Author's Accepted Manuscript

Extramedullary Hemopoiesis Eleni Orphanidou-Vlachou MBChB, PhD, Chrysa Tziakouri-Shiakalli MD, PhD, Christos Georgiades MD, PhD, FSIR

www.elsevier.com/locate/enganabound

PII: DOI: Reference:

S0887-2171(13)00146-7 http://dx.doi.org/10.1053/j.sult.2013.12.001 YSULT569

To appear in: Semin Ultrasound CT MRI

Cite this article as: Eleni Orphanidou-Vlachou MBChB, PhD, Chrysa Tziakouri-Shiakalli MD, PhD, Christos Georgiades MD, PhD, FSIR, Extramedullary Hemopoiesis, Semin Ultrasound CT MRI , http://dx.doi.org/10.1053/j.sult.2013.12.001 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting galley proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Extramedullary Hemopoiesis    Eleni Orphanidou‐Vlachou1, Chrysa Tziakouri‐Shiakalli2, Christos Georgiades3    1. Eleni Orphanidou‐Vlachou MBChB PhD  Radiology Trainee  Department of Radiology  Nicosia General Hospital  Nicosia, Cyprus  [email protected]  2. Tziakouri Shiakalli Chrysa MD,PhD  Interventional Radiologist          Deputy Director Radiology Department         Nicosia General Hospital         Cyprus           Email: kithreas @cytanet.com.cy      [email protected]                                   3. Christos Georgiades MD PhD FSIR  Director, Vascular & Interventional Radiology  American Medical Center  Nicosia, Cyprus  [email protected] 

  Name  of  Institution  where  the  work  reported  was  done:  Nicosia  General  Hospital, Archbishop Makarios III Hospital  Grant support:  none  Corresponding author:   Christos S Georgiades MD PhD FSIR  American Medical Center, 215 Spyrou Kyprianou Avenue, 2047 Nicosia, Cyprus  (357)‐22‐476777  [email protected]    Abstract    Various  chronic  hematological  disorders  that  lead  to  ineffective  hemopoiesis  or  inadequate  bone  marrow  function  (i.e.  chronic  hemolytic  anemias,  thalassemia,  sickle  cell  anemia,  myelofibrosis  of  many  causes,  lymphoma,  leukemia)  can  potentially  precipitate  extra‐marrow  new  blood  element  creation.    Extra  marrow  soft tissue that produces blood elements is called extramedullary hemopoietic tissue  and  the  process  extramedullary  hemopoiesis  (EMH).    Sites  commonly  involved  by  extramedullary  hemopoiesis  include  the  liver,  spleen,  lymph  nodes  and  most  commonly  paravertebral  regions,  although  other  sites  can  sometimes  be  involved.  Physicians  rarely  consider  extramedullary  hemopoiesis  in  their  differential  diagnosis  even  in  cases  where  it  is  warranted  (diseases  of  ineffective  erythropoiesis).  This  is  likely  because  of  the  rarity  of  the  condition  and  because 

imaging findings are non‐specific. We present here a systematic review the imaging  findings in extramedullary hemopoiesis.         Extramedullary Hemopoiesis    Various  chronic  hematological  disorders  that  lead  to  ineffective  hemopoiesis  or  inadequate  bone  marrow  function  (i.e.  chronic  hemolytic  anemias,  thalassemia,  sickle  cell  anemia,  myelofibrosis  of  many  causes,  lymphoma,  leukemia)  can  potentially  precipitate  extra‐marrow  new  blood  element  creation.    Extra  marrow  soft  tissue  that  produces  blood  elements  is  called  extramedullary  hemopoietic  tissue  and  the  process  extramedullary  hemopoiesis  (EMH).    The  incidence  of  EMH  is  highest  in  chronic  hemolytic anemias, especially thalassemia intermedia. The transfusion‐independence in  patients  with  thalassemia  intermedia  causes  greater  pressure  for  the  compensatory  mechanisms  leading  to  EMH  (compared  to  for  example,  poly‐transfused  thalassemia  major patients) (1). There are two sources of EMH, one seen when normal hemopoietic  tissue expands outside the bone marrow medulla, through permeative erosions of the  inner  cortex  and  a  second  seen  when  previously  hemopoietic  tissues  that  become  normally dormant are reactivated. It should be obvious then that findings can be non‐ specific  and  mimic  other  diseases  including  malignancies.  Because  EMH  masses  can  mimic neoplasms, tissue biopsy may be required to exclude that diagnosis. These lesions  most  often  are  detected  incidentally  on  imaging,  but  sometimes  can  present  due  to 

