Low-dose CT for lung cancer screening: opportunities and challenges

Abstract

Lung cancer is among the most frequently diagnosed cancers worldwide and the leading cause of cancer death in both males and females. Screening for lung cancer coupled with earlier intervention has long been studied as an approach to mortality reduction. However, minimal progress was achieved until recently, when low-dose spiral computed tomography (LDCT) screening demonstrated a 20% reduction in mortality from lung cancer in a randomized controlled trial (RCT), the National Lung Screening Trial, from the United States. On the basis of this finding, LDCT has been recommended for lung cancer screening in high-risk populations by several clinical guidelines. However, results from the following independent RCTs in Europe failed to show consistent conclusions. In addition, intractable problems gradually emerged with the progress of LDCT screening. This paper summarizes and discusses the main observations and challenges of LDCT screening for lung cancer. Before spreading implementation of LDCT screening, challenges, including high false-positive rates, overdiagnosis, enormous costs, and radiation risk, must be addressed. Complementary biomarkers and technical improvement are expected in the field of lung cancer screening in the near future.

Keywords

lung cancer / low-dose computerized tomography / early detection / opportunities / challenges

References

[1] Ferlay J, Soerjomataram  I, Dikshit R,  Eser S, Mathers  C, Rebelo M,  Parkin DM,  Forman D,  Bray F. Cancer incidence and mortality worldwide: sources, methods and major patterns in GLOBOCAN 2012. Int J Cancer 2015; 136(5): E359–E386

[2] American Cancer Society. Global Cancer Facts & Figures. 3rd Edition.Atlanta: American Cancer Society, 2015

[3] Chen W, Zheng  R, Baade PD,  Zhang S,  Zeng H, Bray  F, Jemal A,  Yu XQ, He  J. Cancer statistics in China, 2015. CA Cancer J Clin 2016; 66(2): 115–132

[4] Youlden DR, Cramb  SM, Baade PD. The international epidemiology of lung cancer: geographical distribution and secular trends. J Thorac Oncol 2008; 3(8): 819–831

[5] Fontana RS, Sanderson  DR, Woolner LB,  Taylor WF,  Miller WE,  Muhm JR. Lung cancer screening: the Mayo program. J Occup Med 1986; 28(8): 746–750

[6] Gohagan JK, Prorok  PC, Hayes RB,  Kramer BS; Prostate, Lung, Colorectal and Ovarian Cancer Screening Trial Project Team. The Prostate, Lung, Colorectal and Ovarian (PLCO) Cancer Screening Trial of the National Cancer Institute: history, organization, and status. Control Clin Trials 2000; 21(6 Suppl): 251S–272S

[7] Ellert J, Kreel  L. The role of computed tomography in the initial staging and subsequent management of the lymphomas. J Comput Assist Tomogr 1980; 4(3): 368–391

[8] Bach PB, Kelley  MJ, Tate RC,  McCrory DC. Screening for lung cancer: a review of the current literature. Chest 2003; 123(1 Suppl): 72S–82S

[9] Kaneko M, Eguchi  K, Ohmatsu H,  Kakinuma R,  Naruke T,  Suemasu K,  Moriyama N. Peripheral lung cancer: screening and detection with low-dose spiral CT versus radiography. Radiology 1996; 201(3): 798–802

[10] Henschke CI, McCauley  DI, Yankelevitz DF,  Naidich DP,  McGuinness G,  Miettinen OS,  Libby DM,  Pasmantier MW,  Koizumi J,  Altorki NK,  Smith JP. Early Lung Cancer Action Project: overall design and findings from baseline screening. Lancet 1999; 354(9173): 99–105

[11] Infante M, Cavuto  S, Lutman FR,  Passera E,  Chiarenza M,  Chiesa G,  Brambilla G,  Angeli E,  Aranzulla G,  Chiti A,  Scorsetti M,  Navarria P,  Cavina R,  Ciccarelli M,  Roncalli M,  Destro A,  Bottoni E,  Voulaz E,  Errico V,  Ferraroli G,  Finocchiaro G,  Toschi L,  Santoro A,  Alloisio M; DANTE Study Group. Long-term follow-up results of the DANTE Trial, a randomized study of lung cancer screening with spiral computed tomography. Am J Respir Crit Care Med 2015; 191(10): 1166–1175

