Erfindung wird eine Probe einer Körperflüssigkeit eines Patienten einer Kernresonanzspektroskopie unterworfen, um ein NMR-Spektrum zu erzeugen. Eine von einer nichtwäßrigen Komponente der Probe erzeugte Resonanzlinie wird ausgewählt und die Gesamtbreite dieser Resonanzlinie, z. B. bei ihrer halben Höhe, wird gemessen. Die so gemessene Gesamtbreite hat sich als statistisch verläßliche Maßnahme zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Krebs in dem Patienten erwiesen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Mittel zum Speichern eines vorgegebenen Wertes oder Wertebereichs, welche mit krebsfreien Personen assoziiert sind, vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen ist ein Mittel zum Vergleichen der gemessenen Linienbreite mit dem solchermaßen gespeicherten Wert bzw. Wertebereich.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Körperflüssigkeit Blut, Rückenmarkflüssigkeit oder Knochenmarkplasma; Blut ist besonders vorteilhaft. Die relevante Komponente ist Lipid und stammt vorzugsweise von den Methyl- und Methylengruppen der Lipoprotein-Lipide; und das Wassersignal wird unterdrückt, damit die Resonanzlinien der relevanten Komponenten ausgeprägter erscheinen.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 ein typisches, auf 360 MHz zentriertes NMR-Spektrum der nicht-wäßrigen Komponenten einer Plasmaprobe von einer gesunden Kontrollperson, welches gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;
• Fig. 2 ein NMR-Spektrum der selben Plasmaprobe, von welcher das Spektrum in Fig. 1 erhalten wurde, wobei dieselben Geräte und Impulsfrequenz verwendet wurden, jedoch ohne Unterdrückung der Wassersignale;
• Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Methyl- und Methylenbereichs in Fig. 1;
• Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, aber von einem Patienten mit einem nichtbehandelten Malignom; und
• Fig. 5 eine schematische Erläuterung eines erfindungsgemäßen Apparats.
• Das von menschlichem Blutplasma erhaltene Protonen-NMR-Spektrum mit unterdrückten Wassersignalen wird von den Resonanzen der Plasma-Lipoprotein-Lipide dominiert. Ohne Unterdrückung der Wassersignale werden die nicht-wäßrigen Resonanzen von den Wasserresonanzen praktisch überdeckt. Die Bildung von Mittelwerten der Signale ermöglicht die Beobachtung der Resonanzen einiger Komponenten, welche mit nicht-wäßrigen Komponenten der Körperflüssigkeit assoziiert sind, bei starken Magnetfeldern sogar in Gegenwart der Wasserresonanz. Allerdings erleichtert die Fähigkeit der modernen Spektrometer, die Wasserprotonenresonanz fast vollständig zu unterdrücken, die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung. Das Protonen-NMR-Spektrum von Plasma, mit unterdrückten Wassersignalen, ist im wesentlichen das von Plasma-Lipoproteinen und einigen Molekülen mit niedrigem Molekulargewicht. Die Protonensignale der Plasma- Proteine sind undeutlich, da sie einen breiten unscharfen Bereich mit nichtaufgelösten Resonanzen umfassen. Die schärferen Resonanzen der beweglicheren Lipoprotein-Protonen sind von diesem breiten Hintergrund überlagert.
