Chemotherapy-induced Cardiac18F-FDG Uptake in Patients with Lymphoma: An Early Metabolic Index of Cardiotoxicity?

BACKGROUND: It is uncertain whether myocardial fluorodeoxyglucose uptake occurs solely due to physiological features or if it represents a metabolic disarrangement under chemotherapy.
OBJECTIVE: To investigate the chemotherapy effects on the heart of patients with lymphoma by positron emission tomography associated with computed tomography scans (PET/CT) with 2-deoxy-2[18F] fluoro-D-glucose (18F-FDG PET/CT) before, during and/or after chemotherapy.
METHODS: Seventy patients with lymphoma submitted to18F-FDG PET/CT were retrospectively analyzed. The level of significance was 5%.18F-FDG cardiac uptake was assessed by three measurements: left ventricular maximum standardized uptake value (SUVmax), heart to blood pool (aorta) ratio, and heart to liver ratio in all the exams. Body weight, fasting blood sugar, post-injection time, and the injected dose of18F-FDG between the scans were also compared.
RESULTS: Mean age was 50.4 ± 20.1 years and 50% was female. The analysis was carried out in two groups: baseline vs. interim PET/CT, and baseline vs. post-therapy PET/CT. There was no significant difference in clinical variables or protocol scans variables. We observed an increase in left ventricular (LV) SUVmax from 3.5±1.9 (baseline) to 5.6±4.0 (interim), p=0.01, and from 4.0±2.2 (baseline) to 6.1±4.2 (post-therapy), p<0.001. A percentage increase ≥30% of LV SUVmax occurred in more than half of the sample. The rise of cardiac SUV was accompanied by an increase in LV SUVmax/Aorta SUVmax and LV SUVmean/Liver SUVmean ratios.
CONCLUSION: This study showed a clear increase in cardiac18F-FDG uptake in patients with lymphoma during and/or after chemotherapy. The literature corroborates with these findings and suggests that18F-FDG PET/CT is a sensitive and reliable imaging exam to detect early metabolic signs of cardiotoxicity.

Introdução

A cardiotoxicidade (CTX) induzida por quimioterapia e radioterapia abrange várias formas de lesão ao sistema cardiovascular que induz uma produção aumentada de espécies reativas de oxigênio (EROs) e de nitrogênio, peroxidação lipídica e inflamação. Tal quadro leva à apoptose de cardiomiócitos e à fibrose intersticial, aumentando o risco de disfunção endotelial coronariana, disfunção ventricular esquerda e insuficiência cardíaca.[1 - 3]

Atualmente a CTX é monitorada por ecocardiografia periódica para avaliação de fração de ejeção do ventrículo esquerdo (FEVE) reduzida e/ou strain longitudinal global reduzido.[4] No entanto, o diagnóstico de CTX baseado nesses parâmetros de função cardíaca é feito tardiamente, e pode ser indicativo de uma lesão importante e irreversível do miocárdio.[5 , 6] Assim, é necessário examinar anormalidades do miocárdio a nível subcelular para uma avaliação sensível e precoce de CTX induzida por medicamentos.[7 , 8]

A medicina nuclear tem se mostrado muito útil para identificar doença subclínica induzida por tratamento do câncer.[9 - 11] A tomografia por emissão de pósitrons associada a tomografia computadorizada (PET/CT) com 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-glicose (18F-FDG) é amplamente utilizada na oncologia, principalmente em pacientes com linfoma.[12 , 13] A captação e distribuição tecidual de 18F-FDG é variável, e dependente de vários fatores, tais como glicemia, período de jejum e medicamentos.[14] Além disso, dados recentes sugerem que o acúmulo miocárdico de 18F-FDG não se deve totalmente ao consumo de glicose.[15] A retenção do marcador mostrou-se dependente da atividade da enzima hexose-6-fosfato desidrogenase (H6PD) no retículo endoplasmático (RE).[15] Essa enzima pode processar muitas hexoses, incluindo FDG,[16] e desencadear uma via de fosfato pentose, preservando níveis de NADPH em resposta a estados de estresse oxidativo, como a CTX.[17]

Este estudo teve como objetivo identificar potenciais sinais metabólicos precoces de lesão cardíaca pela avaliação da captação miocárdica de 18F-FDG por PET/CT em pacientes com linfoma antes, durante e/ou após quimioterapia.

Materiais e métodos

Pacientes

Setenta pacientes diagnosticados com linfoma, submetidos a 18F-FDG PET/CT no serviço de medicina nuclear do Real Hospital Português em Recife, Pernambuco, Brasil, entre 01 de janeiro de 2012 e 28 de agosto de 2017, foram analisados retrospectivamente. O estudo foi aprovado pelo comitê de ética do Centro de Ciências de Saúde da Universidade Federal de Pernambuco, o qual isentou os autores de apresentação de consentimento por escrito dada a natureza retrospectiva do estudo.

Os critérios de inclusão foram: diagnóstico primário de linfoma, idade igual ou superior a 10 anos, e realização de pelo menos dois exames de 18F-FDG PET/CT antes, durante e/ou após a quimioterapia. Os critérios de exclusão foram ausência de PET/CT basais ou de controle, dados clínicos e de imagens indisponíveis ou sem possibilidade de serem avaliados, e terapia insulínica no dia do exame.

História e características clínicas dos pacientes, e variáveis relacionadas ao protocolo de 18F-FDG PET/CT registradas nos prontuários médicos foram coletadas, tais como peso, dose de 18F-FDG injetada, glicemia de jejum, e tempo para início da aquisição das imagens após injeção do FDG. Para os exames de imagem, quantificou-se a captação de 18F-FDG medindo-se os valores médio e máximo no ventrículo esquerdo (VE), na aorta (pool sanguineo) e no fígado.