mass effect, such as in the case of spinal cord compression from intraspinal canal lesions  (2,  3).  Ineffective  erythropoiesis  also  leads  to  expansion  of  bone  marrow  space  in  the  ribs, long bones, vertebral column, skull and characteristically, facial bones and may lead  to  osteoporosis.  The  medulla  expands,  cortical  bone  thins  and  cancellous  bone  is  resorbed,  leading  to  bone  density  loss.  Furthermore,  premature  fusion  of  the  growth  plates in tubular bones of the extremities is common in children with thalassemia major  (3) resulting in physical growth delays.     Sites commonly involved by extramedullary hemopoiesis include the liver, spleen, lymph  nodes  and  most  commonly  the  paravertebral  regions.  The  thymus,  heart,  breasts,  prostate, broad ligaments, kidneys, adrenal glands, pleura, retroperitoneal tissue, skin,  peripheral and cranial nerves and the spinal canal may also be involved (2). These sites  are  thought  to  be  involved  in  active  hematopoiesis  in  the  fetus,  and  although  their  activity  ceases  at  birth,  the  extramedullary  hemopoietic  vascular  connective  tissues  retain the ability to produce red cells, in cases of chronic ineffective erythropoiesis (1).     Head & Neck   EMH is rare in the head and neck, but has been reported in the nasopharynx, paranasal  sinuses, middle ear, lacrimal fossa, cervical lymph nodes, thyroid gland and paratracheal  area (4, 5). EMH can rarely occur in the nasopharynx, causing obstructive sleep apnea  (6).  T1‐  and  T2‐weighted  MRI  may  show  a  hyperintense  mass  in  the  mucosa  of  the  pharynx/nasopharynx, or a diffusely T2‐hyperintense thickening of the nasopharyngeal 

mucosa (2). Another rare location for EMH is the paranasal sinuses (7), most commonly  the  maxillary  sinus,  where  it  is  usually  asymptomatic.  It  has  also  been  reported  in  the  ethmoid  and  sphenoid  sinuses  (4),  and  may  be  confused  with  chronic  sinusitis  and/or  mucoceles. CT imaging reveals a soft tissue mass occupying the paranasal sinuses, which  maybe  partially  calcified,  a  characteristic  of  chronicity  or  a  “burnt‐out”  lesion.  MR  imaging demonstrates a mass with variable signal intensity on T1 weighted imaging and  a T2‐hyperintense mass with homogeneous contrast enhancement (2, 4).  Occasionally  and  especially  in  thalassemia  major,  the  marrow  of  the  skull  can  expand  and  erode  cortical bone (Figs. 1, 2) giving rise to the “hair‐on‐end” appearance.      Chest   The  paravertebral  region  is  a  very  common  site  (probably  the  most  common)  for  extramedullary  hemopoietic  tissue,  and  when  this  happens  it  presents  as  large  multi‐ lobed,  paravertebral  thoracic  masses.  They  rarely  cause  significant  symptoms,  such  as  dyspnea,  pleural  effusion  or  hemothorax  (2).  If  paraspinal  hemopoietic  tissues  extend  into  the  central  canal,  neurologic  symptoms  of  spinal  cord  compression  are  observed  (8). Chest X‐Ray reveals smooth, well demarcated paraspinal masses (2, 8) (Figs. 3, 4, 5).  Rib (Figs. 3, 4, 6) or diploic space (Figs. 1, 2) (“hair‐on‐end appearance”) expansion can  occur,  especially  in  thalassemia  (8).  These  and  other  radiological  signs  of  chronic  anemia, such as cardiomegaly, and clinical features such as high‐output cardiac failure  suggest the diagnosis of EMH (2, 8).  