• Fig. 1 zeigt ein Protonen-Spektrum einer gesunden Kontrollperson mit unterdrückten Wassersignalen, und Fig. 2 stellt ein Protonen-Spektrum derselben Probe ohne Unterdrückung der Wassersignale dar. Die abgeschnittene Resonanzlinie des Wassers in Fig. 2 ist mit A bezeichnet. Die Resonanzlinien zwischen 0 und 2 ppm (Teile auf eine Million der Resonanzfrequenz) stammen von den Methyl- und Methylengruppen der Lipoprotein-Lipide. Eine vergrößerte Ansicht dieses Bereichs des Protonen-Spektrums einer normalen Kontrollperson ist in Fig. 3 und eines Patienten mit nichtbehandeltem Malignom in Fig. 4 dargestellt. Folglich verwendet die vorliegende Erfindung bei ihren bevorzugten Ausführungsformen eine aus einer Reihe herkömmlicher Methoden zur Unterdrückung der Wassersignale, d. h. Methoden zur Unterdrückung des Wasserprotonen-NMR-Signals. Zahlreiche Methoden zur Unterdrückung des Wasserprotonen-NMR-Signals in anderen Zusammenhängen sind ausgearbeitet worden. Diese können allgemein in zwei Kategorien eingeteilt werden:
• (1) diejenigen, die darauf abzielen, das Wasserprotonen-Signal nicht anzuregen, z. B. rasch abtastende Korrelationsspektroskopie und das Verfahren der selektiven Anregung, und
• (2) diejenigen, die veranlassen, daß beim Zeitpunkt des Anwendens des Beobachtungsradiofrequenz-Impulses (rf-Impuls) die Magnetisierung der Wasserprotonen extrem gering ist, z. B. die Inversion-Recovery-Technik und Sättigung. Diese und andere Verfahren zur Unterdrückung von Lösemittelsignalen werden von P.J. Hore in "Solvent Suppression in Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance", Journal of Magnetic Resonance 55, 283-300 (1983) und der darin in den Fußnoten angegebenen Verweisliteratur beschrieben. Die bevorzugte Verwendung einer Methode zur Wassersuppression bei der vorliegenden Erfindung wird durch die eingeschränkte Fähigkeit des Apparats, zwischen dem Signal der Lösemittel-Protonen und denjenigen der relevanten Bestandteile oder Arten zu unterscheiden, bestimmt. Demgemäß würde ein ausreichend empfindlicher Apparat die Notwendigkeit der Unterdrückung der Wassersignale eliminieren.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Linienbreiten in halber Höhe der Resonanzen von Bestandteilen, z. B. Methyl- und Methylengruppen, assoziiert mit den Lipiden der Plasma-Lipoproteine, als die relevante Variable behandelt. Die Gesamtbreite in halber Höhe W½ (Linienbreite) einer NMR-Resonanzlinie ist umgekehrt proportional zu der scheinbaren Spin-Spin-Relaxationszeit (T&sub2;*), d. h. W½ = 1/πT&sub2;*.
• Das Verfahren der vorliegenden Erfindung funktioniert mit allen Lipid-enthaltenden Körperflüssigkeiten, z. B. Blut, Rückenmarkflüssigkeit oder Knochenmarkplasma. Vollblut, Serum oder Plasma können verwendet werden. Zwar kann die Untersuchung mit jeder solchen Lipid-enthaltenden Körperflüssigkeit durchgeführt werden, doch konzentrierte sich die Forschungsarbeit bislang auf Vollblut, Blutserum und Blutplasma. Im Blut sind die Lipide einschließlich Cholesterin, Triglyceriden und Phospholipiden, in Form von Lipoproteinen vorhanden. Die Untersuchung auf Krebs wird typischerweise in vitro durchgeführt, vorzugsweise mit Serum oder Plasma-.