Quatro pacientes tinham somente exames PET/CT basal e intermediário antes e durante quimioterapia, respectivamente, 40 somente exame basal e pós-terapia, e 26 apresentavam os três (basal, intermediário e pós-terapia). Para a análise, os pacientes foram então divididos em dois grupos, grupo 1, pacientes com dados de PET/CT basal e intermediário (n=30), e grupo 2, pacientes com dados basais e pós-terapia (n=66). Assim, alguns pacientes participaram de ambas as análises.

Cada grupo foi em seguida dividido em dois subgrupos de acordo com a mudança na SUV máxima de 18F-FDG no ventrículo esquerdo entre o exame basal e o exame de controle: uma porcentagem de aumento igual ou superior a 30% (grupo ≥30%), e uma mudança de captação de 18F-FDG inferior a 30% (grupo <30%). A escolha de um ponto de corte de 30% baseou-se no PERCIST18 ( PET Response Criteria in Solid Tumors ), um conjunto de critérios aplicados para avaliação da resposta do tumor à quimioterapia e radioterapia, por meio de mudanças metabólicas verificadas por exames de 18F-FDG PET/CT scans.[18]

Protocolo 18F-FDG PET/CT

Para o exame de 18F-FDG PET/CT, os pacientes foram orientados a realizar jejum de pelo menos seis horas, não interromper nenhuma medicação, e não realizar exercícios físicos por 24 horas antes do exame. No dia do exame, foram medidos peso corporal (Kg) e glicemia de jejum, e 18F-FDG foi administrada por acesso venoso. Os níveis de glicemia deveriam ser inferiores a 180mg/dL. A 18F-FDG foi administrada em uma dose de atividade entre 3,7 a 4,8MBq/Kg e, após 60 minutos, as imagens foram obtidas por PET/CT (Biograph 16, Siemens Healthcare, EUA), a partir da base do crânio até o terço médio proximal do fêmur, três minutos por posição. Os parâmetros de aquisição da CT incluíram: cortes de 5mm, 120kV de voltagem, e sem administração de contraste endovenoso.

As imagens foram processadas usando reconstrução iterativa (duas iterações, oito subgrupos com filtro gaussiano) por um médico nuclear, que realizou uma análise quantitativa com SUV máxima e SUV médio. Ambos os SUVs foram medidos no ventrículo esquerdo em imagens fundidas de PET/CT e determinados de modo semiautomático, com auxílio do programa syngo versão 5.1 (Siemens Healthcare), a partir da demarcação de um volume de interesse (VOI) incluindo todo o ventrículo esquerdo. SUV máxima e médio do pool sanguíneo foram medidos pela demarcação da região de interesse (ROI) na aorta descendente logo após o arco aórtico. SUV máxima e médio do fígado foram medidos pela demarcação de uma ROI no segmento VI.

Análise estatística

Os dados foram analisados com o programa Stata 12.1. As variáveis contínuas foram expressas em média ± desvio padrão (DP); e as variáveis categóricas em frequência e porcentagem. Comparações de porcentagem entre dois grupos independentes foram realizados pelo teste do qui-quadrado de Pearson ou teste exato de Fisher. O teste t de Student foi usado para comparar duas médias tanto de amostras independentes como de amostras pareadas. Em todos os testes, um nível de significância de 5% foi adotado para rejeitar a hipótese nula.

Resultados

A idade média dos 70 pacientes estudados foi 50,4 ± 20,1 anos (16-88 anos), e 50% dos pacientes eram mulheres. Vinte pacientes (28,6%) apresentavam hipertensão e 10 (14,3%) diabetes. Cerca de 67% (n=47) apresentavam linfoma não-Hodgkin (LNH) e os demais, linfoma de Hodgkin (LH). Somente três pacientes (4,3%) se submeteram à radioterapia do mediastino entre o fim da quimioterapia e o exame 18F-FDG PET/CT de controle. Foi possível definir o regime quimioterápico em 33 pacientes (47,1%) e todos os regimes incluíram drogas cardiotóxicas ( Tabela 1 ).

Tabela 1

– Características clínicas e terapêuticas dos pacientes avaliados (n=70)

Variável	N (%)
Sexo feminino	35 (50,0)
Hipertensão	20 (28,6)
Diabetes	10 (14,3)
Dislipidemia	14 (20,0)
Tabagismo
Não fumante	49 (70,0)
Ex-fumante	20 (28,6)
Fumante	1 (1,4)
Consumo de álcool	0 (0)
Doença arterial coronariana	5 (7,1)
Hemodiálise	1 (1,4)
Medicamentos
Nenhum	10 (14,3)
Medicamento não cardioprotetor a	40 (57,1)
Medicamento cardioprotetor a	20 (28,6)
Câncer
Linfoma de Hodgkin	23 (32,9)
Linfoma não Hodgkin	47 (67,1)
Quimioterapia b
RCHOP	11 (33,3)
RCHOP + alternativo	6 (18,2)
ABVD	11 (33,3)
ABVD + alternativo	2 (6,1)
DA-EPOCH-R	1 (3,0)
BEACOPP	1 (3,0)
RCOP	1 (3,0)
Mediastino Radioterapia após pet basal	3 (4,3)

Grupo 1: 18F-FDG PET/CT basal e intermediário

Houve padronização do protocolo 18F-FDG PET/CT entre o exame basal e o exame intermediário. Não houve diferença na dose de 18F-FDG administrada, glicemia de jejum, e tempo decorrido quando comparados os exames basal e intermerdiario. O peso médio dos pacientes também não mudou significativamente, o que possibilitou a comparação da captação de 18F-FDG nos órgãos-alvo ( Tabela 2 ).

