Ультразвуковые волны в опухолях посредством игольчатого облучения для точной медицины

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6513 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1865 г.

4 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Основанные на междисциплинарном взаимодействии физики и биологических наук, стратегии точной диагностики и лечения на основе медицины в последнее время привлекли большое внимание из-за фактической применимости новых инженерных подходов во многих областях медицины, особенно в онкологии. В этом контексте использование ультразвука, используемого для атаки раковых клеток в опухолях с целью вызвать возможные механические повреждения в различных масштабах, привлекает все большее внимание ученых и ученых во всем мире. Принимая во внимание эти соображения, на основе специальных упругодинамических решений и численного моделирования, мы предлагаем пилотное исследование для моделирования in silico распространения ультразвуковых волн внутри тканей с целью выбора подходящих частот и мощностей для локального облучения через новая терадиагностическая платформа, основанная на технологии Lab-on-Fiber, получившая название «больница в игле» и уже являющаяся объектом патента. Считается, что результаты и соответствующие биофизические данные, полученные в результате анализа, могут проложить путь к разработке новых интегрированных диагностических и терапевтических подходов, которые могут сыграть центральную роль в будущих применениях точной медицины, начиная с растущей синергии между физикой, инженерией и медициной. биология.

Необходимость снижения побочных эффектов для пациентов постепенно заняла видное место в оптимизации обширной категории клинических применений. С этой целью точная медицина1,2,3,4,5 стала стратегической целью по снижению доз лекарств, доставляемых пациенту, по существу, следуя двум основным подходам. Первый основан на лечении, разработанном с учетом геномных характеристик пациента. Второй направлен на то, чтобы избежать системной процедуры доставки лекарств, пытаясь высвободить небольшие количества лекарств, но с более высокой точностью, используя также локализованное лечение, которое становится золотым стандартом в онкологии. Конечная цель – отменить или, по крайней мере, минимизировать негативные побочные эффекты многих терапевтических подходов, таких как системное введение химиотерапевтических или радионуклидных препаратов. Даже лучевая терапия может представлять собой высокий риск для здоровых тканей в зависимости от типа рака, его локализации, дозы радиации и других факторов. При лечении глиобластомы6,7,8,9 хирургическим путем удается удалить основной рак, но даже при отсутствии метастазов может присутствовать множество мелких раковых инфильтратов. Если их не удалить полностью, новые раковые образования могут регенерировать за относительно короткий период времени. В этом случае применить вышеупомянутые стратегии прецизионной медицины очень сложно, поскольку эти проникновения трудно обнаружить и они распространены на довольно большой территории. Эти препятствия препятствуют возможности получения окончательного результата, который предотвращает любой рецидив с помощью прецизионной медицины, поэтому в некоторых случаях предпочтительным является системный подход к доставке лекарств, хотя используемые лекарства могут иметь чрезвычайно высокий уровень токсичности. Чтобы преодолеть эту проблему, идеальная терапия подразумевала бы принятие минимально инвазивных стратегий, способных избирательно атаковать раковые клетки, сохраняя здоровые ткани. В рамках этой аргументации возможным решением, по-видимому, является использование ультразвуковых колебаний, которые, как было продемонстрировано, оказывают различное воздействие на раковые и здоровые клетки, как в одноклеточных системах, так и в клеточных гетеротипических кластерах на мезомасштабе10. 11,12.