• Die ausgewählte Flüssigkeit von einem krebsverdächtigen Patienten oder einer anderen auf Krebs zu untersuchenden Person wird einem Magnetfeld und Radiofrequenzenergie ausgesetzt, um ein Kernresonanzsignal zu erzeugen, welches dann verarbeitet wird, um einen Wert für den ausgewählten Parameter, z. B. W½, der lipiden Methyl- und/oder Methylenprotonen zu erhalten. Ein verhältnismäßig breiter Bereich von Protonenfrequenzen kann verwendet werden, z. B. 60 MHz und höher, vorzugsweise 200-400 MHz.
• Der erkannte Wert für den ausgewählten Parameter wird dann mit dem entsprechenden Parameter für die gesunden Kontrollpersonen verglichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Mittelwerte für Methyl und Methylen ermittelt und ein Mittelwert von 33 Hz oder niedriger (bei einer Protonenfrequenz von 360 MHz (8,45 T) oder 400 MHz (9,40 T)) wird als Indikation eines Malignoms betrachtet.
• Jedes herkömmliche moderne NMR-Spektrometer kann für die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bei den bevorzugten Ausführungsformen wird ein NMR-Spektrometer mit einem Magnet bei konstanter Feldstärke verwendet und das Signal Fourier-transformiert, wobei die Gesamtbreite in halber Höhe der Protonresonanzen von Methyl- und Methylengruppen der relevante Parameter ist.
• Die vorliegende Erfindung liefert statistisch und klinisch bedeutsame Unterschiede zwischen den Meßwerten der Linienbreite von Plasma-Lipoprotein-Lipiden von Patienten mit nichtbehandelten Malignomen, Patienten, welche wegen Malignomen in Behandlung sind, Patienten mit gutartigen Tumoren, schwangeren Frauen und Kontrollgruppen.
• Das folgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Von 214 Personen wurden Blutproben erhalten. Sechs Patienten wurden gestrichen, da ausreichende Unterlagen nicht erhältlich waren. Für die übrigen 208 liegen Daten vor. Zusätzlich zu Plasma-NMR-Messungen wurde bei den meisten Proben auch der HDL-Cholesterinspiegel gemessen. Normale Kontrollproben wurden von scheinbar gesundem Krankenhauspersonal erhalten. Patienten wurden sowohl aus der Gesamtheit der stationären als auch der Gesamtheit der ambulanten Patienten ausgewählt. Patienten mit nicht behandelten Malignomen, gutartigen Tumoren, und operativ korrigierbaren Zuständen wurden bei mehreren Gelegenheiten blind ausgewählt, indem die Blutproben aller präoperativer Patienten an einem vorgegebenen Tag einbehalten wurden. Patienten mit nicht-malignen Krankheiten wurden ebenfalls untersucht, um die Wirkung bestimmter Krankheiten auf die NMR-Meßergebnisse festzustellen. Insbesondere wurden Patienten mit Krankheiten, welche einen hohen Zellenumsatz (ulzeröse Kolitis, Schuppenflechte, Schwangerschaft), Stoffwechselstörungen (Nierenversagen, Leberversagen, Schilddrüsenüberfunktion, Diabetes) oder einen schlechten Ernährungszustand aufwiesen oder an einer ernsthaften Krankheit litten, gesucht. Auf der Grundlage einer gründlichen Überprüfung der Karte eines jeden Patienten auf klinische und pathologische Diagnose, auf das anhand von klinischen, radiologischen und Laboruntersuchungen nachgewiesene Ausmaß der Krankheit, und auf heilende Intervention wurden die Patienten in sechs Gruppen eingeteilt, wie in Tabelle 1 dargestellt.