[12] Blanchon T, Bréchot  JM, Grenier PA,  Ferretti GR,  Lemarié E,  Milleron B,  Chagué D,  Laurent F,  Martinet Y,  Beigelman-Aubry C,  Blanchon F,  Revel MP,  Friard S,  Rémy-Jardin M,  Vasile M,  Santelmo N,  Lecalier A,  Lefébure P,  Moro-Sibilot D,  Breton JL,  Carette MF,  Brambilla C,  Fournel F,  Kieffer A,  Frija G,  Flahault A; Dépiscan Group. Baseline results of the Depiscan study: a French randomized pilot trial of lung cancer screening comparing low dose CT scan (LDCT) and chest X-ray (CXR). Lung Cancer 2007; 58(1): 50–58

[13] Wille MM, Dirksen  A, Ashraf H,  Saghir Z,  Bach KS,  Brodersen J,  Clementsen PF,  Hansen H,  Larsen KR,  Mortensen J,  Rasmussen JF,  Seersholm N,  Skov BG,  Thomsen LH,  Tønnesen P,  Pedersen JH. Results of the randomized danish lung cancer screening trial with focus on high-risk profiling. Am J Respir Crit Care Med 2016; 193(5): 542–551

[14] Lopes Pegna A,  Picozzi G,  Falaschi F,  Carrozzi L,  Falchini M,  Carozzi FM,  Pistelli F,  Comin C,  Deliperi A,  Grazzini M,  Innocenti F,  Maddau C,  Vella A,  Vaggelli L,  Paci E, Mascalchi  M. Four-year results of low-dose CT screening and nodule management in the ITALUNG trial. J Thorac Oncol 2013; 8(7): 866–875

[15] Gohagan J, Marcus  P, Fagerstrom R,  Pinsky P,  Kramer B,  Prorok P; Writing Committee, Lung Screening Study Research Group. Baseline findings of a randomized feasibility trial of lung cancer screening with spiral CT scan vs chest radiograph: the Lung Screening Study of the National Cancer Institute. Chest 2004; 126(1): 114–121

[16] Becker N, Motsch  E, Gross ML,  Eigentopf A,  Heussel CP,  Dienemann H,  Schnabel PA,  Eichinger M,  Optazaite DE,  Puderbach M,  Wielpütz M,  Kauczor HU,  Tremper J,  Delorme S. Randomized study on early detection of lung cancer with MSCT in Germany: results of the first 3 years of follow-up after randomization. J Thorac Oncol 2015; 10(6): 890–896

[17] Pastorino U, Rossi  M, Rosato V,  Marchianò A,  Sverzellati N,  Morosi C,  Fabbri A,  Galeone C,  Negri E,  Sozzi G,  Pelosi G,  La Vecchia C. Annual or biennial CT screening versus observation in heavy smokers: 5-year results of the MILD trial. Eur J Cancer Prev 2012; 21(3): 308–315

[18] van Klaveren RJ,  Oudkerk M,  Prokop M,  Scholten ET,  Nackaerts K,  Vernhout R,  van Iersel CA,  van den Bergh KA,  van ’t Westeinde S, van der Aalst C, Thunnissen E,  Xu DM, Wang  Y, Zhao Y,  Gietema HA,  de Hoop BJ,  Groen HJ,  de Bock GH,  van Ooijen P,  Weenink C,  Verschakelen J,  Lammers JW,  Timens W,  Willebrand D,  Vink A, Mali  W, de Koning HJ. Management of lung nodules detected by volume CT scanning. N Engl J Med 2009; 361(23): 2221–2229

[19] Horeweg N, van Rosmalen  J, Heuvelmans MA,  van der Aalst CM,  Vliegenthart R,  Scholten ET,  ten Haaf K,  Nackaerts K,  Lammers JW,  Weenink C,  Groen HJ,  van Ooijen P,  de Jong PA,  de Bock GH,  Mali W, de Koning  HJ, Oudkerk M. Lung cancer probability in patients with CT-detected pulmonary nodules: a prespecified analysis of data from the NELSON trial of low-dose CT screening. Lancet Oncol 2014; 15(12): 1332–1341

[20] Aberle DR, Adams  AM, Berg CD,  Black WC,  Clapp JD,  Fagerstrom RM,  Gareen IF,  Gatsonis C,  Marcus PM,  Sicks JD. Reduced lung-cancer mortality with low-dose computed tomographic screening. N Engl J Med 2011; 365(5): 395–409

[21] Brain K, Lifford  KJ, Carter B,  Burke O,  McRonald F,  Devaraj A,  Hansell DM,  Baldwin D,  Duffy SW,  Field JK. Long-term psychosocial outcomes of low-dose CT screening: results of the UK Lung Cancer Screening randomised controlled trial. Thorax 2016; 71(11): 996–1005

