Deep-learning and MR images to target hypoxic habitats with evofosfamide in preclinical models of sarcoma

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作者
Bruna V. Jardim‐Perassi,Wei Mu,Su‐Ning Huang,Michal R. Tomaszewski,Jan Poleszczuk,Mahmoud A. Abdalah,Mikalai M. Budzevich,William Dominguez‐Viqueira,Damon R. Reed,Marilyn M. Bui,Joseph Johnson,Gary V. Martinez,Robert J. Gillies
出处
期刊:Theranostics [Ivyspring International Publisher]
卷期号:11 (11): 5313-5329 被引量:14
标识
DOI:10.7150/thno.56595
摘要

Rationale: Hypoxic regions (habitats) within tumors are heterogeneously distributed and can be widely variant. Hypoxic habitats are generally pan-therapy resistant. For this reason, hypoxia-activated prodrugs (HAPs) have been developed to target these resistant volumes. The HAP evofosfamide (TH-302) has shown promise in preclinical and early clinical trials of sarcoma. However, in a phase III clinical trial of non-resectable soft tissue sarcomas, TH-302 did not improve survival in combination with doxorubicin (Dox), possibly due to a lack of patient stratification based on hypoxic status. Therefore, we used magnetic resonance imaging (MRI) to identify hypoxic habitats and non-invasively follow therapies response in sarcoma mouse models. Methods: We developed deep-learning (DL) models to identify hypoxia, using multiparametric MRI and co-registered histology, and monitored response to TH-302 in a patient-derived xenograft (PDX) of rhabdomyosarcoma and a syngeneic model of fibrosarcoma (radiation-induced fibrosarcoma, RIF-1). Results: A DL convolutional neural network showed strong correlations (>0.76) between the true hypoxia fraction in histology and the predicted hypoxia fraction in multiparametric MRI. TH-302 monotherapy or in combination with Dox delayed tumor growth and increased survival in the hypoxic PDX model (p<0.05), but not in the RIF-1 model, which had a lower volume of hypoxic habitats. Control studies showed that RIF-1 resistance was due to hypoxia and not other causes. Notably, PDX tumors developed resistance to TH-302 under prolonged treatment that was not due to a reduction in hypoxic volumes. Conclusion: Artificial intelligence analysis of pre-therapy MR images can predict hypoxia and subsequent response to HAPs. This approach can be used to monitor therapy response and adapt schedules to forestall the emergence of resistance.

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