• Blut wurde in EDTA-enthaltenden Vacutainer-Röhrchen gesammelt. In manchen Fällen wurden zum Vergleich mit EDTA-Proben auch mit Citrat versetzte Proben erhalten. Heparin oder jedes andere gerinnungshemmende Mittel hätten gleichermaßen verwendet werden können, um zu verhindern, daß das Blut zu einer nichtflüssigen Form gerinnt. Jede Probe wurde dann zum Ausscheiden der roten Blutkörperchen zentrifugiert und das obenaufschwimmende Plasma entfernt und bei der NMR-Analyse verwendet.
• Unter Verwendung von Bruker AM Puls-Fourier-Transformations- Spektrometern und eines Protonensensors mit 5 mM Außendurchmesser bei Radiofrequenzimpulsen von entweder 360 MHz oder 400 MHz wurden Protonen-NMR-Spektren erhalten. Alle Proben wurden in Röhrchen von 5 mm Außendurchmesser zubereitet, in den meisten Fällen mit mindestens 0,4 ml Plasma. Die Unterdrückung der Wassersignale wurde durch vorhergehende Sättigung erreicht, indem diskrete Radiofrequenz-Leistung an der Position der Wasserresonanz sechs Sekunden lang vor dem 90º Beobachtungsimpuls angelegt wurde. Der Mittelwert der Signale von sechzehn freien Induktionzerfällen wurde ermittelt und der resultierende freie Induktionszerfall wurde Fourier-transformiert, wodurch ein Spektrum wie das in Fig. 1 gezeigte entstand. Eine Vergrösserung des aliphatischen Bereichs (0-22 ppm) wurde grafisch ausgewertet und die Gesamtbreite in halber Höhe W½ der Resonanzen von Methyl (Linie C) und Methylen (Linie B) wurde gemessen. Der Mittelwert dieser beiden Werte W½ (B) und W½ (C), in Hz, wurde als der hinweisende Parameter verwendet. Zwischen 8,45 T (360 MHz) und 9,40 T (400 MHz) wurde kein merklicher Unterschied festgestellt. Um diese Ergebnisse im Vergleich zu früheren Methoden zu analysieren, wurden T&sub1;-Werte von Proben mit ausreichendem Plasmavolumen (0,8 ml) in einem IBM mini-spec model PC-20 NMR-Spektrometer unter Verwendung der Standardreihenfolge der Inversions-Recovery-Impulse bestimmt. Das zusammengesetzte Protonensignal wird bei 20 MHz beobachtet. Die solcherart erhaltenen Daten für jede der sechs Patientengruppen sind in Tabelle 1 auf der nächsten Seite zusammengefaßt.
• In Versuchen konnten durch die Messungen der Linienbreiten stets selbst so geringe Veränderungen wie um 1 Hz erkannt werden. Die TABELLE 1 Bezeichnung Kontrolle Bösartiger Tumor Nichttumoröse Krankheit Gutartiger Tumor Brust/Eierstock/Gebärmutter Endokrine Drüsen Prostata Schwangerschaft Behandelter bösartiger Tumor Anzahl Männlich Weiblich Alter Linienbreite T&sub1; HDL-Cholesterin
• a Ein Paient wurde vor der Behandlung getestet und mit fortschreitender Krankheit nach der Behandlung.
• b Vier Patienten wurden auch vor der Behandlung getestet.
• c Siehe Text für weitere Auswertung.
• ANMERKUNG: Insgesamt waren es 214 Patienten im Alter von 16 bis 91 Jahren.
• als Differenzen bei mehreren Bestimmungen bei derselben Probe ausgedrückte Reproduzierbarkeit der Messung betrug ebenfalls 1 Hz.
• Die Art des Tumors bzw. der Krankheit sind mitsamt dem Bereich der Linienbreite für jede Art in den untenstehenden Tabellen 2-5 angegeben. TABELLE 2 Anteilsmäßige Tumorverteilung und Bereich der Linienbreite bei den Patienten in Gruppe II Primärtumor Anzahl Bereich der Linienbreite Brust Magen/Darm (Colon-, Magen-, Bauchspeicheldrüsenkarzinom) Lymphome (diffus histiozytär, nodulär wenig differenziert) Leukämie-Arten (CLL, AMMOL, AML, CML) Urogenital (Prostata-, Blasen-, Hoden-, Nierenzellen, Eierstock-, Endometrium-, Teratokarzinom) Lunge (Adenokarzinom, Karzinom der squamischen Zelllen, Haferzellen) Zentrales Nervensystem (neurales Sarkom, Meningiom, Glioblastom) Kopf und Halz Verschiedene (Menanom, Thymom, Mesotheliom, Ewing-Sarkom) TABELLE 3 Tumorcharakteristik und Bereich der Linienbreite bei Patienten in Gruppe II Tumorcharakteristik Anzahl Bereich der Linienbreite Örtlich begrenzt invasiv Metastatisch Systemisch (Leukämiearten) TABELLE 4 Krankheitsverteilung und Bereich der Linienbreite bei Patienten in Gruppe III Krankheit Anzahl Bereich der Linienbreite kardiovaskulär Lunge orthopädisch Magen-Darm Sepsis endokrin Nieren Zentralnervensystem hämatologisch urogenital verschiedene TABELLE 5 Tumorverteilung und Bereich der Linienbreite bei Patienten in Gruppe VI Primärtumor Anzahl Bereich der Linienbreite Brust Magen/Darm Lymphome Leukämie-Arten Urogenital Lunge Zentralnervensystem Kopf und Hals Endokrine Drüsen Verschiedene
• Die Daten des Versuchs (Tabellen 1-5) zeigen einen bedeutsamen Unterschied zwischen Gruppe I und Gruppe II (p< 0,0001). Diese Daten zeigen, daß die Linienbreite von Lipoprotein-Lipid zwischen Patienten mit einer unkontrolliert wuchernden Krankheit und normalen Kontrollpersonen differenziert. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu Berichten aus dem gegenwärtigen Stand der Technik über verschiedene Messungen in Verbindung mit Versuchen, Patienten mit Malignomen zu unterscheiden. Zwei derartige herkömmliche Verfahren umfassen Plasmaspiegel von HDL-Cholesterin (HDL = Lipoprotein mit hoher Dichte) und den Parameter T&sub1; der NMR-Spin-Gitter-Relaxation für das gesamte Protonenspektrum von Plasma. Tabelle 1 zeigt eine geringe Steigerung des mittleren T&sub1; bei Gruppe II, jedoch eine bedeutende Überschneidung zwischen dieser Gruppe und der Kontrollgruppe. Die T&sub1;-Werte von 69% der Patienten lagen innerhalb 1 Standardabweichung von dem normalen Mittelwert, und 96% befanden sich innerhalb von 2 Standardabweichungen. Folglich erwies sich, daß die Messung des T&sub1; der gesamten Plasmaprotonen nicht auf Malignität hindeutete. In ähnlicher Weise war trotz des verringerten Mittelwerts von HDL-Cholesterin in Gruppe II die Überschneidung mit der Kontrollgruppe groß genug, um nicht diagnostisch zu sein.
• Bei Patienten mit gutartigen Tumoren (Gruppe IV) und Patienten mit nicht-malignen Krankheiten (Gruppe III) trat im Vergleich zu Gruppe I (0,05> p> 0,02) eine kleine Verringerung der mittleren Lipoprotein-Lipid-Linienbreiten auf. Die Gruppen III und IV unterscheiden sich beide deutlich von Gruppe II (p< 0,0001). Jedoch lag eine ausgeprägte Überschneidung zwischen schwangeren Frauen (Gruppe V) und der Gruppe II (p> 0,05) vor. Die Gruppe VI war klinisch gesehen am heterogensten und wies außerdem den breitesten Wertebereich der Linienbreiten auf.
• Festgestellt wurde, daß die Meßwerte zwar auf bösartige Krankheiten hindeuteten, nicht aber auf die Art des Tumors oder die Tumorcharakteristik (Tabelle 2).