Tabela 2

– Comparação de peso corporal, glicemia de jejum, dose injetada de 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-glicose (18F-FDG), e média de tempo após injeção de 18F-FDG entre os exames de tomografia por emissão de pósitrons (PET) basal e intermediário

Variável (N=30)	Basal	Intermediário	p*
	Média ± DP	Média ± DP
Peso (Kg)	75,3 ± 14,3	74,7 ± 13,5	0,551
Glicemia de jejum (mg/dL)	92,6 ± 19,5	93,4 ± 19,9	0,816
Dose de 18F-FDG mCi	9,1 ± 2,7	9,1 ± 2,0	0,971
Tempo pós injeção (min)	68,8 ± 10,0	65,9 ± 9,9	0,308

*Teste t de Student.

Por outro lado, a SUV máxima de 18F-FDG no ventrículo esquerdo aumentou no exame intermediário em comparação ao basal. Também se observou um aumento significativo na razão SUV máxima no ventrículo esquerdo/SUV máxima na aorta e na razão SUV média no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado do exame basal ao exame intermediário ( Figura 1A ). O intervalo médio entre os exames basal e intermediário foi 95,4 ± 32,2 dias.

Figura 1

– Grupo 01 – A) Comparação do valor máximo de captação (SUV, do inglês standardized uptake value) no ventrículo esquerdo, razão SUV máxima no ventrículo esquerdo/SUV máxima na aorta e SUV médio no ventrículo esquerdo/SUV médio no fígado entre tomografia por emissão de pósitron (PET) basal e PET intermediário B) Comparação de SUV máxima no ventrículo esquerdo/SUV máxima na aorta e SUV média no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado entre PET basal e PET intermediário no grupo com aumento na SUV máxima no ventrículo esquerdo ≥ 30% C: Comparação de SUV máxima no ventrículo esquerdo / SUV máxima na aorta e SUV média no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado entre PET basal e PET intermediário no grupo com aumento na SUV máxima no ventrículo esquerdo < 30%; SUV max VE: SUV máxima no ventrículo esquerdo; SUV max AO: SUV máxima na aorta; SUV médio VE: SUV média no ventrículo esquerdo.

Dos 30 pacientes que se submeteram ao exame de 18F-FDG PET/CT, 16 (53,3%) apresentaram um aumento ≥30% (grupo ≥30%) na SUV máxima. Em relação às variáveis clínicas, tais como fatores de risco e medicamentos usados, não foram observadas diferenças.

Os valores de SUV máxima no ventrículo esquerdo/SUV máxima na aorta e da razão SUV média no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado também aumentaram significativamente na avaliação intermediária em comparação à basal no grupo >= 30% ( Figura 1B ). No grupo <30% (n=14), não houve aumento estatisticamente significativo nessas razões entre o exame basal e o exame intermediário ( Figura 1C ).

Grupo 2: 18F-FDG PET/CT basal e pós-terapia

Sessenta e seis pacientes submeteram-se a exames 18F-FDG PET/CT nos períodos basal e pós-terapia. Não houve diferença na glicemia de jejum, na dose de atividade de 18F-FDG administrada, e no tempo pós-injeção entre as duas avaliações. O peso médio dos pacientes foi ligeiramente maior no exame pós-terapia em comparação à média de peso basal ( Tabela 3 ).

Tabela 3

– Comparação de peso corporal, glicemia de jejum, dose injetada de 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-glicose (18F-FDG), e média de tempo após injeção de 18F-FDG entre os exames de tomografia por emissão de pósitrons (PET) basal e pós-terapia

Variável (N=66)	Basal	Pós-Terapia	p*
	Média ± DP	Média ± DP
Peso (Kg)	72,7 ± 14,8	75,2 ± 15,2	0,014
Glicemia de jejum (mg/dL)	91,6 ± 15,6	91,6 ± 16,7	>0,99
Dose de 18F-FDG mCi	9,2 ± 2,3	9,5 ± 2,2	0,308
Tempo pós injeção (min)	68,6 ± 9,1	70,4 ± 5,8	0,606

* Teste t de Student.

A SUV máxima no ventrículo esquerdo foi significativamente maior no PET pós-terapia. Observamos um aumento absoluto de 2,1 (IC 95% 1,3 a 3,0), o que representa uma porcentagem de aumento de 66,5% (IC 95% 43,3% a 89,7%) em relação ao exame basal.

Os valores de SUV máxima no ventrículo esquerdo /SUV máxima na aorta e de SUV médio no ventrículo esquerdo /SUV médio no fígado também aumentaram no PET pós-terapia em comparação ao basal ( Figura 2A ). O tempo médio entre o exame basal e o exame pós-terapia foi de 231,8±125,7 dias.

Figura 2

– Grupo 2: Comparação do valor máximo de captação (SUV, do inglês standardized uptake value) no ventrículo esquerdo, razão SUV máxima no ventrículo esquerdo / SUV máxima na aorta e SUV médio no ventrículo esquerdo/SUV médio no fígado entre tomografia por emissão de pósitron (PET) basal e PET pós-terapia B: Comparação de SUV máxima no ventrículo esquerdo / SUV máxima na aorta e SUV médio no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado entre PET basal e PET pós-terapia no grupo com aumento na SUV máxima no ventrículo esquerdo ≥ 30% C: Comparação de SUV máxima no ventrículo esquerdo / SUV máxima na aorta e SUV médio no ventrículo esquerdo/SUV média no fígado entre PET basal e PET pós-terapia no grupo com aumento na SUV máxima no ventrículo esquerdo < 30%; SUV max VE: SUV máxima no ventrículo esquerdo; SUV max AO: SUV máxima na aorta; SUV médio VE: SUV médio no ventrículo esquerdo.

Dos 66 pacientes, 38 (57,6%) apresentaram um aumento ≥ 30% na captação cardíaca de 18F-FDG (grupo ≥ 30%). Não houve diferenças entre os grupos quanto às variáveis clínicas, tais como fatores de risco cardiovasculares e uso de medicamentos.

Os valores de SUV máxima no ventrículo esquerdo /SUV máxima na aorta e de SUV médio no ventrículo esquerdo /SUV médio no fígado aumentaram significativamente na avaliação pós-terapia em comparação ao basal no grupo ≥ 30% ( Figura 2B ). No grupo <30% (n=28), não houve aumento significativo nessas razões ( Figura 2C ).