[22] Bach PB, Mirkin  JN, Oliver TK,  Azzoli CG,  Berry DA,  Brawley OW,  Byers T,  Colditz GA,  Gould MK,  Jett JR,  Sabichi AL,  Smith-Bindman R,  Wood DE,  Qaseem A,  Detterbeck FC. Benefits and harms of CT screening for lung cancer: a systematic review. JAMA 2012; 307(22): 2418–2429

[23] Moyer VA; U.S. Preventive Services Task Force. Screening for lung cancer: U.S. Preventive Services Task Force recommendation statement. Ann Intern Med 2014; 160(5): 330–338

[24] Wood DE. National Comprehensive Cancer Network (NCCN) Clinical Practice Guidelines for Lung Cancer Screening. Thorac Surg Clin 2015; 25(2): 185–197

[25] Optican RJ, Chiles  C. Implementing lung cancer screening in the real world: opportunity, challenges and solutions. Transl Lung Cancer Res 2015; 4(4): 353–364

[26] Sagawa M, Nakayama  T, Tanaka M,  Sakuma T,  Sobue T; JECS Study Group. A randomized controlled trial on the efficacy of thoracic CT screening for lung cancer in non-smokers and smokers of<30 pack-years aged 50-64 years (JECS study): research design. Jpn J Clin Oncol 2012; 42(12): 1219–1221

[27] Zhou Q, Fan  Y, Wu N,  Huang Y,  Wang Y, Li  L, Liu J,  Wang X, Li  W, Qiao Y. Demonstration program of population-based lung cancer screening in China: rationale and study design. Thorac Cancer 2014; 5(3): 197–203

[28] Mehta HJ, Ravenel  JG, Shaftman SR,  Tanner NT,  Paoletti L,  Taylor KK,  Tammemagi MC,  Gomez M,  Nietert PJ,  Gould MK,  Silvestri GA. The utility of nodule volume in the context of malignancy prediction for small pulmonary nodules. Chest 2014; 145(3): 464–472

[29] Gould MK, Fletcher  J, Iannettoni MD,  Lynch WR,  Midthun DE,  Naidich DP,  Ost DE;American College of Chest Physicians: Evaluation of patients with pulmonary nodules: when is it lung cancer? ACCP evidence-based clinical practice guidelines (2nd edition). Chest 2007; 132(3 Suppl):108S–130S

[30] Patz EF Jr, Pinsky  P, Gatsonis C,  Sicks JD,  Kramer BS,  Tammemägi MC,  Chiles C,  Black WC,  Aberle DR; NLST Overdiagnosis Manuscript Writing Team. Overdiagnosis in low-dose computed tomography screening for lung cancer. JAMA Intern Med 2014; 174(2): 269–274

[31] Lindell RM, Hartman  TE, Swensen SJ,  Jett JR,  Midthun DE,  Tazelaar HD,  Mandrekar JN. Five-year lung cancer screening experience: CT appearance, growth rate, location, and histologic features of 61 lung cancers. Radiology 2007; 242(2): 555–562

[32] Black WC, Keeler  EB, Soneji SS. Cost-effectiveness of CT screening in the National Lung Screening Trial. N Engl J Med 2015; 372(4): 388

[33] Stout NK, Rosenberg  MA, Trentham-Dietz A,  Smith MA,  Robinson SM,  Fryback DG. Retrospective cost-effectiveness analysis of screening mammography. J Natl Cancer Inst 2006; 98(11): 774–782

[34] Sharaf RN, Ladabaum  U. Comparative effectiveness and cost-effectiveness of screening colonoscopy vs. sigmoidoscopy and alternative strategies. Am J Gastroenterol 2013; 108(1): 120–132

[35] Stout NK, Lee  SJ, Schechter CB,  Kerlikowske K,  Alagoz O,  Berry D,  Buist DS,  Cevik M,  Chisholm G,  de Koning HJ,  Huang H,  Hubbard RA,  Miglioretti DL,  Munsell MF,  Trentham-Dietz A,  van Ravesteyn NT,  Tosteson AN,  Mandelblatt JS. Benefits, harms, and costs for breast cancer screening after US implementation of digital mammography. J Natl Cancer Inst 2014; 106(6): dju092

