Standardization of intraperitoneal chemotherapy: pharmacologic guidance towards an optimal dosimetry method in peritoneal surface malignancy treatment

Abstract

Besides the lymphatic or hematogenous routes of dissemination, colorectal cancer (CRC) frequently gives rise to intraperitoneal (IP) spread of tumor cells in the peritoneal cavity, which ultimately leads to peritoneal surface malignancy (PSM). Tumor cells may exfoliate from the primary tumor into the peritoneal cavity preoperatively due to transserosal growth. IP spread of tumor cells may also be the result of surgical trauma that causes release of tumor cells from transected lymph or blood vessels or by manipulation of the primary tumor. The development of colorectal PSM is the result of the molecular crosstalk between cancer cells and host elements, involving several well-defined steps, together known as the peritoneal metastatic cascade (Chapter 1). The precise incidence of PSM is unknown due to low sensitivity of preoperative imaging techniques and heterogeneity of published methods and findings. Synchronous colorectal PSM occurs in approximately 7% of patients and 10 to 20% presents with metachronous disease. In the past, oncologists and surgeons assumed PSM was identical to distant metastases and as such, regarded it as an incurable component of intra-abdominal malignancy only open to palliative treatment options. In this setting, systemic chemotherapy resulted in no longterm survival, overall median survival of 12.6 to 16.8 months, and poor quality of life in the patients’ terminal stages of the disease. Based on the above-mentioned understanding of the pathophysiology of PSM, some treatment centers proposed a revised hypothesis suggesting that PSM is not a systemic disease but a local-regional disease which would benefit from a local-regional therapeutic approach. In the last decades, the therapeutic strategy of colorectal PSM has therefore changed considerably from a palliative approach to an approach with curative intent by the introduction of cytoreductive surgery (CRS) followed by hyperthermic intraperitoneal perioperative chemotherapy (HIPEC). At present, there is a clearly defined standardization regarding the CRS. Unfortunately, we are still lacking a much-needed standardization amongst the various IP chemotherapy protocols used in current clinical practice. Multiple randomized controlled trials to standardize each variable such as dose, volume of carrier solution, duration of perfusion, etc. towards an optimal HIPEC regimen are unlikely to be successful and will not be conducted. Instead, we should rely on validated bio-analytical assays (Part I) and utilize them in well-designed preclinical trials (Part II) to investigate each HIPEC parameter and build pharmacologic data. Subsequently, results generated in these preclinical trials need validation in well-designed randomized controlled trials (Part III) towards an improved and standardized HIPEC regimen. The main objective of this thesis was therefore to build pharmacologic data towards an improved and standardized HIPEC regimen in the treatment of colorectal PSM, by addressing the current variety in dosimetry. The current dosing regimens of IP chemotherapy can be divided into body surface area (BSA)-based and concentration-based protocols. In part I of this thesis, a high performance liquid chromatography – diode array detector method was validated for the quantification of mitomycin C in plasma, peritoneal fluid and urine (Chapter 2). Furthermore, a fully validated, highly sensitive, high throughput inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) method was provided to quantify the total platinum (Pt) content (derived from oxaliplatin and its intermediates) in plasma, plasma ultrafiltrate (UF), urine, peritoneal fluid and tumor nodules (Chapter 3). We also implemented a timeline assessing the total and unbound Pt fraction in plasma and UF. In this way, an indirect estimation can be made of the percentage of unbound Pt that has been lost due to protein binding during the process from plasma sampling to ultracentrifugation and storage. In part II of this thesis, a preclinical animal study was designed to build pharmacologic data towards an improved and standardized HIPEC procedure, focusing on the dosimetry of IP chemotherapy. Wag/Rij rats were IP injected with the rat colonic carcinoma cell line CC531. Animals