A Figura 3 ilustra um exemplo do comportamento da SUV máxima antes, durante e após quimioterapia.

Figura 3

– Exemplo de caso - valor máximo de captação (SUV, do inglês standardized uptake value) (SUVmax) no ventrículo esquerdo na tomografia computadorizada por emissão de pósitron (PET/CT) basal (5,86), intermediário (8,95/52,73% de aumento a partir do basal) e pós-terapia (9,67/65,02% de aumento a partir do basal).

Discussão

O presente estudo mostrou que a quimioterapia em pacientes com linfoma causou um desequilíbrio no metabolismo cardíaco, o que foi evidenciado pela maior captação de 18F-FDG. Tais resultados são corroborados por evidências recentes que sugerem que essa maior captação cardíaca de FDG induzida por quimioterapia pode ser um sinal de CTX. O aumento de 18F-FDG cardíaco foi observado no PET intermediário e no PET pós-terapia. Tais resultados não sofreram interferência quanto à dose de atividade de 18F-FDG administrada ou qualquer diferença possível no preparo ou momento de realização do exame.

O exame de 18F-FDG PET/CT é um método bem estabelecido no diagnóstico e estadiamento de pacientes oncológicos, especialmente pacientes com linfoma, com potencial capacidade de avaliar manifestações precoces de CTX a nível subcelular, como postulado na Figura 4 .

Figura 4

– Cascata de cardiotoxicidade – A lesão provocada por cardiotoxicidade desencadeia uma série de alterações metabólicas em resposta ao estresse oxidativo, detectáveis por tomografia computadorizada por emissão de pósitrons e 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-glicose (18F-FDG) (18F-FDG PET/CT). A lesão e a falha de autorregeneração dos miócitos contribuem para a disfunção celular e alterações mecânicas detectadas pela avaliação do strain. Ainda, o processo continua com uma diminuição no desempenho cardíaco avaliado pela fração de ejeção do ventrículo esquerdo (FEVE). Sinais de insuficiência cardíaca podem ser então detectados, sugerindo que o coração já não atende as demandas corporais, ou o faz às custas de uma pressão de enchimento ventricular elevada (EROs: espécies reativas de oxigênio; RE: retículo endoplasmático; PPP: via da pentose fosfato; H6PD: hexose-6-fosfato desidrogenase; FDG: Fluorodesoxiglicose; FEVE: fração de ejeção do ventrículo esquerdo).

Terapias antineoplásicas têm melhorado taxas de sobrevida em pacientes oncológicos. No entanto, seus efeitos citotóxicos mostram um amplo espectro de alterações crônicas e agudas ao sistema cardiovascular.[19] Sabe-se que mecanismos celulares e moleculares da CTX afetam a homeostase principalmente no miocárdio e no endotélio, prejudicando significativamente a saúde cardiovascular.[20]

A CTX afeta o sistema cardiovascular primeiramente pela inibição da topoisomerase II e formação de EROs, que desencadeiam as vias apoptóticas dependente de mitocôndria (intrínseca) e dos receptores de morte celular. (extrínseca). A cascata continua com a ativação da caspase 3, expressão da fosfatidilserina, fragmentação do DNA, condensação da cromatina, e metabolização da membrana fosfolipídica.[21] O estágio final é caracterizado pela formação de bolhas (“ blebbing ”) na membrana e encolhimento das células.[22] Esse é o mecanismo subjacente da CTX subclínica que oferece várias oportunidades para avaliar sinais precoces dessa entidade.

As recomendações e diretrizes atuais baseiam-se em técnicas de imagens focadas em parâmetros anatômicos, tais como a ecocardiografia, angiografia radioisotópica (MUGA, multigated radionuclide angiography) , e ressonância magnética cardíaca (RMC).[23] Contudo, essas abordagens detectam manifestações tardias da CTX com baixa sensibilidade para alterações subclínicas.[24]

As técnicas de medicina nuclear podem ser uma ferramenta para avaliar pontos específicos da via de CTX. O 18F-FDG PET/CT, comumente utilizado para detectar metabolismo glicolítico tumoral, tem se mostrado como um marcador útil na detecção precoce de CTX. Inicialmente, vários estudos indicaram que a doxorrubicina (DXR), uma das antraciclinas, pode afetar especificamente o metabolismo do miocárdio, como mostrado em estudo experimental.[25]

Vários estudos clínicos e experimentais têm mostrado que medicações cardiotóxicas, tais como sunitinibe e antraciclinas, aumenta a captação cardíaca de 18F-FDG ao longo do tempo, e está relacionada a alterações ecocardiográficas.[26 - 33]

Apesar de a captação de 18F-FDG ser comumente associada ao consumo de glicose, dados mais recentes mostram resultados diferentes. O estresse redox e sua resposta antioxidante têm sido caracterizadas como um possível mecanismo por trás da progressão da disfunção cardíaca na CTX e na captação de 18F-FDG, independentemente do metabolismo glicolítico.[34]

O estresse redox a nível do RE pode ativar a via fosfato pentose local desencadeada por H6PD para alimentar os níveis de NADPH necessários para a resposta antioxidante, e está relacionada à captação aumentada de 18F-FDG.[35]

Em situações de estresse oxidativo, o NADPH é uma fonte importante de elétrons para reações de redução.[36] O NADPH é gerado no meio intraluminal pela H6PD, uma enzima bifuncional que catalisa as duas primeiras etapas da via fosfato pentose, convertendo glicose-6-fosfato em 6-fosfogluconato com produção concomitante de NADPH.[37] H6PD tem como substrato várias hexoses como 2-desoxiglicose e 18F-FDG.[38]

No coração, existe uma relação direta entre o estresse oxidativo no RE e a captação de 2 - desoxiglicose,[39] que pode ser considerada como uma fase metabólica inicial da disfunção contrátil causada pela sobrecarga de pressão.[40] Além disso, Hrelia et al.[41] mostraram que a captação aumentada de 2 - desoxiglicose, induzida por doxorrubicina nos cardiomiócitos pode ser revertida por um efeito antioxidante do alfa-tocoferol.[41]

Em 2019, Bauckneht et al.[33] analisaram o efeito do dano oxidativo induzido por DXR sobre a correlação entre captação de 18F-FDG, consumo de glicose, e a resposta metabólica induzida por H6PD em camundongos. O estudo mostrou que o estresse redox no miocárdio persistiu e se correlacionou diretamente com o aumento na captação de 18F-FDG (aumento da SUV), bem como na ativação de vias antioxidantes fisiológicas, tais como a função catalítica da H6PD.[33] O estudo também mostrou que a alteração metabólica persistiu após o desaparecimento do DXR, e precedeu a manifestação da disfunção contrátil.[33] Estudos anteriores mostraram uma relação positiva entre a geração de EROs e a captação de 18F-FDG no câncer.[42]

Em conformidade com esses achados, estudos recentes mostraram um aumento na captação de 18F-FDG no PET/CT independente do metabolismo glicolítico, e associado à atividade enzimática de H6PD no cérebro.[43 , 44] Outra análise mostrou a ligação entre captação de 18F-FDG e geração de EROs no estresse de redox induzido por hiperglicemia envolvendo ativação de H6PD.[45]

Apesar de seus resultados e fundamentos interessantes do presente estudo, sua natureza retrospectiva dificulta a avaliação dos mecanismos subjacentes à captação aumentada de 18F-FDG no miocárdio. Contudo, não foram identificados outros fatores cardiotóxicos, além da CTX, entre o exame basal e exame de controle na maior amostra de pacientes com linfoma avaliados durante e após a quimioterapia. Ainda, diferentemente de outros estudos, nós medimos não somente a SUV máxima no ventrículo esquerdo, como também os valores de captação no ventrículo esquerdo corrigidos pela captação hepática e pelo “pool” sanguíneo no interior da aorta, ressaltando assim o aumento da captação cardíaca do marcador durante e após quimioterapia. Ainda, o protocolo de 18F-FDG PET/CT e os possíveis fatores de variabilidade da SUV foram os mesmos em todos os exames basais e de controle.

Mais estudos são necessários para correlacionar a captação aumentada de 18F-FDG com desfechos clínicos, classe e dose de quimioterapia, níveis de troponina e NT-proBNP, e com outros métodos de imagem, tais como ecocardiografia e RMC.

Conclusão

O presente estudo mostrou um aumento evidente na captação cardíaca de18F-FDG em pacientes com linfoma, evidenciado por 18F-FDG PET/CT durante e/ou após quimioterapia. A literatura corrobora esses achados e sugere que a captação aumentada de 18F-FDG possa ser um sinal precoce importante de CTX facilmente avaliado por um método amplamente disponível. Com o desenvolvimento das terapias anticâncer, a CTX ainda é uma preocupação que requer mais investigação e novas abordagens diagnósticas.

Introduction

Chemotherapy and radiotherapy-induced cardiotoxicity (CTX) encompasses various forms of injury to the cardiovascular system, that trigger an increased production of reactive oxygen (ROS) and nitrogen species, lipid peroxidation and inflammation. This leads to cardiomyocyte apoptosis and interstitial fibrosis, increasing the risk for impaired coronary endothelial function, left ventricular (LV) dysfunction and heart failure.[1 - 3]

Today, CTX is monitored by periodic imaging with echocardiography for assessment of left ventricular ejection fraction (LVEF) reduction and/or decreased global longitudinal strain.[4] However, the diagnosis of CTX based on these cardiac function parameters is late, and can be an indication of a significant and irreversible myocardial injury.[5 , 6] Therefore, it is necessary to evaluate myocardial abnormalities at subcellular level for an early and sensitive assessment of drug-induced CTX.[7 , 8]

Cardiac imaging techniques of nuclear medicine have proved extremely useful to identify subclinical disease in the context of cancer therapy-induced organ damage.[9] Positron emission tomography associated with computed tomography scans (PET/CT) with 2-deoxy-2[18F] fluoro-D-glucose (18F-FDG) is widely used in oncology, especially in patients with lymphoma.[12 , 13] Tissue18F-FDG uptake and tissue distribution is variable and depend on several factors such as glucose level, fasting period and drugs.[14] Furthermore, recent data suggest that myocardial18F-FDG accumulation is not entirely due to glucose consumption.[15] The tracer retention was found to be dependent upon the enzymatic activity of hexose-6-phosphate-dehydrogenase (H6PD) in the endoplasmic reticulum (ER).[15] This enzyme can process many hexoses, including FDG,[16] to trigger a pentose phosphate pathway and preserve NADPH levels in response to oxidative stress conditions, such as CTX.[17]

This study aimed to identify potential early signs of metabolic cardiac injury by assessing changes in cardiac[18] F-FDG uptake by PET/CT in patients with lymphoma before, during and/or after chemotherapy.

Material and Methods

Patients

Seventy patients diagnosed with lymphoma and submitted to18F-FDG PET/CT in the Division of Nuclear Medicine of Real Hospital Português in Recife, Pernambuco, Brazil, between January 1, 2012 and August 28, 2017 were retrospectively analyzed in this study. The study was approved by the Research Ethics Board of the Federal University of Pernambuco Health Sciences Center, which granted a waiver of written consent due to the retrospective nature of the study.

Inclusion criteria were primary diagnosis of lymphoma, aged 10 years or older and, at least two18F-FDG PET/CT scans before, during and/or after chemotherapy. Exclusion criteria were no baseline or control tests, unavailability and/or inability to assess clinical data and imaging tests, and insulin therapy on the day of the scan.

Patients’ clinical features, medical history and variables related to the18F-FDG PET/CT protocol recorded in their medical records were collected, such as, weight, injected dose of18F-FDG, fasting blood sugar (FBS) and time after injection. For imaging exams,18F-FDG uptake was quantified by measuring the mean and the maximum standardized uptake value (SUVmean and SUVmax, respectively).

Four patients had only baseline and interim PET/CT scans, 40 had only baseline and post-therapy and 26 had all three. For analysis, the patients were then divided into two groups, group 1, patients with baseline and interim PET/CT scan data (n = 30); and group 2, patients with baseline and post-therapy PET/CT data (n = 66). Thus, some patients participated in both analyses.

Each group was then divided in two subgroups according to the change in the LV18F-FDG SUVmax between baseline and control tests: a percentage increase above or equal to 30% (Group ≥ 30%), and a less than 30%18F-FDG uptake change (Group <30%). The choice of a 30% cutoff was based on PERCIST18(PET Response Criteria in Solid Tumors), which is a set of criteria for assessment of tumor response to chemotherapy and radiotherapy, through metabolic changes verified by18F-FDG PET/CT scans.[18]

18F-FDG PET/CT Protocol

For the18F-FDG PET/CT, patients were instructed to fast at least six hours prior to the test, not to discontinue any medication or exercise for 24 hours before the scan. On the day of the scan, body weight (kg) and FBS were measured and, venous puncture was used to administer18F-FDG. Blood sugar levels should be below 180 mg/dL. The18F-FDG was administered at an activity dose of 3.7 to 4.8MBq/kg and after 60 minutes, the images were obtained by the PET/CT (Biograph 16, Siemens Healthcare, USA), extending from the base of the skull to the proximal-middle third of the femur, three minutes per bed position. The acquisition parameters of the CT scan included: 5mm slices, 120kV voltage, and no intravenous contrast administration.

Imaging processing was done with iterative reconstruction (two iteractions, eight subsets with Gaussian filter) by a nuclear physician, who performed a quantitative analysis with SUVmax and SUVmean. Both SUVs were measured at the left ventricle on fused PET/CT images and determined semi-automatically with the aid of the syngo via software version 5.1 (Siemens Healthcare) through the demarcation of a volume of interest (VOI) including the entire left ventricle. SUVmax and SUVmean for blood pool were measured by reconstruction of a region of interest (ROI) in the descendent aorta just after the aortic arch. SUVmax and SUVmean for liver were measured by reconstruction of a ROI of 4.0 cm diameter in the VI segment.

Statistical analysis

Data was analyzed with Stata 12.1 statistical software. Continuous variables were expressed as mean ± standard deviation (SD); and categorical variables were summarized by frequency and percentage. Percentage comparisons between two independent groups were performed using the Pearson’s chi-square test or, when it was not applicable, the Fisher’s exact test. The Student’s t-test was used to compare two means for both independent and paired samples. In all tests, a significance level of 5% was used to reject the null hypothesis.

Results

The mean age of the 70 patients studied was 50.4 ± 20.1 years (16-88 years) and 50% were female. Twenty patients (28.6%) had hypertension and 10 (14.3%) had diabetes. About 67% (n= 47) had non-Hodgkin’s lymphoma (nHL) and the remainder (n=23) had Hodgkin’s lymphoma (HL). Only three patients (4.3%) underwent mediastinal radiotherapy between the end of chemotherapy and the control18F-FDG PET/CT scan. It was possible to define the chemotherapy regimen in 33 patients (47.1%) and all regimens included known cardiotoxic drugs ( Table 1 ).

Table 1

– Clinical and therapeutic characteristics of the patients (n=70)

Variable	N (%)
Female sex	35 (50.0)
Hypertension	20 (28.6)
Diabetes	10 (14.3)
Dyslipidemia	14 (20.0)
Smoking
Non-smoker	49 (70.0)
Former smoker	20 (28.6)
Current smoker	1 (1.4)
Alcoholism	0 (0)
Coronary artery disease	5 (7.1)
Hemodialysis	1 (1.4)
Medication
No	10 (14.3)
Non-cardioprotective medicationa	40 (57.1)
Cardioprotective medicationa	20 (28.6)
Cancer
Hodgkin’s Lymphoma	23 (32.9)
Non-Hodgkin’s Lymphoma	47 (67.1)
Chemotherapy b
RCHOP	11 (33.3)
RCHOP + alternative	6 (18.2)
ABVD	11 (33.3)
ABVD + alternative	2 (6.1)
DA-EPOCH-R	1 (3.0)
BEACOPP	1 (3.0)
RCOP	1 (3.0)
Mediastinal Radiotherapy After Baseline Pet	3 (4.3)

Group 1: baseline and interim 18F-FDG PET/CT

There was standardization of the18F-FDG PET/CT protocol between the baseline and interim scans. There was no difference in the injected dose of18F-FDG, FBS and time post-injection between baseline and interim exams. Mean body weight of patients also did not change significantly, making it possible to compare the18F-FDG uptake in the target organs ( Table 2 ).

Table 2

– Comparison of body weight, fasting blood sugar, injected dose of 18F-fluorodeoxy glucose (18FDG), and mean post-injection time of patients between baseline and interim positron emission tomography associated with computed tomography (PET/CT) scans

Variable (N=30)	Baseline	Interim	p*
	Mean ± SD	Mean ± SD
Weight (Kg)	75.3 ± 14.3	74.7 ± 13.5	0.551
FBS (mg/dL)	92.6 ± 19.5	93.4 ± 19.9	0.816
Dose of 18FDG mCi	9.1 ± 2.7	9.1 ± 2.0	0.971
Post-injection time (min)	68.8 ± 10.0	65.9 ± 9.9	0.308

*Student’s t-test. FBS: Fasting Blood Sugar

On the other hand,18F-FDG LV SUVmax increased at the interim scan compared to baseline. Similarly, there was a significant increase in the LV SUVmax/aorta SUVmax and LV SUVmean/liver SUVmean ratios from baseline to interim scans ( Figure 1A ). The mean time interval between baseline and interim scans was 95.4 ± 32.2 days.