On computed tomography (CT) images, EMH paravertebral masses appear isodense to  adjacent muscle, smooth and well marginated and usually do not erode adjacent bone  from  outside‐in  (Figs.  7,  8,  9).  Actively  hemopoietic  masses  demonstrate  mild  homogeneous  enhancement  post‐contrast  (high  vascularity),  whereas  old  burnt‐out  lesions  have  inhomogeneous  contrast‐enhancement  due  to  iron  deposition  and  fat  infiltration (2, 8, 9).   These paraspinal masses are characteristic as they involve multiple  levels in a bilateral distribution and are nearly symmetric.  Very few other diseases can  present  thusly  and  therefore,  the  diagnosis  of  EMH  should  be  strongly  considered  in  such  cases.  MR  imaging  can  be  useful  for  further  evaluation  of  paravertebral  masses  (Figs.10,  11, 12), although findings  are non‐specific (2, 8). Fat within the paravertebral  masses gives high signal intensity on T1‐ and T2‐weigthed images (2). 

Abdomen and Pelvis   The commonest sites of EMH in the abdomen are the liver, spleen and lymph nodes, all  sites of in‐utero hemopoietic activity. Signs and symptoms include hepatosplenomegaly  (Figs. 13, 14, 15) and abdominal discomfort, as well as shortness of breath in the case of  massive  enlargement  (2,  8).  Pain  can  be  the  presenting  symptom  if  splenic  infarction  occurs  (2).  Hepatosplenomegaly  can  be  detected  on  cross‐sectional  imaging  (CT,  MRI,  US) and 99mTc methylene diphosphonate whole body bone scan (2, 8).     Usually there are no focal liver or splenic lesions in EMH, but rarely CT can reveal foci of  EMH noted as uniformly low‐attenuation lesions with clear margins (Figs. 16, 17). On T1‐ weighted  MRI  these  can  be  seen  as  hypointense  masses,  and  slightly  hyperintense  compared to liver parenchyma on T2‐weighted MRI (Fig. 18) (8). Follow‐up imaging with  clinical correlation or image‐guided biopsy is required to confirm the diagnosis of EMH.  Multiple involved, enlarged retroperitoneal lymph nodes may also be detected (2).     In  transfusion‐dependent  chronic  anemia,  multiple  transfusions  can  lead  to  secondary  hemosiderosis and/or hemochromatosis. This is detected as a homogeneous increase in  the density of the liver and spleen on CT as a result of iron deposition, and low signal on  T1‐  and  T2‐weighted  MRI  (Figs.  18,  19  )  and  may  complicate  the  appearance  of  liver  involved by EMH (2, 8).     Albeit it rarely, the kidneys may also be involved by EMH, which may present as uniform 

enhancing perinephric masses engulfing the kidneys (Fig. 20). The masses do not distort  the shape of the kidneys and may present a diagnostic dilemma; difficult to distinguish  from  renal  lymphoma  (8).  On  ultrasonography,  they  can  appear  as  echogenic  masses  that replace most of the pelvocalyceal system of the kidneys (10). EMH may also involve  the  mesentery,  and  needs  to  be  differentially  diagnosed  from  lymphadenopathy  or  metastatic disease (8).     Presacral pelvic hemopoietic masses are rare, and present as well‐marginated, lobulated  masses,  with  soft  tissue  density,  with  or  without  bony  erosion  on  CT.    On  T1‐  and  T2‐ weighted  MR  imaging,  they  appear  as  well‐encapsulated  masses,  slightly  hyperintense  (fatty tissue) or isointense to muscle, with uniform gadolinium enhancement (Figs. 21,  22) (2, 8, 9).  

Conclusion   Extramedullary  hemopoiesis  is  a  reactive/compensatory  mechanism  of  new  extra‐ marrow blood element formation as a result of chronically ineffective erythropoiesis. It  is  usually  seen  in  paraspinal  areas,  the  spleen,  liver  and  lymph  nodes,  although  a  spectrum of other anatomical sites has been reported, as described above.  The rarity of  the  disease  and  the  non‐specific  findings  hinder  initial  consideration  of  the  diagnosis.   Physicians need to be aware of this possibility in order to initiate appropriate diagnostic  and  treatment  interventions.    Knowledge  of  the  patients’  clinical  history  is  absolutely  essential.    A  history  of  a  disease/condition  resulting  in  chronically  ineffective  hemopoiesis  should  prompt  the  physician  to  have  a  high  index  of  suspicion.  The  patient’s  history,  clinical  and  laboratory  findings,  together  with  plain  radiography  findings of cardiomegaly, rib or diploic space expansion can quickly point the physician  in the diagnostic possibility of EMH. There are clearly described imaging findings in plain  radiography,  computed  tomography,  magnetic  resonance  imaging  and  bone  scans,  which  can  establish  the  diagnosis  in  the  appropriate  context.  Follow‐up  imaging  or  tissue biopsy may sometimes be required to clarify the differential diagnosis, especially  in tumor‐like lesions.     Acknowledgments:  We  would  like  to  thank  Dr.  Sotiroulla  Christou  from  the  Cyrpus  Thalassaemia  Centre,  for  her  help  with  identifying  patients  with  relevant  findings  and  their clinical histories.  

References   1.  Haidar  R,  Mhaidli  H,  Taher  AT.  Paraspinal  extramedullary  hematopoiesis  in  patients  with thalassemia intermedia. Eur Spine J. 19(6):871‐8, 2010   2. Sohawon D, Lau KK, Lau T, et al. Extra‐medullary haematopoiesis: A pictorial review of  its typical and atypical locations. J Med Imaging Radiat Oncol. 56:538‐44, 2012   3. Zhu G, Wu X, Zhang X, et al. Clinical and Imaging Findings in thalassemia patients with  extramedullary hematopoiesis. Clin Imaging 36:475‐82, 2012   4. Saito N, Nadgir RN, Flower EN, et al. Clinical and Radiologic Manifestations of Sickle  Cell Disease in the Head and Neck. Radiographics. 30(4):1021‐34, 2010   5.  Kurtman  C,  Ozbilgin  MK,  Andrieu  MN,  et  al.  Paratracheal  extramedullary  hematopoiesis. Int J Hematol. 73(4):492‐5, 2001   6.  Kapelushnik  J,  Shalev  H,  Schulman  H,  et  al.  Upper  airway  obstruction‐related  sleep  apnea  in  a  child  with  thalassemia  intermedia.  J  Pediatr  Hematol  Oncol.  23(8):525‐6,  2001   7.  Bizzoni  A,  Lombardi  D,  Maroldi  R,  et  al.  Extramedullary  hematopoiesis:  A  rare  occurrence in the sinonasal tract. Auris, nasus, larynx. 37(2):233‐7, 2010   8.  Georgiades  CS,  Neyman  EG,  Francis  IR,  et  al.  Typical  and  Atypical  Presentations  of  Extramedullary Hemopoiesis AJR Am J Roentgenol. 179:1239‐43, 2002   9.  Işık  Balcı  Y,  Kaya  V,  Ateşçi  MS.  Presacral  and  intrathoracic  extramedullary  hematopoiesis: a case report. Clin Imaging. 36(4):406‐8, 2012  

10. Kwak H. S., Lee J. Μ. CT findings of extramedullary hematopoiesis in the thorax, liver  and  kidneys,  in  a  patient  with  idiopathic  myelofibrosis.  J  Korean  Med  Sci.  15(4):460‐2,  2000    Legends  Figure 1.  Lateral skull radiograph of a 40 year‐old man with thalassemia major.  Image  demonstrates  diploic  space  expansion  with  “hair‐on‐end  appearance”  as  the  marrow  expands through the thinned cortex (arrowheads).     Figure 2.  Mid‐sagittal T1‐w image of a 49‐year old male with a history of thalassemia.  Image demonstrates diploic space expansion and cortical thinning (arrowheads).     Figure 3.  PA chest film of a 55‐year old male with a history of thalassemia intermedia  who was transfusion‐independent for many years.  The image demonstrates very large  paraspinal masses (star and long arrow) and rib expansion (small arrow).     Figure  4.    AP  chest  film  of  a  25  year‐old‐male  with  thalassemia  and  known  paraspinal  extramedullary  hemopoiesis.    Image  shows  diffuse  expansion  of  the  ribs  (arrowheads)  and paraspinal soft tissue mass (arrow).     Figure 5.   PA and lateral chest films of a young female with history of thalassemia and  known extramedullary hemopoiesis.  Images show bilateral, bulky paraspinal soft tissue 

masses (arrowheads) compatible with extramedullary hemopoiesis. Images courtesy Dr  Michael B. Sneider, University of Michigan.     Figure 6.   PA chest film of a 50 year‐old man with thalassemia intermedia who has not  required blood transfusions.  The image demonstrates marked, bilateral, symmetric rib  expansion (arrows).     Figure 7.   Axial CT through the chest of a 59‐year old man with a history of thalassemia  intermedia.    The  image  demonstrates  smooth,  uniformly  dense,  well‐marginated  paravertebral masses with no bony‐erosion (arrowheads).     Figure  8.      Axial  CT  image  through  the  chest  of  a  49  year‐old  male  with  a  history  of  thalassemia.      The  image  shows  paravertebral  and  juxta‐coastal  EMH  masses.  Marked  osteoporosis of the vertebral body and mild rib expansion (arrowheads) is also noted.     Figure 9.   Axial contrast‐enhanced, CT image through the chest of a young female with a  history  of  thalassemia  and  known  extramedullary  hemopoiesis.    The  image  demonstrates uniformly enhancing, hemopoietic masses without bony erosion (arrows).  Images courtesy Dr Michael B. Sneider, University of Michigan.       Figure  10.      T2‐w MR image through the chest of a 52‐year old male with a history of 

thalassemia intermedia who has not received blood transfusions.  Image demonstrates  rib expansion and paravertebral masses (arrowheads) which are slightly hyperintense to  muscle.     Figure 11.   Axial T2‐w MR image through the chest of a 53‐year old male with a history  of thalassemia demonstrating homogeneous paravertebral EMH masses (arrows).    Figure 12.   Axial T2‐w MR image through the chest of a 53‐year old male with a history  of  thalassemia  intermedia,  demonstrating  large,  hyper‐intense  heterogeneous  paravertebral masses and rib expansion (arrows).     Figure 13.   Frontal abdominal film and reconstructed CT image of a 59‐year old with a  history  of  thalassemia  intermedia.    There  is  marked  hepatomegaly  (arrows)  and  splenomegaly (arrowheads) as well as visceral displacement towards the midline.     Fig. 14.    Coronal T1‐weighted MR image of the abdomen of a 51 year‐old‐female with  myelofibrosis  and  splenomegaly  on  physical  examination  demonstrates  massive  splenomegaly  (arrowheads)  secondary  to  infiltration  by  immature  hemopoietic  elements.     Fig.  15.      Posterior  and  anterior  views  from  a  T99m‐MDP  bone  scan  of  54  year‐old‐ female  with  long  standing  myelofibrosis  who  presents  with  shortness  of  breath  and 