С механической точки зрения здоровые и раковые клетки фактически демонстрируют разные естественные резонансные частоты. Это свойство связано с онкогенным изменением механических свойств структур цитоскелета раковых клеток12,13, согласно которому опухолевые клетки в среднем более деформируются, чем нормальные клетки. Следовательно, благодаря оптимальному выбору частоты ультразвуковой стимуляции колебания, индуцированные в выбранной области, могут вызвать повреждение живых раковых структур, сводя к минимуму эффекты в окружении здорового хозяина. Эти еще не полностью изученные эффекты могут включать в себя разрушение некоторых структурных компонентов клеток из-за высокочастотных вибраций, вызванных ультразвуком (в принципе, очень похоже на литотрипсию14), а также повреждение клеток, вызванное явлениями, подобными механической усталости, которые, в свою очередь, могут изменить клеточную программу и механобиологию. Несмотря на то, что это теоретическое решение выглядит очень подходящим, к сожалению, его нельзя использовать в тех случаях, когда безэховые биологические структуры препятствуют прямому воздействию ультразвука, например, при внутричерепных применениях, из-за наличия кости, а также для некоторых опухолевых образований молочной железы. помещены в положения, где ослабление жировой ткани может ограничить потенциальную терапевтическую эффективность. Чтобы преодолеть эти проблемы, необходимо локализованное применение ультразвука с помощью специально разработанных датчиков, способных достичь места облучения минимально инвазивно. Учитывая это, мы подумали воспользоваться идеей, связанной с возможностью создания инновационной технологической платформы под названием «больница в игле»15. Концепция «больницы в игле» предусматривает разработку минимально инвазивного медицинского инструмента для диагностики и терапии, основанного на интеграции различных функций в одной медицинской игле. Как более подробно обсуждалось в разделе «Больница в игле», такое компактное устройство в основном опирается на преимущества, предлагаемые датчиками на основе оптоволокна16,17,18,19,20,21, которые благодаря своим внутренним характеристикам подходят для введения в просвет стандартной медицинской иглы20,22. Благодаря гибкости, предлагаемой технологией Lab-on-Fiber (LOF)23, оптические волокна фактически становятся уникальной платформой для создания миниатюрных и готовых к использованию устройств как для диагностики, так и для терапии, включая биопсию жидкостей и тканей. на обнаружении соответствующих биомолекул24,25, контролируемой светом локализованной доставке лекарств26,27, высокоточной локализованной ультразвуковой визуализации28, термической обработке29,30 и распознавании раковых тканей на основе оптической спектроскопии31. В этой рамках, воспользовавшись преимуществами локализованного подхода, лежащего в основе устройства «больница в игле», мы изучили возможность направления ультразвуковых волн внутри интересующей области, используя их распространение через иглу, оптимизируя таким образом локализованная стимуляция резидентных биологических структур. Таким образом, можно напрямую применять терапевтические ультразвуки низкой интенсивности с минимальной инвазивностью в зонах риска для обработки ультразвуком клеток, а также небольших твердых масс в мягких тканях, как, например, в вышеупомянутом случае внутричерепных операций, при которых небольшое отверстие внутри череп необходим для введения иглы. Основанный на недавних теоретических результатах и ​​экспериментальных данных, сообщающих о том, что ультразвук может иметь потенциал для остановки или задержки развития некоторых типов рака32,33,34, предлагаемый подход может стать инструментом решения, по крайней мере в принципе, критического компромисса. между инвазивностью и эффектом лечения. Исходя из этих соображений, в настоящей работе мы исследовали возможность использования стационарного игольчатого устройства для минимально инвазивной ультразвуковой терапии рака. Точнее, в разделе «Анализ рассеяния сферических опухолевых масс для оценки зависящих от роста частот ультразвука» мы используем хорошо зарекомендовавшие себя методы эластодинамики и теории акустического рассеяния для прогнозирования резонансных частот сфероидальных солидных опухолей, выращенных в эластичных средах, чтобы управлять колебаниями актюатора, используя различия в жесткости, возникающие между опухолью и тканями хозяина в результате ремоделирования материала, вызванного ростом. Описав в разделе «Больница в игле» систему, которую мы называем «больница в игле», в разделе «Конфигурация иглы для проведения ультразвука» проанализируем распространение ультразвуковых волн на прогнозируемых частотах через медицинскую иглу и их облучение окружающей среды с помощью численной модели с целью изучения основных геометрических параметров (собственно внутреннего диаметра, длины и остроты иглы), влияющих на передачу акустической мощности от инструмента. В свете необходимости разработки новых инженерных стратегий точной медицины предполагается, что предлагаемое исследование может помочь разработать новый инструмент для лечения рака, основанный на использовании ультразвука, применяемого через интегрированную терагностическую платформу, которая сочетает обработку ультразвуком с другими решениями. , такие как адресная доставка лекарств и диагностика в реальном времени, с помощью одной иглы.