Теплофизическое моделирование и результаты экспериментального исследования лазерной гипертермии глиом

РЕЗЮМЕ. Рецидивные и первично неоперабельные небольшие глиомы могут быть эффективно коагулированы малоинвазивной лазерной гипертермией. В статье представлены результаты расчетов температуры и морфологические эффекты лазерной гипертермии на глиоме крысы, лежащих в основе метода малоинвазивной лазерной гипертермии (MILH).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ. Для прогнозирования распространения тепла в глиомах при лазерной гипертермии осуществлено компьютерное моделирование процесса. В эксперименте проведена термометрия гипертермии глиомы в режиме реального времени. Морфологические исследования области лазерной гипертермии сделаны на 7 сутки после облучения.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Математическое моделирование спрогнозировало достижение температуры у кончика оптоволокна в диффузной глиоме (ДГ) 194 °C (синяя линия), а в глиобластоме (ГБ) 108 °C (оранжевая линия) к концу облучения. Расчетный размер коагуляционного некроза достигает 10.9 мм при ГБ и 8.7 мм при ДГ. Исследование на подкожной глиоме крысы показало, что после 30 секунды на 3 мм от кончика оптоволокна температура достигает коагуляции, в максимуме 67.4 °С к 60 секунде. Морфологически зона гипертермии на 7 сутки представлена некрозом, с четкими границами между зоной некроза и окружающей тканью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Лазерная гипертермия с мощностью непрерывного излучения, не превышающей 2 Вт, экспозицией 60 сек, позволяет достигнуть необратимых изменений в ткани. Коагуляционный некроз возникает в рамках приемлемых температур для коагуляции.

1. Ostrom Q.T., Patil N., Cioffi G., Waite K., Kruchko C., Barnholtz-Sloan J.S. CBTRU S Statistical Report: Primary Brain and Other Central Nervous System Tumors Diagnosed in the United States in 2013–2017. Neuro Oncol. 2020;22(2): iv1-iv96. https://doi.org/10.1093/neuonc/noaa200.

2. Stupp R, Mason WP, van den Bent MJ, Weller M., Fisher B., Taphoorn M.J.B., Belanger K., Brandes A. A., Marosi C., Bogdahn U., Curschmann J., Janzer R. C., Ludwin S. K., Gorlia T., Allgeier A., Lacombe D., Cairncross J. G., Eisenhauer E., Mirimanoff R.O. Radiotherapy plus concomitant and adjuvant temozolomide for glioblastoma. New Engl. J. M ed. 2005;352(10):987–996. https://doi.org/10.1056/NEJM oa043330.

3. Mohammadi A.M., Hawasli A. H., Rodriguez A,, Schroeder J . L., Laxton A. W., Elson P., Tatter S. B., Barnett G. H., Leuthardt E. C. The role of laser interstitial thermal therapy in enhancing progressionfree survival of difficult-to-access high-grade gliomas: a multicenter study. Cancer Medicine. 2014;3(4):971–979. https://doi.org/10.1002/cam4.266.

4. Острейко О. В., Можаев С. В., Мацко Д. Е., Шевцов М. А., Поживил А. С. Гистологические характеристики области мозга, подвергнутой лазерной термодеструкции. Ученые записки СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. 2012;12(1):80–82. УДК: 616.831–089:615.849.19. eLIBRARY ID: 22019859 EDN: SNWJON

5. Lippert B. M., Teymoortash A., Folz B. J., Werner J. A. Coagulation and temperature distribution in Nd: YA G interstitial laser thermotherapy: an in vitro animal study. Lasers Med. Sci. 2003;18:19–24. https://doi.org/10.1007/s10103‑002‑0246‑2.

