Noninvasive measurement of liver regeneration with [2-11C] thymidine and positron emission tomography

Au contraire, d’autres organes de mammifères, le foie à la propriété de se régénérer aux dépens de l’ensemble des cellules résiduelles après une réduction de sa masse fonctionnelle. Une méthode de mesure non-invasive, sensible et spécifique de cette régénération conditionnerait le pronostic et le traitement de patients en insuffisance hépatique. Elle permettrait également de mieux comprendre les mécanismes régulateurs de la croissance cellulaire.
La méthode de référence d’évaluation de la régénération hépatique consiste en la mesure de la radioactivité incorporée dans la fraction « ADN » après injection de thymidine marquée en 14C ou en 3H et n’est pas applicable en clinique humaine. Cette thèse rapporte une méthode originale et atraumatique de mesure de la régénération hépatique utilisant la thymidine marquée en 11C dont l’incorporation pourrait être suivie de manière externe à l’aide de la tomographie à émission de positron (TEP). Des études préliminaires in vitro utilisant de la thymidine marquée en 3H ou au 14C démontrèrent que pour distinguer les foies non encore en régénération (obtenus 1h après une hépatectomie de 70 % : NRM) des foies en régénération (obtenus 24h après l’hépatectomie : RL) il était nécessaire d’utiliser une thymidine marquée sur son deuxième carbone plutôt que sur son groupement méthyl.
Une mCi de thymidine marquée en 11C sur son deuxième carbone, [2 11 C]-thymidine, obtenue selon une synthèse originale en trois étapes et 50 µCi de thymidine tritiée (utilisée comme contrôle de la prolifération hépato-cellulaire) ont été injectées à 12 rats en régénération et 13 contrôles. Déjà 10 minutes après l’injection, les images tomographique montrèrent une captation hépatique du traceur, double dans les foies en régénération par rapport au groupe contrôle. Cette différence se maintenait tout au long de l’expérience pour être en moyenne de 2.16 ± 0.3 à 120 minutes. A ce moment, les rats furent sacrifiés et leurs foies excisés pour être remplacés ex vivo sous la TEP. La radioactivité moyenne était 8 fois plus élevée dans les foies en régénération par rapport au groupe contrôle. Un contraste similaire fut retrouvé au compteur γ où la radiocativité du foie total exprimée en % de la dose par gramme était de 0.62 ± 0.07 dans les RL versus 0.10 ± 0.03 dans les NRL (p<0.001) La perte de sensibilité des mesures in vivo par rapport aux mesures ex vivo et in vitro tient à l’erreur dite de volume partiel rencontrée lors d’études d’organes de petite taille. Ce problème ne devrait pas se rencontrer lors d’étude de plus gros animaux et lors d’études cliniques. La radioactivité 11C du foie total était en corrélation avec la radioactivité tritiée mesurée au niveau de l’ADN (r=0.92 p<0.001) ce qui confirmait la valeur de la [2-11C] thymidine pour la mesure in vivo de la régénération hépatique.
Comme des quantités importantes de [2-11C] thymidine peuvent être produite (actuellement jusqu’à 30 mCi), cette technique pourra être appliquée à des grand animaux et éventuellement à l’homme où elle pourra être d’une grand utilité après une hépatectomie partielle, une transplantation hépatique ou une insuffisance hépatique aigüe, vu son caractère atraumatique et reproductible

The liver is the only parenchymal organ in mammalians having a substantial capacity to regenerate after reduction of its functional mass. Even though proliferative activity in the adult liver is very low with mytosis particularly difficult to enumerate, most of the mature functional hepatocytes still keep their capacity for cell division. The re-entry of normally quiescent adult hepatocytes into the cell cycle during liver regeneration is a distinct phenomenon from the continuously dividing cell populations such as in the bone marrow, in the intestinal crypts or the other population types (Cleaver, 1967). Nevertheless, some stem cells exist in the liver but they operate only as source of new hepatocytes when the DNA synthesis is inhibited or when hepatocytes have been totally destroyed (e.g. some forms of fulminant hepatitis) (for review, see Michalopoulos, 1990).