[36] McKay JD, Hung  RJ, Han Y,  Zong X, Carreras-Torres  R, Christiani DC,  Caporaso NE,  Johansson M,  Xiao X, Li  Y, Byun J,  Dunning A,  Pooley KA,  Qian DC,  Ji X, Liu  G, Timofeeva MN,  Bojesen SE,  Wu X, Le Marchand  L, Albanes D,  Bickeböller H,  Aldrich MC,  Bush WS,  Tardon A,  Rennert G,  Teare MD,  Field JK,  Kiemeney LA,  Lazarus P,  Haugen A,  Lam S, Schabath  MB, Andrew AS,  Shen H, Hong  YC, Yuan JM,  Bertazzi PA,  Pesatori AC,  Ye Y, Diao  N, Su L,  Zhang R,  Brhane Y,  Leighl N,  Johansen JS,  Mellemgaard A,  Saliba W,  Haiman CA,  Wilkens LR,  Fernandez-Somoano A,  Fernandez-Tardon G,  van der Heijden HFM,  Kim JH, Dai  J, Hu Z,  Davies MPA,  Marcus MW,  Brunnström H,  Manjer J,  Melander O,  Muller DC,  Overvad K,  Trichopoulou A,  Tumino R,  Doherty JA,  Barnett MP,  Chen C, Goodman  GE, Cox A,  Taylor F,  Woll P, Brüske  I, Wichmann HE,  Manz J, Muley  TR, Risch A,  Rosenberger A,  Grankvist K,  Johansson M,  Shepherd FA,  Tsao MS,  Arnold SM,  Haura EB,  Bolca C,  Holcatova I,  Janout V,  Kontic M,  Lissowska J,  Mukeria A,  Ognjanovic S,  Orlowski TM,  Scelo G,  Swiatkowska B,  Zaridze D,  Bakke P,  Skaug V,  Zienolddiny S,  Duell EJ,  Butler LM,  Koh WP, Gao  YT, Houlston RS,  McLaughlin J,  Stevens VL,  Joubert P,  Lamontagne M,  Nickle DC,  Obeidat M,  Timens W,  Zhu B, Song  L, Kachuri L,  Artigas MS,  Tobin MD,  Wain LV,  Rafnar T,  Thorgeirsson TE,  Reginsson GW,  Stefansson K,  Hancock DB,  Bierut LJ,  Spitz MR,  Gaddis NC,  Lutz SM,  Gu F, Johnson  EO, Kamal A,  Pikielny C,  Zhu D, Lindströem  S, Jiang X,  Tyndale RF,  Chenevix-Trench G,  Beesley J,  Bossé Y,  Chanock S,  Brennan P,  Landi MT,  Amos CI. Large-scale association analysis identifies new lung cancer susceptibility loci and heterogeneity in genetic susceptibility across histological subtypes. Nat Genet 2017; 49(7): 1126–1132

[37] Brenner DJ, Hall  EJ. Computed tomography—an increasing source of radiation exposure. N Engl J Med 2007; 357(22): 2277–2284

[38] McCollough CH, Primak  AN, Braun N,  Kofler J,  Yu L, Christner  J. Strategies for reducing radiation dose in CT. Radiol Clin North Am 2009; 47(1): 27–40

[39] Yanagawa M, Gyobu  T, Leung AN,  Kawai M,  Kawata Y,  Sumikawa H,  Honda O,  Tomiyama N. Ultra-low-dose CT of the lung: effect of iterative reconstruction techniques on image quality. Acad Radiol 2014; 21(6): 695–703

[40] van de Wiel JC,  Wang Y, Xu  DM, van der Zaag-Loonen  HJ, van der Jagt EJ, van Klaveren RJ, Oudkerk M; NELSON study group. Neglectable benefit of searching for incidental findings in the Dutch-Belgian lung cancer screening trial (NELSON) using low-dose multidetector CT. Eur Radiol 2007; 17(6): 1474–1482

[41] Heuvelmans MA, Oudkerk  M, de Jong PA,  Mali WP,  Groen HJ,  Vliegenthart R. The impact of radiologists’ expertise on screen results decisions in a CT lung cancer screening trial. Eur Radiol 2015; 25(3): 792–799

[42] Pérez-Ramírez C,  Cañadas-Garre M,  Robles AI,  Molina MA,  Faus-Dáder MJ,  Calleja-Hernández MA. Liquid biopsy in early stage lung cancer. Transl Lung Cancer Res 2016; 5(5): 517–524

Acknowledgements

We thank the support from the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81521004 and 81230067), the Priority Academic Program for the Development of Jiangsu Higher Education Institutions (Public Health and Preventive Medicine), and the Top-Notch Academic Programs Project of Jiangsu Higher Education Institutions.

Compliance with ethics guidelines

Hongbing Shen declares no conflict of interest. This article does not involve a research protocol requiring approval by the relevant institutional review board or ethics committee.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany