精密医療のための針照射による腫瘍への超音波

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6513 (2022) この記事を引用

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物理学と生物科学の間の学際的なクロストークに基づいて、精密医療に基づく診断と治療戦略は、多くの医療分野、特に腫瘍学における新しい工学的アプローチの実際の適用可能性として、最近大きな注目を集めています。 この枠組みの中で、腫瘍内のがん細胞を攻撃し、さまざまなスケールで起こり得る機械的損傷を誘発するために使用される超音波の使用は、世界中の学者や科学者からますます注目を集めています。 これらの考慮事項を念頭に置いて、アドホックな弾性力学ソリューションと数値シミュレーションに基づいて、局所的に照射される適切な周波数と出力を選択することを目的として、組織内の超音波の伝播のインシリコモデリングのパイロット研究を提案します。 Lab-on-Fiber テクノロジーに基づく新しいテラグノスティック プラットフォームは、針の中の病院として洗礼され、すでに特許の対象となっています。 分析から得られた結果とそれに関連する生物物理学的洞察は、物理学、工学、工学の相乗効果の増大から始まり、精密医療の将来の応用において中心的な役割を果たす可能性のある新しい統合診断および治療アプローチを構想する道を開く可能性があると考えられています。生物学。

患者への副次的影響を軽減する必要性は、膨大なカテゴリーの臨床応用の最適化において次第に重要な位置を占めるようになりました。 この目的を達成するために、精密医療 1、2、3、4、5 は、基本的に 2 つの主要なアプローチに従って患者に投与される薬剤の投与量を減らすための戦略的目標となっています。 1つ目は、患者のゲノム特性に従って設計された治療法に基づいています。 2 番目の方法は、腫瘍学のゴールドスタンダードになりつつある局所治療も活用することで、少量の薬剤をより高い精度で放出しようとすることで、全身的な薬物送達手順を回避することを目的としています。 最終的な目標は、化学療法薬や放射性核種薬の全身投与など、多くの治療アプローチのマイナスの副作用をキャンセルするか、少なくとも最小限に抑えることです。 放射線療法であっても、がんの種類、その位置、放射線量、その他の要因によっては、健康な組織に対して高い本質的リスクが伴う可能性があります。 神経膠芽腫の治療では、手術により主要ながんの除去に成功しますが、転移がない場合でも、多数の小さながんの浸潤が存在する可能性があります。 完全に除去されない場合、比較的短期間で新しいがん塊が再生する可能性があります。 この場合、これらの浸潤は検出が難しく、かなり広範囲に分布しているため、前述の精密医療戦略を適用するのは非常に困難です。 これらの障害により、精密医療を通じて再発を防ぐ最終的な結果を得る可能性が妨げられるため、使用される薬物の毒性レベルが劇的に高い可能性があるにもかかわらず、いくつかの状況では全身薬物送達アプローチが好まれます。 この問題を克服するための理想的な治療法とは、健康な組織を保存して癌細胞を選択的に攻撃できる低侵襲戦略の採用を意味します。 この議論に沿って、考えられる解決策は超音波振動の使用によって提供されるようです。超音波振動は、単細胞系とメソスケールの異型細胞クラスターの両方において、がん細胞と健康な細胞に異なる効果をもたらすことが実証されています10。 11、12。

