Respiratory Zytologie
EINFÜHRUNG
Die Diagnose von Lungenkrebs anhand von zytologischen Methoden ist von historischem Interesse, da sich schon früh gezeigt hat, dass maligne Erkrankungen durch die Untersuchung abgestoßener Zellen nachgewiesen werden können. Donne und Walsh haben im Jahr 1845 unabhängig voneinander festgestellt, dass Sputum abgestoßene Zellen der Atemwege enthält. Die erste große Untersuchungsreihe von Patienten, bei denen eine Untersuchung von Sputum zur Diagnose von Lungenkrebs führte, wurde im Jahre 1919 von Hamplen durchgeführt. In dieser Reihe wurden 13 von 25 Fällen erfolgreich diagnostiziert. Nach einigen Jahren des Stillstands kam es in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts zu einer raschen Weiterentwicklung der Lungenzytologie, insbesondere nachdem sich die Feinnadelaspiration bei der Diagnose von Lungenmalignomen sowie von entzündlichen Erkrankungen und Infektionskrankheiten der Lunge als gute Alternative zur offenen Lungenbiopsie und zur transbronchialen Biopsie erwiesen hatte. In diesen Zeitraum fielen auch technische Fortschritte bei der Durchleuchtung, durch die die Abbildung auch kleiner Läsionen und die gesteuerte Aspirationsbiopsie möglich wurden, sowie Verbesserungen bei der Bronchoskopie.
In den letzten 40 Jahren hat sich die Bedeutung der Atemwegszytologie für die Diagnose von entzündlichen Erkrankungen und Infektionskrankheiten ganz besonders gezeigt, nicht zuletzt in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts mit dem Auftreten von AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome) und dem Einsatz hochdosierter immunsuppressiver Chemotherapien. Beide machen die Patienten anfällig für Infektionen, z. B. mit Pneumocystis carinii und Aspergillus spp. Solche Erkrankungen lassen sich leicht durch die Untersuchung einer Atemwegsprobe diagnostizieren.
Methoden zur Gewinnung von Proben
Zellmaterial zur Diagnose von Lungenkrebs wird anhand von fünf wesentlichen Entnahmemethoden gewonnen. Die älteste und grundlegendste Technik ist die Sputumentnahme, die jedoch vom spontanen Zellabstoß abhängig ist. Zur bronchoskopischen Gewinnung von Untersuchungsmaterial gehören Bronchuswaschung, Bürstenabstrich der Bronchialwand und bronchoalveoläre Spülung. Darüber hinaus kann im Rahmen einer Bronchoskopie oder röntgengesteuert durch die Brustwand eine Nadelaspiration vorgenommen werden.
Keine der Methoden ist den anderen notwendigerweise überlegen. Die Wahl der Methode zur Gewinnung von Probenmaterial ergibt sich aus der persönlichen Vorliebe des Arztes, dem Gesundheitszustand des Patienten, dem Ort der Läsion und anderen Faktoren. Die Morphologie der anhand der verschiedenen Entnahmemethoden gewonnenen Zellen weist beträchtliche Ähnlichkeiten auf. Wichtige Unterschiede ergeben sich jedoch beim Erhaltungsgrad der Zellen und bei der Probenverarbeitung. Diese Unterschiede zeigen sich beispielsweise in der unterschiedlichen Sensitivität beim Nachweis von Lungenkrebs zwischen einem frischen Abstrich und fixiertem, gemischten Sputum. Durch die mechanische Vermischung der Proben hervorgerufene Artefakte senken die Sensitivität des Krankheitsnachweises bei kleinzelligen undifferenzierten Karzinomen und Adenokarzinomen. Durch die mechanische Vermischung werden Zellfragmente zerrissen und muzinhaltige Vakuolen aus den Zellen geschnitten, was die Diagnose eines Adenokarzinoms erschwert. Die Fixierung wirkt sich auf den Kerndurchmesser und die Anfärbequalität des Kernchromatins aus. So sind die Zellkerne eines kleinzelligen Karzinoms in Proben, die durch Bürstenabstrich oder Nadelaspiration gewonnen wurden, im Vergleich zu Sputumproben größer und blasenförmiger. Immer häufiger werden bei der Entnahme und Verarbeitung von Proben flüssigkeitsbasierte Methoden angewandt. Diese Methoden bringen spezifische Artefakte mit sich, deren Bedeutung dem Zytologen bei der Diagnose bekannt sein muss.