were randomized into three groups: CRS alone or CRS combined with oxaliplatin-based HIPEC (either BSA- or concentration-based). Using the above-mentioned validated ICP-MS method, we clearly demonstrated that there is no difference in pharmacologic advantage (PA) between BSA-based or concentration-based HIPEC. Moreover, the PA does not provide any information about the true pharmacodynamic efficacy of the drug to treat the tumor nodule in the peritoneal cavity. We provide proof of principle that a higher IP concentration of the chemotherapeutic drug in concentration-based HIPEC results in a higher concentration of the drug in the tumor nodule at the end of the 30-minute HIPEC procedure. Median survival did not differ between the treatment groups. We considered apoptosis as a potential pharmacodynamic endpoint in order to try to correlate pharmacokinetic and pharmacodynamic parameters in determining tumor response. The next step was the translation of these preclinical results in a clinical setting (Part III). The current BSA-based and concentration-based HIPEC protocols were clinically and pharmacologically evaluated in a randomized non-blinded phase III clinical pilot trial, the COBOX trial. The results of the COBOX trial are completely in line with those generated in the preclinical trial. COBOX results contradict that the PA should be used as a parameter to assess the appropriateness of a given drug to be used during HIPEC. Even though there is no difference in PA between BSA-based and concentration-based HIPEC, the latter delivers the drug in the most standardized way at the level of the tumor nodule, resulting in increasing drug-derived Pt concentrations in the tumor nodule. We emphasize the importance of considering the tumor nodule as the pharmacokinetic endpoint rather than the PA of the drug. Moreover, concentration-based chemotherapy does not result in higher major morbidity rates, only health related quality of life is decreased at the end of the 3- month follow-up. A standardized HIPEC protocol is paramount in the design of future trials to confirm which patients would benefit from HIPEC and with which drug.

Colorectale kanker (CRC) veroorzaakt naast lymfogene en hematogene metastasering vaak een intraperitoneale verspreiding van tumorcellen in de peritoneale holte. Dit leidt uiteindelijk tot buikvlieskanker of peritoneale carcinomatose (PSM). Tumorcellen kunnen preoperatief afschilferen van de primaire tumor en kunnen als gevolg van transserosale groei in de peritoneale holte terechtkomen. Anderzijds kan de intraperitoneale verspreiding van deze losse tumorcellen het gevolg zijn van een chirurgisch trauma, het beschadigen van lymfe- of bloedvaten of door manipulatie van de primaire tumor. De ontwikkeling van colorectale PSM is het resultaat van verschillende moleculaire interacties tussen tumorcellen en gastheercellen, samen bekend als de peritoneale metastase cascade (Hoofdstuk 1). De correcte incidentie van colorectale PSM is echter niet gekend door de lage gevoeligheid van de bestaande preoperatieve beeldvorming en de heterogeniteit van de gepubliceerde methodes en resultaten. PSM wordt in 7% van de patiënten gedetecteerd tijdens de resectie van de primaire colon tumor. In 10 tot 20% van de patiënten ontwikkelt PSM zich pas achteraf. In het verleden veronderstelden oncologen en chirurgen dat PSM identiek was aan een distale metastase. Ze beschouwden het als een ongeneeslijke intra-abdominale maligniteit, met als enige optie palliatieve chemotherapie. Systemische chemotherapie resulteerde voor deze patiënten in een slechte levenskwaliteit en een mediane levensverwachting van 12.6 tot 16.8 maanden. Gebaseerd op de hierboven vernoemde pathofysiologie van PSM stelde een aantal centra een alternatieve hypothese voor. PSM wordt hierin beschouwd als een lokaal-regionale ziekte die baat zou kunnen hebben met een lokaal-regionale therapeutische benadering. In de laatste decennia is de therapeutische strategie van colorectale PSM daarom veranderd van een behandeling met een palliatieve intentie naar een behandeling met een curatieve intentie, met name cytoreductieve chirurgie (CRS) gevolgd door hypertherme intraperitoneale perioperatieve chemotherapie (HIPEC). Op dit moment bestaat er een duidelijk gedefinieerde standaardisatie met betrekking tot CRS. Helaas is er nog steeds geen standaardisatie wat betreft de variëteit aan