機械的な観点から見ると、健康な細胞と癌細胞は実際に異なる固有の共鳴周波数を示します。 この特性は、がん細胞の細胞骨格構造の機械的特性の腫瘍形成性変化と関連しており、これによると、腫瘍細胞は平均して正常細胞よりも変形しやすい。 その結果、刺激の超音波周波数を最適に選択することにより、健康な宿主環境への影響を最小限に抑え、選択された領域に誘発された振動が生きた癌構造に損傷を与える可能性があります。 これらのまだ完全に理解されていない影響には、超音波による高周波振動による一部の細胞構造コンポーネントの破壊（原理的には砕石術に非常に似ています14）や、機械的疲労のような現象によって引き起こされる細胞損傷が含まれる可能性があります。細胞プログラムとメカノバイオロジーを変更します。 この理論的解決策は非常に適しているように見えますが、残念ながら、骨の存在や一部の乳房腫瘍塊の場合など、無響の生物学的構造が超音波の直接照射を妨げる頭蓋内適用などの場合には採用できませんでした。脂肪組織の減衰により潜在的な治療効果が制限される可能性がある位置に配置されます。 これらの問題を克服するには、できるだけ侵襲性を最小限に抑えて照射部位に到達できるアドホックなプローブを使用して、超音波を局所的に適用する必要があります。 これを念頭に置いて、私たちは「針の中の病院」と呼ばれる革新的な技術プラットフォームを作成する可能性に関連するアイデアを活用することを考えました15。 「針の中の病院」コンセプトは、単一の医療針にさまざまな機能を統合することに基づいた、診断および治療用途のための低侵襲医療ツールの開発を構想しています。 「針の中の病院」セクションでさらに詳しく説明されているように、このようなコンパクトなデバイスは主に、光ファイバーベースのプローブによってもたらされる利点に依存しており、その固有の特性により、プローブは適切です。標準的な医療針の内腔に挿入されます20、22。 ラボ・オン・ファイバー (LOF) テクノロジー 23 によって提供される柔軟性を活用することにより、光ファイバーは実際、液体生検や組織生検ベースの診断と治療の両方のための小型化されたプラグアンドプレイ装置を実現するための独自のプラットフォームとして登場しつつあります。関連する生体分子の検出 24,25、光制御による局所薬物送達 26,27、高精度局所超音波イメージング 28、熱治療 29,30、および光分光法 31 に基づく癌組織の認識に関する研究です。 このフレームワークでは、「針の中の病院」デバイスの基礎となる局所的アプローチを利用して、針を通る超音波の伝播を利用して対象領域内に超音波を駆動する可能性を研究しました。常駐の生物学的構造の局所的な刺激。 このようにして、危険な領域に最小限の侵襲性で低強度の治療用超音波を直接適用して、細胞や軟組織内の小さな固形塊を超音波処理することができます。たとえば、前述の頭蓋内手術の場合、内部に小さな穴が開いています。針を挿入するには頭蓋骨が必要です。 超音波が一部の種類の癌の進行を阻止または遅延させる可能性があると報告している最近の理論的結果と実験結果に動機づけられており、提案されたアプローチは、少なくとも原理的には重要なトレードオフを解決するのに役立つ可能性がある。侵襲性と治療の影響の間。 これらの考慮事項に基づいて、今回の研究では、低侵襲の超音波ベースの癌治療のために病院の針装置を使用する可能性を検討しました。 より正確には、「成長依存の超音波周波数を推定するための球状腫瘍塊の散乱解析」セクションでは、確立された弾性力学手法と音響散乱理論を利用して、弾性環境で成長した球状固形腫瘍の共鳴周波数を予測します。成長に誘発された材料のリモデリングの結果として腫瘍と宿主組織の間に生じる剛性の差異を利用して、アクチュエーターの振動を駆動します。 「針の中の病院」セクションで「針の中の病院」と呼ばれるシステムについて説明した後、「超音波誘導のための針の構成」セクションで、医療用針を通る予測周波数の超音波の伝播とその伝播を分析します。機器からの音響パワーの伝達に影響を与える主要な幾何学的パラメーター (実際には針の内径、長さ、鋭さ) を調べるために、数値モデルを利用して周囲の媒体に照射します。 精密医療のための新たに設計された戦略を考える必要性を考慮すると、提案された研究は、超音波処理と他のソリューションを組み合わせた統合診断プラットフォームを通じて投与される超音波の使用に基づく、がん治療のための新しいツールの設計に役立つ可能性があると感じられます。標的薬物送達やリアルタイム診断などを 1 本の針内で実現します。