Figure 1

– Group 01 – A) Comparison of maximum left ventricular (LV) standardized uptake value (SUVmax), LV SUVmax/aorta SUVmax and mean LV SUV (SUV mean)/liver SUVmean ratios, between baseline and interim positron emission tomography (PET). B) Comparison of LV SUVmax/aorta SUVmax and LV SUVmean/liver SUVmean ratios between baseline and interim PET in the Group with increase of LV SUVmax ≥ 30%. C) Comparison of LV SUVmax/Aorta SUVmax and LV SUVmean/Liver SUVmean ratios, between Baseline and Interim PET in the Group with increase of LV SUVmax < 30%; LVmaxAOmax: LV SUVmax/Aorta SUVmax, LVmean LIVER mean: LV SUVmean/Liver SUVmean.

Of the 30 patients who underwent baseline and interim18F-FDG PET/CT scans,16 (53.3%) presented an increase ≥30% (Group ≥ 30%) in18F-FDG LV SUVmax. Regarding clinical variables, such as cardiovascular risk factors and drugs in use, no differences were observed.

The values of the LV SUVmax/aorta SUVmax and LV SUVmean/liver SUVmean ratios also increased significantly at the interim evaluation compared to the baseline in the group ≥30% ( Figure 1B ). In the group<30% (n=14), there was no statistically significant increase in these ratios from baseline to interim scans ( Figure 1C ).

Group 2: baseline and post-therapy 18F-FDG PET/CT

Sixty-six patients underwent baseline and post-therapy18F-FDG PET/CT scans. No statistically significant differences were seen in FBS,18F-FDG injected activity and time post-injection were found between the two evaluations. Patients’ mean body weight was slightly higher in the post-therapy scan compared with baseline ( Table 3 ).

Table 3

– Comparison of body weight, fasting blood sugar, injected dose of 18F-fluorodeoxy-glucose (18FDG), and mean post-injection timel of patients between baseline and post-therapy positron emission tomography associated with computed tomography scans (PET/CT)

Variable (N=66)	Baseline Pet	Post-Therapy Pet	p*
	Mean ± SD	Mean ± SD
Weight (Kg)	72.7 ± 14.8	75.2 ± 15.2	0.014
FBS (mg/dL)	91.6 ± 15.6	91.6 ± 16.7	>0.99
Dose of 18FDG mCi	9.2 ± 2.3	9.5 ± 2.2	0.308
Post-injection time (min)	68.6 ± 9.1	70.4 ± 5.8	0.606

*Student’s t-test. FBS: Fasting Blood Sugar

The mean value of the LV SUVmax was significantly higher in the post-therapy PET. We observed an absolute increase in the18F-FDG cardiac uptake value of 2.1 (95% CI:1.3 to 3.0), which represents a percentage increase of 66.5% (95%CI:43.3% to 89.7%) over the baseline scan.

The values of the LV SUV max/aorta SUV max and the LV SUV mean/liver SUV mean ratios also increased significantly in the post-therapy PET as compared with baseline, Figure 2A . The mean time between baseline and post-therapy exams was 231.8±125.7 days.

Figure 2

– Group 02 – A) Comparison of LV SUVmax, LV SUVmax/Aorta SUVmax and LV SUVmean/Liver SUVmean ratios, between Baseline and Post-therapy PET. B) Comparison of LV SUVmax/Aorta SUVmax and LV SUVmean/Liver SUVmean ratios, between Baseline and Post-therapy PET in the Group with increase of LV SUVmax ≥ 30%. C) Comparison of LV SUVmax/Aorta SUVmax and LV SUVmean/Liver SUVmean ratios, between Baseline and Post-therapy PET in the Group with increase of LV SUVmax < 30%; LVmaxAOmax: LV SUVmax/Aorta SUVmax, LVmean LIVER mean: LV SUVmean/Liver SUVmean.

Of the 66 patients, 38 (57.6%) presented ≥30% increase in18F-FDG cardiac uptake (Group ≥ 30%). There were no differences between the groups regarding the clinical variables, such as cardiovascular risk factors and medications in use.

The values of the LV SUVmax/aorta SUVmax and LV SUVmean/liver SUVmean ratios increased significantly in the post-therapy evaluation compared to the baseline in the ≥30% group ( Figure 2B ). In the Group<30% (n=28), there was no statistically significant increase in the ratios ( Figure 2C ).

Figure 3 illustrates a case example of the18F-FDG LV SUV max behavior before, during and after chemotherapy.

Figure 3

– Case example - LV SUVmax in Baseline (5.86), Interim (8.95 / 52.73% percentage increase from baseline) and Post-therapy PET/CT (9.67 / 65.02% percentage increase from baseline). LV: Left Ventricle; PET/CT: Positron emission tomography associated with computed tomography scans; SUV: Standard Uptake Value; SUVmax: Maximum SUV.

Discussion

The present study showed that chemotherapy in patients with lymphoma caused an unbalance in cardiac metabolism, evidenced by a higher myocardial18F-FDG uptake. These results are supported by recent evidence suggesting that it may be an early sign of CTX in response to the redox stress. The cardiac18F-FDG increase occurred in more than 50% of the patients and was observed in the interim PET and in the post-therapy scan. These results suffered no interference regarding the18F-FDG injected activity or any possible differences in exam preparation and timing.

The18F-FDG PET/CT is a well-established method in the diagnosis and staging of oncologic patients, especially with lymphoma, with a potential capacity to assess early manifestations of CTX in a way analogue to the ischemic cascade, as postulated in Figure 4 .