Sensitivität und Spezifität der Atemwegszytologie bei der Krebsdiagnose
Lungenkrebs ist weltweit eines der größten Gesundheitsprobleme. Alleine in den USA sind 45 Millionen aktive und 45 Millionen ehemalige Raucher einem Erkrankungsrisiko ausgesetzt. Die richtige Diagnose von Patienten im Anfangsstadium der Erkrankung ist der wichtigste Schritt zur Senkung des Sterblichkeitsrisikos. Wenn Lungenzytologie für diagnostische Zwecke eingesetzt wird, muss ihre Genauigkeit einschließlich der Sensitivität und Spezifität genau bekannt sein. Die Sensitivität beschreibt, wie oft eine zytologische Methode Lungenkrebs bei einem Patienten mit tatsächlichem Tumor richtig identifiziert. Im Allgemeinen kann Krebs bei etwa 50 % der Sputumproben und 65 % der Bürstenabstriche der Bronchialwand sowie der Spülungen eindeutig zytologisch diagnostiziert werden. Die Feinnadelaspiration verfügt sogar, insbesondere wenn sie computertomographisch gesteuert wird, über eine Sensitivität von nahezu 90 %. Die umfangreichste Analyse der Feinnadelaspiration bei der Lunge wurde als Teil des College of American Pathologists Q-Probes Quality Assurance Program vorgestellt. In dieser Studie von 13.094 durch Feinnadelaspiration der Lunge gewonnenen Proben, die an 436 Einrichtungen entnommen wurden, betrug die Sensitivität des Verfahrens 89 % bei einer Spezifität von 96 %, einem positiven Vorhersagewert von 99 % und einem negativen Vorhersagewert von 70 %. Die falsch positive Quote lag bei 0,8 %, die falsch negative bei 8 %. Das Problem einer falsch negativen Zytologie ist für Pathologen sehr irritierend, da das Fehlen von krankhaft veränderten Zellen entweder auf Fehler bei der Probenentnahme (es wurden keine veränderten Zellen eingefangen) oder auf Interpretationsfehler (veränderte Zellen auf dem Objektträger wurden nicht richtig identifiziert) zurückzuführen sein kann.
Vergleichsstudien haben die relative Sensitivität von Bronchuswaschungen und Bürstenabstrichen mit Bronchusbiopsie bewertet. Naryshkin et. al. beschreiben 224 Fälle mit einer vollständigen Korrelation von 75 %. Bei den übrigen Fällen war der diagnostische Wert der Biopsie und Zytologie relativ gleich, was die Autoren zu der Schlussfolgerung führte, dass sich eine spezifische Diagnose häufiger durch die Kombination von Zytologie und Biopsie ergab als durch Zytologie oder Biopsie alleine. Die Spezifität umfasst zwei Faktoren: Wie oft ist nach Diagnose von Malignität tatsächlich eine maligne Erkrankung vorhanden und wie erfolgreich ist die Zytologie bei der Vorhersage der klassischen histologischen Arten von Malignität. Um falsch positive Diagnosen einer malignen Erkrankung zu vermeiden, müssen die morphologischen Eigenschaften der Zellkerne, die traditionell auf Malignität verweisen, in Betracht gezogen werden. Bei großen Untersuchungsreihen liegt die Quote falsch positiver Diagnosen aufgrund atypischer Formen der Metaplasie, reaktiver Veränderungen und Veränderungen durch Reparatur bei 0 bis 2 %.
Ein wichtiger Aspekt der Spezifität bezieht sich auf die Korrelation zwischen verschiedenen Arten von Proben des Respirationstrakts. Vergleiche können zwischen Sputum, zytologischen Bronchusproben, Feinnadelaspiration und histologischem Material angestellt werden. In einer großen Studie von Johnston wurde die Vorhersage histologischer Arten von primärem Lungenkrebs anhand von Sputum und Bronchusmaterial mit der histologischen Diagnose verglichen. Die Übereinstimmungsrate lag bei 85 % für Plattenepithelkarzinome, 79 % für Adenokarzinome, 30 % für adenosquamöse Karzinome, 30 % für großzellige Karzinome und 93 % für kleinzellige Karzinome. Wie bereits zuvor erwähnt ist die schlechte Korrelation zwischen zytologischer und histologischer Diagnose größtenteils auf die unterschiedliche Probenentnahme in verschiedenen Bereichen eines Tumors zurückzuführen. Glücklicherweise ist die Korrelation zwischen histologischer und zytologischer Diagnose beim kleinzelligen undifferenzierten Karzinom relativ hoch, da dies wichtig ist für die Auswahl der Therapie.
Reguläre Zytologie des Respirationstrakts
Der Respirationstrakt steht über den Mundrachenraum (Oropharynx) mit der Außenwelt in Verbindung. Daher können Atemwegsproben eine ganze Reihe externer Substanzen (z. B. Pollen und Asbestkörperchen) und orale Fremdkörper (z. B. Candida und Aktinomyzeten) enthalten.
Zu den normalerweise in Atemwegsproben enthaltenen Zellen gehören Zylinderepithelzellen mit oder ohne Zilien, Makrophagen, Epithelzellen aus den Endbronchiolen sowie Entzündungszellen. Die Anzahl und Proportionen der Zellen unterscheiden sich je nach Probenart und zugrunde liegender Erkrankung.
