Tumor Volume and Tumor Hypoxia in Head and Neck Cancers

Background:

The prognostic impact of tumor volume and hypoxia is well established. We have investigated a possible prognostic impact of the hypoxic tumor volume which can be calculated as the product of tumor volume and hypoxia.

Patients and Methods:

125 patients with squamous cell cancer of the head and neck were investigated. All had locoregionally confined disease. The total tumor volume was calculated from pretreatment CT scans as the sum of all visible macroscopic tumor lesions (e.g., primary tumor plus neck nodes), and all patients underwent measurement of tumor oxygenation by pO₂ histography. The hypoxic tumor volume was calculated as the product of the total tumor volume and the relative frequency of pO₂ readings < 5 mmHg. The nonhypoxic volume was the difference between total tumor volume and hypoxic volume.

Results:

The total tumor volume ranged from 2 to 283 cm3 (mean 47 ± 53 cm³), the hypoxic volume from 0 to 199 cm3 (mean 18 ± 30 cm³), and the nonhypoxic volume from 1 to 237 cm³ (mean 29 ± 34 cm³), and there was a strong correlation between the three parameters. 84 patients died and 41 survived in the observation period with a median survival of 12.5 months. Tumor volume and tumor oxygenation had a significant impact on survival. The tumor volume was significantly different in patients who had died as compared to surviving patients (mean 54 vs. 34 cm³; p = 0.017). The hypoxic volume was also different (11 vs. 22 cm³; p = 0.009), whereas the nonhypoxic volume was not significantly different (24 vs. 32 cm³; p = 0.2). If the impact of large versus small tumor volumes (total volume, hypoxic volume, and nonhypoxic volume, subdivison according to each median) on survival was analyzed, a significant impact of total tumor volume (median survival 298 vs. 485 days; p = 0.03) and a marginal impact of the hypoxic volume (342 vs. 404 days; p = 0.08), but no impact of the nonhypoxic volume were found (383 vs. 374 days; p = 0.6). In a multivariate Cox regression model, the hypoxic tumor volume was a strong and independent prognostic factor for survival (p = 0.001) and more important than the total tumor volume (p = 0.02) whereas the nonhypoxic volume had no impact on prognosis (p = 0.33).

Conclusion:

The total tumor volume is a major prognostic factor, but its impact mainly results from the hypoxic volume and can be explained by the strong correlation between total tumor volume and hypoxic volume. The nonhypoxic volume had no impact on survival. As a consequence, methods to measure and localize the hypoxic volume should be further developed.

Patienten und Methodik:

125 Patienten mit lokoregionär begrenzten Plattenepithelkarzinomen im Kopf-Hals-Bereich wurden untersucht. Das Tumorvolumen wurde anhand der prätherapeutischen CT-Aufnahmen als Summe aller makroskopisch erkennbaren Läsionen (Primärtumor und Lymphknotenmetastasen) nach der Ellipsoid-Formel berechnet. Bei allen Patienten wurden der Oxygenierungsstatus des Tumors durch pO₂-Histographie bestimmt und das absolute hypoxische Volumen als Produkt von Tumorvolumen und relativem Anteil von pO₂-Messungen < 5 mmHg berechnet. Aus Gesamttumorvolumen und hypoxischem Volumen wurde als Differenz das nichthypoxische Volumen ermittelt.

Ergebnisse:

Das gesamte Tumorvolumen betrug 2–283 cm³ (im Mittel 47 ± 53 cm³), das hypoxische Volumen 0–199 cm³ (im Mittel 18 ± 30 cm³) und das nichthypoxische Volumen 1–237 cm³ (im Mittel 29 ± 34 cm³). Zwischen den drei Parametern bestand eine enge Korrelation. 84 Patienten verstarben im Nachbeobachtungszeitraum, und 41 überlebten; die mediane Überlebenszeit betrug 12,5 Monate. Überlebende Patienten hatten signifikant kleine Tumoren (34 vs. 54 cm³; p = 0,017) und kleinere hypoxische Volumina (11 vs. 22 cm³; p = 0,009), während in Bezug auf das nichthypoxische Volumen kein signifikanter Unterschied bestand. Das gesamte Tumorvolumen hatte einen signifikanten Einfluss auf die mediane Überlebenszeit (mediane Überlebenszeit 298 vs. 485 Tage für Patienten mit großem vs. kleinem Volumen, Trennung nach Median; p = 0,03), das hypoxische Volumen war marginal relevant (mediane Überlebenszeit 342 vs. 404 Tage; p = 0,08), und das nichthypoxische Volumen hatte keinen Einfluss (mediane Überlebenszeit 383 vs. 374 Tage). In einer multivariaten Analyse hatte das nichthypoxische Volumen einen unabhängigen und stärkeren prognostischen Einfluss als das gesamte Tumorvolumen.

Schlussfolgerung:

Das Tumorvolumen ist ein wichtiger prognostischer Faktor, aber seine Bedeutung resultiert vor allem aus dem hypoxischen Volumen. Deshalb sollten Methoden zur exakten Quantifizierung und Lokalisierung des hypoxischen Volumens weiterentwickelt werden.