Liver regeneration appears in response to partial, damaging action of toxins (e.g. CCl4), ischemia, viral infection, or administration of exogenous stimuli (e.g. α-hexachlorocyclohexane …) ‘Schulte-Hermann, 1974; Alison, 1986). Only the surgical procedure allows the suppression of a precise amount of hepatocyte, it also maintains entirely intact the survival cells, and avoids accumulation of inflammatory cells or necrotic tissues. Therefore, partial hepatectomy has been widely used as model of regeneration especially useful in the investigation of regulatory mechanisms of the regenerative process.
The regenerative response involves both hyperplasia and some degree of hypertrophy of the residual hepatocytes (as will be discussed in chapter I). Unlike the cell proliferation in hepatoma, it is abruptly interrupted once the functional mass of the liver has been restored. Therefore, liver generation demonstrates the remarkable ability of adult differentiated cells to regulate their replications, and is one of the few in vivo physiological systems in which the mechanism controlling both regulated and neoplastic growth van be analyzed. From such studies, information can be obtained on the role of cellular proliferation in the development of chemically and virally induced liver tumours, and on the humoral or cellular factors regulating the growth response. Such factors may prove useful in the management of some acute and chronic liver diseases. In most clinical liver injuries, the resulting liver function depends both on the importance of the necrosis or resection, and on the importance of the liver regeneration. Therefore, a method allowing the quantification of liver regeneration will improve our understanding of homeostatic mechanisms governing cellular growth and would provide a means to test new potential mitogens for hepatocytes. They would also help in the clinical management and follow-up patients with impaired liver function, e.g. in the evaluation of the opportunity of a hepatic transplantation or retransplantation, by discriminating between necrosis and regeneration.
In 1929, Fishback first reported morphological changes after partial hepatectomy, which consist in the growth of the remnant lobes to nearly the mass of the preoperative liver. On basis of the initial finding authors attempted to quantitate liver regeneration through the clinical or radiographic estimation the liver volume (Friedell et al., 1957; Walk, 1961; Lin et al, 1965).
In 1931, Higgins and Anderson developed a reproducible experimental model, discussed below, describing histological and biochemical changes undergone during animal liver regeneration, and provided substantial information on the nature of hepatotrophic factors in animal liver regeneration. The estimation of mitotic activity by histological or autographic methods, the measurement of DNA, RNA, protein synthesis or enzyme activities remained however subject to recognized errors (for review, see Bucher, 1963). In addition, the practical usefulness of such methods was somewhat limited by the risk of liver biopsies, particularly in patients with hepatic failure. Therefore, the events in human hepatic regeneration are much less well defined and the use of hepatotrophic factors for treatment of human hepatic disease is generally based on the assumption that the mechanisms controlling hepatic regeneration in humans are identical to those in animals (Baker, 1985). Despite the absence of direct proof, several observations support the idea that the regenerative processes are similar in rat and man. Firstly, basic biological processes are similar among liver cells from different mammalian species although generalization from one species to another can be complicated by differences in hepatic structure and biochemical cytology. The development of new imaging methods such as ultrasound and methods using radionuclides also provided direct evidence of hepatic regrowth in patients with normal residual hepatic architecture as early as two weeks following partial hepatectomy (McDermont et al, 1963; Aronsen et al., 1968; Starzl et al., 1975; Kan and Hopkins, 1979; Lin et al., 1979; Joyeux et al., 1984; Faurous et al., 1989). Similar functional and hormonal patterns have been reported following hepatic resection in humans and experimental animals. However, the methods evaluating liver function are not sufficiently accurate and specific to quantitate liver regeneration. Direct confirmation that events and control mechanisms of liver regeneration, are similar in animals and humans awaits further studies of human hepatic regeneration, perhaps using human hepatocytes in culture or a new noninvasive method specific of liver regeneration, such as the PET imaging reported in this work