Epithelzellen können erhebliche reaktive Veränderungen als Antwort auf Verletzung durch Infektion, Strahlung oder Chemotherapie aufweisen. Daher müssen Zytomegalie, Zellkernvergrößerungen und Veränderungen beim Chromatin im Zusammenhang mit der Krankengeschichte des Patienten interpretiert werden.
Infektionen mit Auswirkungen auf den Respirationstrakt
Alle Arten von Organismen können sich auf den Respirationstrakt auswirken. Eine zytologische Untersuchung lohnt sich jedoch vor allem bei den Erkrankungen, die zytomorphologische Veränderungen (z. B. Vireneinschlüsse) hervorrufen, oder bei denen die Organismen optisch erkennbar sind (z. B. Pilzhyphen). Die später in diesem Abschnitt gezeigten Mikroaufnahmen zeigen die am häufigsten vorkommenden Arten von Organismen. Bei den Virusinfektionen werden u. a. das Herpes-simplex-Virus und das Zytomegalie-Virus gezeigt. Beide Viren verursachen typische Zellkerneinschlüsse und im Falle des Zytomegalie-Virus auch Einschlüsse im Zytoplasma.
Zu den üblicherweise anhand von zytologischen Untersuchungen diagnostizierten Pilzinfektionen gehören die Infektion mit Aspergillus spp, Candida spp, Cryptococcus neoformans und Histoplasma capsulatum, Mukor-Mykosen sowie Infektionen mit Blastomyces dermatitidis.
Wesentliche morphologische Merkmale von Lungenkrebs
Die Grenzen zwischen den morphologischen Merkmalen der Hauptarten des Lungenkrebs sind häufig verwischt, da kombinierte Tumore auftreten können. Dies kann Probleme bei der Diagnose bereiten. So werden etwa 5 bis 10 % aller kleinzelligen Karzinome von einem nicht-kleinzelligen Karzinom begleitet. Bei der nicht-kleinzelligen Komponente kann es sich um ein Plattenepithelkarzinom, ein Adenokarzinom, ein großzelliges Karzinom oder gar eine Kombination dieser Karzinomarten handeln.
Plattenepithelkarzinom
Die Zellen des Plattenepithelkarzinoms bilden in der Regel zusammenhängende Zelllagen oder liegen einzeln vor einem nekrotischen Hintergrund. Sie können unterschiedlichste Formen und Größen aufweisen. Einige Zellen sind eventuell klein und dyskeratotisch oder nur leicht größer als eine metaplastische Zelle. Andere Zellen wiederum können einen Durchmesser aufweisen, der um ein Vielfaches größer ist als der normaler Bronchialepithelzellen. Bei verhornenden Formen des Lungenkrebses finden sich auch bizarre Gebilde wie kaulquappenförmige Tumorzellen und Keratinperlen.
Die Eigenschaften des Zytoplasmas dienen zur Bestimmung einer squamösen Differenzierung. Hierzu gehören scharfe Ränder, eine orange oder stark basophile Färbung des Zytoplasmakeratins sowie Keratinfilamente am Außendurchmesser der Zelle.
Die Zellen werden durch Merkmale des Zellkerns als bösartig identifiziert. Der Zellkern ist groß, evtl. mit tiefen Furchen, scharfen Kanten oder Scharten. Die Kernhülle ist unterschiedlich dick. Das Chromatin kann ungleichmäßig geklumpt oder so dicht sein, dass der Zellkern undurchsichtig wird. Kernkörperchen treten, sofern vorhanden, in der Regel mehrfach auf mit unterschiedlichen Formen.
Gutartige Zustände können ein Plattenepithelkarzinom der Lunge imitieren. Wenn metaplastisches Epithel durch Chemotherapie, Strahlentherapie oder entzündliche Zustände (z. B. eine Aspergillus-Infektion oder einen Lungeninfarkt) irritiert wird, können die metaplastischen Zellen neoplastischen Zellen ähneln. Schlecht differenzierte Plattenepithelkarzinome lassen sich unter Umständen nur schwer von anderen schlecht differenzierten Krebsformen (der Lunge oder nach Metastasenbildung) unterscheiden.
Adenokarzinom
Adenokarzinome entstehen üblicherweise an der Peripherie der Lunge. Sie sind beachtenswert, da Adenokarzinome mittlerweile die zweithäufigste maligne Erkrankungsform bei Frauen darstellen. Der häufigste morphologische Adenokarzinomtyp ist das azinöse Adenokarzinom. Bei dieser bösartigen Veränderung bilden sich glanduläre Strukturen, die je nach Grad der Differenzierung dreidimensionale Strukturen, eventuell mit zentralem glandulären Lumen, formen. Bei schlechter differenzierten Tumoren fehlt dieses Merkmal möglicherweise. Die Diagnose wird dann anhand der Eigenschaften des Zytoplasmas gestellt. Adenokarzinome verfügen über reichlich Zytoplasma, das Vakuolen oder Blasen aufweisen kann. Das Zytoplasma ist weniger scharf abgegrenzt als beim Plattenepithelkarzinom, da weniger Zytoplasmakeratin vorhanden ist.