• Durch die Biopsie-Befunde wurde bestätigt, daß bei allen Patienten in Gruppe IV gutartige Tumore vorlagen. Die mittlere Linienbreite bei Proben, welche von diesen Patienten kurz vor der Biopsie erhalten wurden, war geringer als der Mittelwert für normale, gesunde Erwachsene. Ein Vergleich der Patienten der Gruppen II und IV, welche aufgrund von gutartigen und bösartigen Tumoren zusammen untersucht wurden, deutet darauf hin, daß die Meßergebnisse der Linienbreite zwischen den beiden Gruppen unterscheidbar sind (Tabelle 3) (p< 0,0001). Ein älterer Patient mit gutartiger Prostatavergrößerung war die einzige Ausnahme, was die Möglichkeit eines kleinen, nichterkannten malignen Herdes bei diesem Patienten aufwirft.
• Die Patienten der Gruppe III wurden aufgrund ihrer nicht-tumorösen Krankheiten ausgewählt und schlossen ein breites Krankheitsspektrum (Tabelle 4) ein. Diese Gruppe umfaßte mäßig bis schwer Kranke, wobei der Schwerpunkt auf den schwer Kranken lag. Diese Gruppe wurde eigens so zusammengestellt, daß sie ältere Patienten, Patienten in einem schlechten Ernährungszustand, mit akuten Infektionen, Nierenversagen, endokrinen Anomalien, oder wuchernden, nicht-tumorösen Krankheiten (z. B. Polycythämie, ulzeröse Kolitis, Schuppenflechte) einschloß. Das Ziel bei der Auswahl dieser Patienten war, festzustellen, ob eine schwere Krankheit als solche in Abwesenheit eines klinisch oder pathologisch nachweisbaren Malignoms dieselben Linienbreiten-Meßergebnisse wie diejenigen von Patienten mit Malignomen zur Folge haben würde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß eine schwere oder wuchernde Krankheit allein keine mit der bei Malignomen auftretende vergleichbare Veränderung in der Linienbreite von Lipoprotein-Lipiden hervorruft. Allerdings wurde beobachtet, daß der Linienbreiten-Mittelwert bei dieser Gruppe niedriger als derjenige der Kontrollgruppe war (0,05> p> 0,02). Achtzehn der 46 Patienten, darunter einige Patienten mit akutem Myokardinfarkt, ulzeröser Kolitis, Polycythaemia vera und fibröser Degeneration des Knochenmarks, wiesen Werte innerhalb zweier Standardabweichungen vom normalen Mittelwert auf, wobei die übrigen etwas darunter lagen. Jedoch gab es nur bei einem Patienten in dieser Gruppe (Linienbreite = 33 Hz) eine Überschneidung mit den Malignom-Patienten der Gruppe II. Dies war ein Mann, Alter 28 Jahre, mit einem Nabelbruch.
• Eine kleine Gruppe schwangerer Frauen wurde ebenfalls in die Untersuchung einbezogen. Die logische Grundlage für die Auswahl dieser Patientinnen war die Annahme, daß, wenn die bei Malignomen beobachtete Veränderung rasches, wucherndes Wachstum widerspiegelt, schwangere Frauen Werte zwischen denen von Patienten mit gutartigen und bösartigen Tumoren aufweisen müßten. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, daß diese Hypothese richtig ist. Proben wurden von fünf Frauen kurz vor der Geburt, zwei Frauen am Anfang des dritten Trimesters, drei Frauen im zweiten Trimester, und zwei Frauen im ersten Trimester erhalten. Wie bei den Tumorpatienten konnte von einer einzigen Probe nicht auf die Größe des Fötus geschlossen werden, doch deutete sie auf eine wuchernde Aktivität hin.
