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Towards a Reduced In Silico Model Predicting Biochemical Recurrence After Radiotherapy in Prostate Cancer

Authors :
Romain Mathieu
Nathalie Rioux-Leclercq
Alain Fautrel
Pierre Fontaine
François Paris
Carlos Sosa-Marrero
Renaud de Crevoisier
Oscar Acosta
Alfredo Hernandez
Bernardo, Elizabeth
Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (LTSI)
Université de Rennes (UR)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Centre Eugène Marquis (CRLCC)
CHU Pontchaillou [Rennes]
Institut de recherche en santé, environnement et travail (Irset)
Université d'Angers (UA)-Université de Rennes (UR)-École des Hautes Études en Santé Publique [EHESP] (EHESP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )
Université de Rennes (UR)
Biosit : biologie, santé, innovation technologique (SFR UMS CNRS 3480 - INSERM 018)
Université de Rennes (UR)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )
Endothelium Radiobiology and Targeting (CRCINA-ÉQUIPE 14)
Centre de Recherche en Cancérologie et Immunologie Nantes-Angers (CRCINA)
Université d'Angers (UA)-Université de Nantes (UN)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Université d'Angers (UA)-Université de Nantes (UN)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)
Centre Hospitalier Régional Universitaire [Montpellier] (CHRU Montpellier)
Brittany Region, and FHU TECH-SAN
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Université d'Angers (UA)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École des Hautes Études en Santé Publique [EHESP] (EHESP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )
Université de Rennes (UNIV-RENNES)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE)
Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Angers (UA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE)
Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Angers (UA)
Source :
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2021, 68 (9), pp.2718-2729. ⟨10.1109/TBME.2021.3052345⟩, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2021, 68 (9), pp.2718-2729. ⟨10.1109/TBME.2021.3052345⟩
Publication Year :
2021

Abstract

Objective: Purposes of this work were i) to develop an in silico model of tumor response to radiotherapy, ii) to perform an exhaustive sensitivity analysis in order to iii) propose a simplified version and iv) to predict biochemical recurrence with both the comprehensive and the reduced model. Methods: A multiscale computational model of tumor response to radiotherapy was developed. It integrated the following radiobiological mechanisms: oxygenation, including hypoxic death; division of tumor cells; VEGF diffusion driving angiogenesis; division of healthy cells and oxygen-dependent response to irradiation, considering, cycle arrest and mitotic catastrophe. A thorough sensitivity analysis using the Morris screening method was performed on 21 prostate computational tissues. Tumor control probability (TCP) curves of the comprehensive model and 15 reduced versions were compared. Logistic regression was performed to predict biochemical recurrence after radiotherapy on 76 localized prostate cancer patients using an output of the comprehensive and the reduced models. Results: No significant difference was found between the TCP curves of the comprehensive and a simplified version which only considered oxygenation, division of tumor cells and their response to irradiation. Biochemical recurrence predictions using the comprehensive and the reduced models improved those made from pre-treatment imaging parameters (AUC = 0.81 $\pm$ 0.02 and 0.82 $\pm$ 0.02 vs. 0.75 $\pm$ 0.03, respectively). Conclusion: A reduced model of tumor response to radiotherapy able to predict biochemical recurrence in prostate cancer was obtained. Significance: This reduced model may be used in the future to optimize personalized fractionation schedules.

Details

ISSN :
15582531 and 00189294
Volume :
68
Issue :
9
Database :
OpenAIRE
Journal :
IEEE transactions on bio-medical engineering
Accession number :
edsair.doi.dedup.....0e804b824269d79b988f235643cd0220