abdominal  pain.  Images  show  massive  hepatomegaly  that  proved  to  be  due  to  extramedullary hemopoiesis.     Fig. 16.   Axial contrast enhanced CT(A) and T1‐w MR (B) images through the liver of a 33  year‐old  male  with  unspecified  myeloproliferative  disorder  presenting  with  abdominal  pain.  Patient  has  a  history  of  splenectomy  for  severe  splenomegaly  as  well  cavernous  transformation of the portal vein.  Images show an ill‐defined mass (star) in the region  of  the  porta‐hepatis  which  is  iso‐intense  to  the  liver  parenchyma  on  MR.    The  mass  proved to be extramedullary hematopoietic tissue.     Fig.  17.      Axial  CT  image  through  the  liver  dome  of  a  40  year‐old‐male  with  sickle  cell  disease demonstrates two well‐delineated homogeneously low density lesions (arrow).  Ultrasound‐guided percutaneous needle biopsy revealed a polymorphous population of  mature and immature hemopoietic cells consistent with extramedullary hemopoiesis.    Fig.  18.      Axial  T1  and  T2  w  MR  images  through  the  liver  of  a  53  year‐old‐male  with  weight  loss  and  abdominal  pain  show  a  T1‐hypointense,  T2‐hyperintense,  partially  exophytic mass from the left lobe of the liver.  Percutaneous biopsy showed the mass to  be  made  of  mature  and  immature  hemopoietic  cells  compatible  with  extramedullary  hemopoiesis. The patient was subsequently diagnosed with myelofibrosis.    Fig. 19.   Axial, non‐contrast enhanced CT image through the liver of a 40 year‐old‐male 

with sickle cell disease and 5‐6 painful crises per year presenting with abdominal pain,  shows  a  dense  liver  parenchyma  consistent  with  hemosiderosis    The  patient’s  history  included multiple transfusions.  

Fig. 20.   Axial CT 2‐years prior to presentation (top) and at presentation (bottom) of a  56  year‐old‐male  with  myelofibrosis  presenting  with  flank  and  abdominal  pain.    The  current  CT  scan  shows  bilaterally  symmetric  perinephric  masses  with  minimal  enhancement. Biopsy revealed hemopoietic tissue.     Fig. 21.   Axial CT (top), axial T1‐w MR (bottom) and mid‐sagittal T2‐w MR (right) images  of a 49‐year old male with a history of thalassemia.  Images show a uniformly enhancing,  presacral mass, with clear margins (arrowheads) and mild bony erosion.     Fig.  22.    Axial  CT  image  through  the  pelvis  of  a  48‐year‐old‐male  with  a  history  of  hemolytic anemia complicated by myelofibrosis. Image reveals a pre‐sacral, soft tissue  mass  (arrowhead)  without  bone  destruction.  Biopsy  demonstrated  megakaryocytes,  erythroid  and  myeloid  precursors  characteristic  of  extramedullary  hematopoiesis.  Courtesy Dr. Isaac Francis, University of Michigan          

Fig 1  

Fig 2  

 

Fig 3  

 

Fig 4  

 

Fig 5  

 

Fig 6  

 

Fig 7  

 

Fig 8  

 

Fig 9  

 

Fig 10 

 

Fig 11  

 

Fig 12  

 

Fig 13 

 

Fig 14  

 

Fig 15 

 

Fig 16  

 

Fig 17  

 

Fig 18  

 

Fig 19  

 

Fig 20 

 

Fig 21 

 

Fig 22 

 

Extramedullary hemopoiesis.

Various chronic hematologic disorders that lead to ineffective hemopoiesis or inadequate bone marrow function (ie, chronic hemolytic anemias, thalasse...
3MB Sizes 5 Downloads 4 Views