• Gruppe VI bildet eine heterogene Mischung von Tumorpatienten, welche gerade in Behandlung sind bzw. eine solche vor kurzem abgeschlossen hatten (< 6 Monate), bei welchen es noch zu früh war, um ihr Ansprechen auf die Behandlung festzustellen. Diese Gruppe wies außerdem den größten Meßwertbereich der Linienbreiten auf, wie zu erwarten war (Tabelle 5), obwohl die Ergebnisse darauf schliefen lassen, daß Veränderungen in der Linienbreite des Lipoprotein-Lipids während der Behandlung bei einem einzelnen Tumorpatienten die Wirkung der Behandlung bei dem Patienten reflektiert. Daher kann eine Reihe von Messungen das Ansprechen des Patienten auf die Behandlung widerspiegeln.
• Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, wo ein Kernresonanz- (NMR)-Spektrometer 2, welches in der bevorzugten Ausführungsform in der Lage ist, Protonen-NMR-Spektroskopien durchzuführen und welches vorzugsweise, doch nicht notwendigerweise das NMR- Signal von Wasser unterdrücken kann. Das Spektrometer 2 ist so ausgebildet, daß es eine Probe 4, in diesem Beispiel in dem Reagenzglas 6 enthaltenes menschliches Blutplasma, untersuchen kann.
• Gemäß der Erfindung umfaßt das Spektrometer 2 das Mittel 8 zum Auswählen wenigstens einer und vorzugsweise mehrerer, beispielsweise zweier, NMR-Resonanzlinien in dem NMR-Spektrum der Probe 4 und zum Massen der Linienbreite der solchermaßen ausgewählten Linie bzw. Linien. Vorzugsweise wird die Linienbreite in halber Höhe der Linie gemessen, doch dies ist nicht notwendig und die Linienbreite kann bei jedem vorgebenen Bruchteil der Höhe der betreffenden Linie gemessen werden. Die Messung in halber Linienhöhe wird bevorzugt, da dies eine im Bereich der NMR-Spektroskopie durchgeführte Standardmessung ist.
• Das Spektrometer 2 hat einen herkömmlichen Aufbau und weist zusätzlich zu all seinen anderen Strukturen ein Mittel 10 zum Speichern eines Werts oder eines Wertebereichs. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine entweder direkt gemessene oder von mehreren solchen direkten Messungen abgeleitete Linienbreite mit einem Wert bzw. einem Wertebereich verglichen, welcher den bei normalen Patienten, d. h. krebsfreien Patienten, zu erwartenden Wert bzw. Wertebereich darstellt. Erfindungsgemäß weist das Spektrometer 2 außerdem ein Mittel 12 zur Klassifizierung der gemessenen oder abgeleiteten Linienbreiten als normal (d. h. krebsfrei) oder abnorm (krebsartig) auf der Basis der gespeicherten Werte auf. Dies kann durch Vergleichen, Subtraktion oder jeden anderen geeigneten mathematischen Vorgang erfolgen.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel 8 zum Auswählen und Messen so im voraus eingestellt, daß es die Linienbreiten der Methyl- und Methylengruppen der Lipoprotein-Lipide mißt. Dies kann durch Unterdrücken des Wassersignals in dem NMR-Spektrum der Probe 4 oder anderenfalls direkt erfolgen, falls das Spektrometer 2 dazu empfindlich genug ist.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Mittelwerte der Linienbreiten der Methyl- und Methylengruppen ermittelt, um eine zusammengesetzte Linienbreite, welche den mathematischen Mittelwert der beiden darstellt, zu erzeugen. Diese zusammengesetzte Linienbreite wird dann vorzugsweise mit 33 Hz, dem bevorzugt im Mittel 10 gespeicherten Wert, verglichen. Der Vergleich selbst wird durch das klassifizierende Mittel 12 ausgeführt. Wenn der Vergleich anzeigt, daß die zusammengesetzte Linienbreite geringer als 33 Hz ist, deutet dies auf eine abnorme (d. h. krebsartige) Probe 4 hin.

Claims (19)

1) Verfahren zum Diagnostizieren des Vorhandenseins von Krebs in einem lebenden Patienten, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Unterwerfen einer Probe einer Körperflüssigkeit des Patienten einer Kernresonanzspektroskopie, um ein NMR- Spektrum zu erzeugen, bei dem unerwünschte, maskierende Wassersignale unterdrückt wurden;

(b) Auswählen einer NMR-Resonanzlinie einer Lipidkomponente in dem Spektrum;

(c) Messen der Gesamtbreite der Resonanzlinie bei einem vorgegebenen Bruchteil ihrer Höhe; und

(d) Klassifizieren der so gemessenen Gesamtbreite in die Kategorie der normalen Gesamtbreiten oder der abnormen Gesamtbreiten.

2) Verfahren nach Anspruch 1, worin die Körperflüssigkeitsprobe die Probe einer Blutkomponente ist.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schritt des Unterwerfens einer Kernresonanzspektroskopie das Entnehmen einer vom Patienten erhaltenen Blutprobe, das Entfernen der roten Blutkörperchen hieraus und das Unterwerfen des Plasmas der Blutprobe einer Kernresonanzspektroskopie umfaßt.

4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Kernresonanzspektroskopie die Protonenresonanzspektroskopie ist.

5) Verfahren nach Anspruch 4, worin die Protonenresonanz oberhalb 60 MHz liegt.

6) Verfahren nach Anspruch 5, worin die Protonenresonanz im Bereich von 200 bis 400 MHz liegt.

7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin mehrere Resonanzlinien ausgewählt werden, deren Gesamtbreite bei einer vorgegebenen Höhe gemessen wird, und worin aus allen gemessenen Gesamtbreiten eine zusammengesetzte Linienbreite abgeleitet wird und in die Kategorie der normalen zusammengesetzten Linienbreiten oder die Kategorie der abnormen zusammengesetzten Linienbreiten klassifiziert wird.

8) Verfahren nach Anspruch 7, worin der Schritt des Ableitens den Schritt der Berechnung des rechnerischen Mittelwertes umfaßt.

9) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die mehreren Linien zwei sind.

10) Verfahren zum Erkennen von Krebs, umfassend:

(a) Ermitteln eines Wertes für mindestens einen NMR-Parameter für Kerne von mindestens einer Komponente eines Lipid-Bestandteils einer Lipide enthaltenden Körperflüssigkeit eines krebsfreien Subjekts;

(b) Unterwerfen desselben Typs einer Körperflüssigkeit eines auf Krebs zu diagnostizierenden Subjekts unter ein Magnetfeld und einer Energie im Radiofrequenzbereich zur Erzielung eines Kernresonanzspektrums;

(c) Verarbeiten des Kernresonanzspektrums, um einen Wert für den Parameter des Komponentenkerns zu erhalten;

(d) Vergleichen des im Schritt (a) ermittelten Wertes für den Parameter mit dem im Schritt (c) erhaltenen.

11) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Probe Blut, Blutplasma, Blutserum, Rückenmarkflüssigkeit oder Knochenmarkplasma ist.

12) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Gesamtbreite in halber Höhe der Resonanzlinie gemessen wird.

13) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Resonanzlinie(n) einer Methyl- und/oder Methylengruppen entsprechen.

14) Verfahren nach Anspruch 13, worin die Methyl- und/oder Methylengruppen mit Lipoprotein assoziiert sind.

15) Verfahren nach Anspruch 10, worin die Lipide enthaltende Körperflüssigkeit von einem zu diagnostizierenden Subjekt vor den Schritten (b) und (c), welche in vitro durchgeführt werden, entnommen wurden.

16) Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 15, worin der NMR-Parameter ein Mittelwert ist, der aus den Resonanzlinien der Methyl- und Methylenprotonen abgeleitet wurde.

17) Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 15 und 16, worin der Parameter die scheinbare spin-spin Relaxationszeit T&sub2;* ist.

18) NMR-Spektrometer, entworfen zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend:

(a) Mittel zum Erzeugen eines NMR-Spektrums von einer Probe;

(b) Mittel zum Unterdrücken unerwünschter, maskierender Wassersignale;

(c) Mittel zum Selektieren einer Resonanzlinie aus dem Spektrum von einer Lipidkomponente und zum Messen der Breite der Linie bei einem vorgegebenen Bruchteil der Höhe;

(d) Mittel zum Speichern eines Bereiches an Breitenwerten der Resonanzlinien; und

(e) Mittel zum Bestimmen, ob eine so gemessene Breite innerhalb des Wertebereiches liegt.

19) NMR-Spektrometer nach Anspruch 18, worin die Mittel zum Auswählen einer Resonanzlinie in der Lage sind, mehrere Resonanzlinien auszuwählen und die Breite dieser Linien bei einem vorgegebenen Bruchteil ihrer Höhen zu messen;

worin das Spektrometer ferner Mittel zum Ableiten einer zusammengesetzten Linienbreite aus allen Breiten umfaßt; und

Mittel zum Klassifizieren der zusammengesetzten Linienbreite in die Kategorie der normalen zusammengesetzten Linienbreiten und die Kategorie der abnormen zusammengesetzten Linienbreiten.