Die Zellkerne eines Adenokarzinoms sind in der Regel rund. Größe und Form der Kerne können im Vergleich zum Plattenepithelkarzinom relativ einheitlich sein. Das Chromatin bildet Blasen. Kernkörperchen sind, sofern vorhanden, normalerweise zentral im Zellkern angesiedelt.
Adenokarzinome können im Epithel der Endbronchiolen entstehen. Diese Tumore (bronchioloalveoläre Zellkarzinome) weisen markante klinische und morphologische Merkmale auf.
Morphologisch ist die Einheitlichkeit der Zellen auffällig. Runde Zellen mit etwa der Größe von Lungenmakrophagen sind blumen-/blattförmig angeordnet. Das Kernchromatin ist blass, beinahe durchsichtig, und die Zellen weisen ein prominentes, rundes und zentral gelegenes Kernkörperchen auf. Ein Lungeninfarkt kann reaktive Veränderungen in den Zellen der Endbronchiolen hervorrufen, die fälschlicherweise für ein bronchioloalveoläres Karzinom gehalten werden können.
Großzelliges undifferenziertes Karzinom
Die Zellen eines großzelligen undifferenzierten Karzinoms weisen weder die Merkmale einer squamösen noch einer glandulären Differenzierung auf. Die Zellen sind „groß“. Häufig handelt es sich um pleomorphe Riesenzellen mit offensichtlich malignen Zellkernmerkmalen. Die Zellen können mehrere Kerne enthalten, das Chromatin ist grobklumpig und es können Makronukleolen vorhanden sein. Da einzelne Zellen vorherrschen, gehören zur Differenzialdiagnose auch andere maligne Erkrankungen wie das Melanom und das großzellige Lymphom.
Kleinzelliges undifferenziertes Karzinom
Der Durchmesser der Zellen eines kleinzelligen undifferenzierten Karzinoms ist ungefähr 1,5 bis 2 Mal so groß wie der kleiner Lymphozyten. Die kleinen Zellen sind rund oder karottenförmig. Bei geringer Vergrößerung scheint den Tumorzellen das Zytoplasma zu fehlen, bei starker Vergrößerung zeigt sich jedoch bei gut erhaltenen Zellen ein dünner Rand von Zytoplasma. Die Zellen können einzeln und in linearer Anordnung im Atemwegsschleim oder in lose zusammenhängenden Clustern auftreten. Ein wesentliches Merkmal ist die gegenseitige Verformung der Tumorzellen aufgrund des schnellen Wachstums des Tumors im begrenzten Raum der Submukosa. Weitere für den Zytologen wichtige Merkmale sind das typische „Pfeffer-und-Salz“-Chromatin, die Nekrose einzelner Tumorzellen in den Zell-Clustern sowie das spärliche Zytoplasma. Unter den kleinzelligen Karzinomen finden sich auch Fälle mit größeren Zellen mit einem Durchmesser, der etwa das Dreifache des Durchmessers eines Lymphozyts beträgt. Diese Fälle zählen zur 1981 von der WHO definierten intermediären Untergruppe des kleinzelligen Karzinoms. Die Unterscheidung zwischen diesem Tumor und einem schlecht differenzierten nicht-kleinzelligen Karzinom kann sich als schwierig erweisen. Besonders problematisch ist der so genannte großzellige Typus des neuroendokrinen Karzinoms, das dem großzelligen Karzinom sehr ähnlich ist.
Zur Differenzialdiagnose des kleinzelligen Karzinoms gehören die Reservezellhyperplasie, verfestigte Schleimsubstanz, Lymphozyten und andere kleinzellige Tumore. Das bei weitem häufigste Problem ist die Reservezellhyperplasie. Reservezellen liegen normalerweise entlang der Basalmembran des Epithels, wo sie für den Zellnachschub bei den Bronchialepithelzellen sorgen. Eine Irritation der Atemwege stimuliert die Zellwucherung. Reservezellen lassen sich anhand verschiedener Merkmale richtig identifizieren. Sie haben in etwa die Größe kleiner Lymphozyten mit dichtem Chromatin, dem das salzig-pfeffrige Aussehen sowie die Mikronukleolen des kleinzelligen Karzinoms fehlen. Reservezellen treten fast immer in dichten Clustern auf. Die Zellen im Cluster behalten ihre Zellgrenzen ohne große Zellkernverformung (ein Merkmal des kleinzelligen Karzinoms).