Figure 4

– Cardiotoxicity cascade – Cardiotoxic injury triggers series of metabolic alterations in response to the oxidative stress, it is detectable by 18F-FDG PET/CT. The sustained injury and the failure of the myocyte self-healing contribute to cell dysfunction and mechanic alterations detected by strain rate imaging. Furthermore, the process continues with a decrease in the cardiac overall performance assessed by the LVEF. Signs of heart failure are then noticeable, suggesting that the heart no longer meet the body’s demands, or do it at the expense of high ventricular filling pressures (ROS: reactive oxygen species; ER: endoplasmic reticulum; PPP: pentose phosphate pathway; H6PD: hexose-6-phosphate dehydrogenase; FDG: 18F-fluorodeoxy-glucose; LVEF: Left Ventricle Ejection Fraction).

Antineoplastic therapies have improved overall survival rates in oncologic patients. However, their cytotoxic effects have shown a wide spectrum of acute and chronic alterations to the cardiovascular system.[19] The cellular and molecular mechanisms of CTX are known to disrupt the redox homeostasis mostly in the myocardium and endothelium, significantly impairing cardiovascular health.[20]

CTX affects the cardiovascular system first by the inhibition of topoisomerase II and the formation of ROS. The intrinsic mitochondria-dependent and extrinsic death receptor pathways of apoptosis are then triggered. The cascade continues with the activation of caspase[3] , phosphatidylserine expression, DNA fragmentation, chromatin condensation, and phospholipid membrane metabolization.[21] The final stage is characterized by membrane blebbing and cell shrinkage.[22] This is the mechanism underlying subclinical CTX and it provides various opportunities to assess early signs of this entity.

The current recommendations and guidelines rely on imaging techniques focused on anatomy-based parameters, such as echocardiography, multigated radionuclide angiography (MUGA), and cardiac magnetic resonance imaging (CMRI).[23] However, these approaches detect late manifestations of CTX with low sensitivity for subclinical alterations.[24]

Nuclear medicine techniques may be a tool to assess specific points of the CTX pathway. The18F-FDG PET/CT, commonly used to detect tumoral glycolytic metabolism, has presented itself as an early marker of CTX. Initially, several studies pointed out that doxorubicin (DXR), one of the most utilized anthracyclines, can specifically affect myocardial metabolism, as showed by experimental study.[25]

Several experimental and clinical studies have shown that cardiotoxic therapy, such as sunitinib and anthracyclines, increases the cardiac18F-FDG uptake over time and is related to echocardiographic alterations.[26 - 33]

Although18F-FDG uptake has been commonly associated with glucose consumption, more recent data have shown otherwise. The redox stress and its antioxidant response have been characterized as a possible mechanism behind the progression of cardiac contractile impairment in CTX and in the18F-FDG uptake independently of the glycolytic metabolism.[34]

Redox stress to the endoplasmic reticulum (ER) environment might activate the local H6PD-triggered pentose phosphate pathway to fuel the NADPH levels needed for the antioxidant response, and is related to an increased18F-FDG uptake.[35]

In situations of oxidative stress, NADPH is a major source of electrons for reductive reactions.[36] It is generated intraluminally by H6PD, a bifunctional enzyme that catalyzes the first two steps of the pentose phosphate pathway, converting glucose-6-phosphate to 6-phosphogluconate with the concomitant production of NADPH.[37] H6PD has as substrate several hexoses such as 2-deoxyglucose and FDG.[38]

In the heart, there is a direct link between ER oxidative stress and myocardial uptake of 2-deoxyglucose,[39] that may be considered an early metabolic phase of contractile dysfunction by pressure overload.[40] Furthermore, Hrelia et al.[41] showed that the increase of 2-deoxyglucose uptake induced by DXR in cardiomyocytes can be reverted by the antioxidant effect of alpha-tocopherol.[41]

Bauckneht et al.,[33] in 2019, analyzed the effect of DXR -induced oxidative damage on the correlation between myocardial18F-FDG uptake, overall glucose consumption and the H6PD-triggered metabolic response in mice. The study showed that myocardial redox stress persisted and directly correlated with the enhancement in18F-FDG uptake (SUV increase), and the activation of physiological antioxidant pathways such as the catalytic function of H6PD.[33] The study also showed that the metabolic alteration persisted after the disappearance of DXR, and it preceded the manifestation of contractile impairment.[33] Previous reports also showed a positive loop connecting ROS generation and18F-FDG uptake in cancer.[42]

In agreement with these findings, recent studies showed an increased18F-FDG uptake on PET/CT independent of glycolytic metabolism and linked to the enzymatic activity of H6PD in the brain.[43 , 44] Another analysis showed the link between18F-FDG uptake and ROS generation in hyperglycemia-induced redox stress involving H6PD activation.[45]

Despite its interesting results and background of the present study, its retrospective nature makes the assessment of the mechanisms underlying the increased myocardial18F-FDG uptake difficult. However, no other cardiotoxic factors, besides CTX, were identified between baseline and control exams in the largest sample of patients with lymphoma evaluated during and after chemotherapy. In addition, unlike the other studies, we measured not only the LV SUVmax, but also the LV uptake values corrected for liver and blood pool, as control, confirming the increase of the cardiac uptake. Furthermore, the18F-FDG PET/CT protocol and the possible factors of SUV variability were the same in all baseline and control scans.

More studies are necessary to correlate increased cardiac18F-FDG uptake with clinical outcomes, the class and dose of chemotherapy, troponin and NT-proBNP levels, and with other imaging methods such as echocardiography and CMRI.

Conclusion

The present study showed a clear increase in cardiac18F-FDG uptake in patients with lymphoma, verified by18F-FDG PET/CT during and/or after chemotherapy. The literature corroborates with these findings and suggests that it may be an important and early sign of CTX that can be easily assessed by a widely available method. With the progressive improvement in anticancer therapies, CTX is still a concern that requires further investigation and new diagnostic approaches.