6. Sundqvist J., Kaplan A . F.H., Shachaf L., Kong C. Analytical heat conduction modelling for shaped laser beams. J. of Materials Proces. Techn. 2017:48–54. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.04.011

7. Yakunin A.N, Avetisyan Y. A., Tuchin V. V. Quantification of laser local hyperthermia induced by gold plasmonic nanoparticles. Journal of Biomedical Optics. 2015;20(5):05103(1–9). https://doi.org/10.1117/1.JBO.20.5.051030

8. Jiang S. C., Zhang X. X. Dynamic modeling of photothermal interactions for laser-induced interstitial thermotherapy: parameter sensitivity analysis // Lasers in Medical Science. 2005;20(3):122–131. https://doi.org/10.1007/s10103‑005‑0359‑5.

9. Genina E.A., Bashkatov A. N., Tuchina D. K., Dyachenko (Timoshina) P.A., Navolokin N., Shirokov A., Khorovodov A., Terskov A., Klimova M., Mamedova A., Blokhina I., Agranovich I., Zinchenko E., Semyachkina-Glushkovskaya O.V., Tuchin V. V. Optical properties of brain tissues at the different stages of glioma development in rats: pilot study // Biomed. Opt. Express.- 2019. - Vol.10(10/1). — P. 5182–5197. DO I: 10.1364/BOE.10.005182

10. Honda N., Ishii K., Kajimoto Y., Kuroiwa T., Awazu K. Determination of optical properties of human brain tumor tissues from 350 to 1000 nm to investigate the cause of false negatives in fluorescence-guided resection with 5-aminolevulinic acid // J. Biomed. Opt.— 2018. — Vol.23(7), 075006. https://doi.org/10.1117/1.JBO.23.7.075006

11. Zhang Y. P., Liang X., Wang Z., Ge X. S. A method of determining the thermophysical properties and calorific intensity of the organ or tissue of a living body // Inter. journal of thermophysics.— 2000. — Vol. 21.— № . 1. — P. 207–215. DOI: 10.1023/A:1006669207551.

12. Mohammadi A., Bianchi L., Asadi S., Saccomandi P. Measurement of ex-vivo liver, brain and pancreas thermal properties as function of temperature. Sensors (Basel). 2021;21(12):4236. https://doi.org/10.3390/s21124236.

13. URL: https://www.edmundoptics.com

14. Ostreiko O.V., Galkin M. A., Papayan G. V., Grishacheva T. G., Petrishchev N. N. Application of biophantomes to evaluate the thermal effects of laser radiation with wavelengths of 970 nm and 1560 nm under different exposure modes. Biomedical. Photonics. 2022;11(2):12–22. https://doi.org/10.24931/2413‑9432‑2022‑11‑2‑12‑22.

15. Острейко О. В., Можаев С. В., Шевцов М. А., Поживил А. С. Экспериментальное исследование интерстициальной термодеструкции мозга лазерным излучением инфракрасного спектра, как малоинвазивного способа стереотаксического разрушения мишени. Ученые записки СПбГМУ им. акад. И. П. Павлова. 2012;19(4):77–80. УДК:616.831:615.849.19]-092.4. eLIBRARY ID: 22028767 EDN: SOBLIR.

16. Острейко О.В., Черебилло В. Ю., Холявин А. И., Гаврилов Г. В., Гусев А. А., Вековищева О. Ю. Малоинвазивная лазерная гипертермия в комплексном лечении локального продолженного роста глиобластом (пилотное исследование). Росс. нейрох. Журнал имени проф. А. Л. Поленова. 2023;2 (статья в редакции журнала).

17. Leuthardt EC, Duan C, Kim MJ, Campian JL, Kim AH, Miller-Thomas MM, Shimony J. S., Tranet D.D. Hyperthermic laser ablation of recurrent glioblastoma leads to temporary disruption of the peritumoral blood brain barrier. PL oS ONE. 2016;11(2): e0148613. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148613

18. Man J., Shoemake J. D., Ma T., Rizzo A. E., Godley A. R., Wu Q., Mohammadi A. M., Bao Sh., Rich J. N., Yu J. S. Hyperthermia sensitizes glioma stem-like cells to radiation by inhibiting AKT signaling. Cancer Res. 2015;75(8):1760–1769. https://doi.org/10.1158/0008–5472.CAN‑14–3621.