intraperitoneale chemotherapie protocollen. Gerandomiseerde klinische studies om iedere parameter zoals dosis, volume van de oplossing, duur van de perfusie, enz. te standaardiseren zullen niet succesvol zijn. In plaats daarvan, moeten we gevalideerde bio-analytische methodes ontwikkelen (Deel I) en deze gebruiken in preklinische studies (Deel II) om elke HIPEC parameter te onderzoeken en farmacologische gegevens te genereren. Vervolgens moeten de resultaten van deze preklinische studies gevalideerd worden in gerandomiseerde, gecontroleerde klinische studies (Deel III). Het doel van dit proefschrift is daarom om farmacologische gegevens te genereren met als doel een geoptimaliseerd en gestandaardiseerd HIPEC protocol voor de behandeling van colorectale PSM. De focus is hierbij de huidige variëteit in dosimetrie, bestaande uit lichaamsoppervlak (BSA)-gebaseerde en concentratiegebaseerde protocollen. In deel I van dit proefschrift werd een high performance liquid chromatography - diode array detector methode gevalideerd voor de kwantificatie van mitomycine C in plasma, peritoneaal vocht en urine (Hoofdstuk 2). Daarnaast werd er ook een volledig gevalideerde, inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie (ICP-MS) methode ontwikkeld. Deze werd gebruikt om het totale platinum (Pt) gehalte (afkomstig van oxaliplatine en zijn intermediairen) te bepalen in plasma, plasma ultrafiltraat (UF), urine, peritoneaal vocht en tumor nodules (Hoofdstuk 3). Er werd ook een tijdlijn geïmplementeerd waarop de totale en ongebonden Pt fractie in plasma en UF wordt getoond. Op deze manier kan er een schatting gemaakt worden van het percentage Pt dat verloren is gegaan door eiwitbinding tijdens het proces van staalname tot plasma ultracentrifugatie en opslag. In deel II van dit proefschrift werd een preklinische dierstudie georganiseerd waarbij Wag/Rij ratten intraperitoneaal werden geïnjecteerd met de rat colon carcinoma cellijn CC531. De ratten werden gerandomiseerd in drie groepen: enkel CRS of CRS gecombineerd met oxaliplatine-gebaseerde HIPEC (hetzij op basis van BSA of op basis van concentratie). Met behulp van de gevalideerde ICP-MS methode, hebben we aangetoond dat er geen verschil is in farmacologisch voordeel (PA) tussen BSA-gebaseerde of concentratiegebaseerde HIPEC. Bovendien geeft de PA geen informatie over het farmacodynamische effect van het chemotherapeuticum voor het behandelen van de tumor nodule in de peritoneale holte. Een hogere intraperitoneale concentratie van het chemotherapeuticum tijdens concentratie-gebaseerde HIPEC resulteert in een hogere concentratie van de drug in de tumor aan het einde van de 30-minuten durende HIPEC procedure. De mediane overleving verschilde niet tussen de groepen. Verder beschouwden we apoptose als een potentieel farmacodynamisch eindpunt om zo farmacokinetische en farmacodynamische parameters te correleren bij het bepalen van de tumorrespons. De volgende stap was de vertaling van deze preklinische resultaten in een klinische setting (Deel III). De huidige BSA-gebaseerde en concentratie-gebaseerde HIPEC protocollen werden klinisch en farmacologisch geëvalueerd in een gerandomiseerde niet-geblindeerde fase III klinische pilootstudie, de COBOX studie. Zowel in de COBOX als de preklinische studie komen we tot dezelfde conclusie. De COBOX resultaten contrasteren dat de PA moet gehanteerd worden als een parameter om de effectiviteit van een bepaald chemotherapeuticum tijdens HIPEC te bepalen. Hoewel er geen verschil is in PA tussen BSAgebaseerde en concentratie-gebaseerde HIPEC, levert concentratie-gebaseerde HIPEC het chemotherapeuticum op de meest gestandaardiseerde manier af op het niveau van de tumor, resulterend in hogere Pt concentraties in de tumor. We benadrukken het belang dat de tumor nodule beschouwd moet worden als het farmacokinetische eindpunt in plaats van de PA van de drug. Bovendien leidt concentratie-gebaseerde chemotherapie niet tot een hogere morbiditeit. De levenskwaliteit van deze patiënten, aan het einde van de drie maanden follow-up, is echter lager in vergelijking met patiënten behandeld met BSAgebaseerde HIPEC. In de toekomst is een gestandaardiseerd HIPEC protocol van het grootste belang om grootschalige gerandomiseerde studies te organiseren met als doel het bepalen welke patiënten baat zullen hebben bij HIPEC en bovendien het bepalen van het meest geschikte chemotherapeuticum.