Подход к вычислительному моделированию для исследования влияния гипертермии на микроокружение опухоли
1 декабря 2023 г.
В статье описан протокол моделирования профилей переходных температур и связанного пространственно-временного изменения давления внутритканевой жидкости после нагрева, выдаваемого системой дипольной радиочастотной гипертермии. Протокол может быть использован для оценки реакции биофизических параметров, характеризующих микроокружение опухоли, на методы интервенционной гипертермии.
Целью данного исследования является использование вычислительного моделирования для изучения влияния локального радиочастотного теплового вмешательства на биомеханику опухоли. Мы сосредоточимся на высоком внутриопухолевом давлении, вызванном аномальным кровотоком внутри опухоли, что является одним из основных барьеров для эффективного распределения терапевтических агентов. Такие вмешательства, как радиочастотная гипертермия, в последнее время были изучены как потенциальный инструмент для нарушения микроокружения опухоли, например, увеличения кровотока и, таким образом, снижения внутриопухолевого давления.
Это может привести к более благоприятным условиям для распределения терапевтических средств и потенциально улучшить реакцию пациента на терапевтическое лечение. В настоящее время для измерения внутриопухолевого давления используются инвазивные методы, которые предоставляют информацию, количественную информацию, только в нескольких местах внутри опухоли. Вычислительная модель может предоставить средства для оценки особого профиля биофизических переменных по всей опухоли.
Протокол — это описание вычислительного процесса, в котором фиксируется взаимосвязь между температурой тканей и перфузией крови, вызывающей изменения внутриопухолевого давления. Протокол описывает геометрию модели, которая в принципе отражает экспериментальные условия in vivo, разработанные для приближения к клиническому тепловому вмешательству. Взгляд на то, как вычислительные модели могут быть использованы для улучшения нашего понимания того, как биофизические параметры опухолевого микроокружения, такие как внутриопухолевое давление, могут быть затронуты локальными термическими вмешательствами.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен протокол компьютерного моделирования для изучения влияния радиочастотной гипертермии на биомеханику опухоли. Основное внимание уделяется воздействию внутриопухолевого давления, вызванного аномальным кровотоком, которое препятствует распределению терапевтических агентов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронауки
- Онкология
- Вычислительное моделирование
Теоретические сведения
- Внутриопухолевое давление является значительным барьером для эффективного лечения.
- Радиочастотная гипертермия может потенциально улучшить кровоток и снизить давление.
- Современные методы измерения внутриопухолевого давления являются инвазивными и ограниченными.
- Вычислительные модели позволяют оценивать биофизические переменные во всей опухоли.
Цель исследования
- Для моделирования температурных профилей и колебаний интерстициального давления жидкости.
- Для оценки реакции микроокружения опухоли на гипертермию.
- Для углубленного понимания распределения терапевтических агентов в опухолях.
Используемые методы
- Компьютерное моделирование термического воздействия.
- Оценка пространственно-временных изменений давления жидкости.
- Моделирование температурных профилей после радиочастотного нагрева.
- Анализ биофизических параметров в микроокружении опухоли.
Основные результаты
- Продемонстрирован потенциал гипертермии в изменении внутриопухолевого давления.
- Получены данные о распределении терапевтических агентов.
- Освещены ограничения современных инвазивных методов измерения.
- Показана эффективность вычислительных моделей в оценке динамики опухоли.
Выводы
- Компьютерное моделирование является ценным инструментом для изучения биомеханики опухолей.
- Гипертермия может улучшить условия для проведения терапевтических вмешательств.
- Необходимы дальнейшие исследования для подтверждения этих результатов в клинических условиях.
Часто задаваемые вопросы
Промышленная значимость
Вычислительное моделирование изменений в микроокружении опухоли, индуцированных гипертермией, позволяет решить критическую проблему доставки лекарственных средств — повышенное внутриопухолевое давление. Путем симуляции взаимодействия между термическим воздействием и биофизическими параметрами опухоли данный подход обеспечивает прогностическую оценку потенциала проникновения терапевтических агентов. Такое моделирование способствует принятию решений на ранних стадиях и снижению рисков для онкологических портфелей препаратов, предназначенных для лечения солидных опухолей.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет количественно оценить, как физические воздействия модулируют опухолевые барьеры для поглощения лекарственных средств.
- Обеспечивает механистическое снижение рисков путем установления связи между термическими эффектами и изменениями интерстициального давления жидкости.
- Способствует исследованию факторов микроокружения, влияющих на эффективность терапии, на основе выдвинутых гипотез.
Скрининг и разработка анализа
- Предоставляет валидированную вычислительную платформу для моделирования условий опухоли, имеющих значение для анализов in vitro и in vivo.
- Обеспечивает воспроизводимое параметризованное тестирование сценариев вмешательства перед их экспериментальной реализацией.
- Поддерживает стандартизацию входных и выходных данных модели для обеспечения сопоставимости результатов различных исследований.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет результаты компьютерного моделирования с экспериментальными моделями для разработки стратегий трансляционных биомаркеров.
- Обеспечивает продвижение с учетом рисков за счет прогнозирования реакций микроокружения на гипертермию.
- Поддерживает преемственность от этапа поискового моделирования до доклинической валидации стратегий доставки лекарственных средств.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный протокол компьютерного моделирования интегрируется в континуум онкологических исследований: от раннего тестирования гипотез до оптимизации доклинических моделей.
- Фундаментальная биология: позволяет количественно оценить влияние гипертермии на интерстициальное давление в опухоли, что необходимо для валидации мишеней.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для сравнения различных условий воздействия.
- Аналитика: предоставляет пространственные и временные профили давления и температуры для надежного анализа данных.
- Трансляционные исследования: связывает вычислительные прогнозы с экспериментальными и доклиническими исследованиями проникновения лекарственных препаратов.
- Корпоративное использование: предлагает модульную платформу моделирования, адаптируемую к различным типам опухолей и параметрам воздействия.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность стратегий терапевтической доставки за счет моделирования модуляции микроокружения.
- Операционная ценность: Снижает зависимость от инвазивных низкопроизводительных измерений благодаря масштабируемому моделированию.
- Стратегическая ценность: Обосновывает принятие решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») путем прогнозирования влияния вмешательства на доступность препарата.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию кандидатов с учетом рисков на основе смоделированной возможности доставки.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области компьютерного моделирования, биофизики и биологии опухолей.
- Необходим доступ к платформам для мультифизического моделирования и параметризованным биологическим данным.
- Требуется согласование допущений модели и стандартов валидации между различными исследовательскими группами.
- Метод может быть адаптирован к различным геометриям опухолей и видам терапевтического воздействия при соответствующей параметризации.
- Эффективность ограничена точностью входных параметров и необходимостью корреляции с экспериментальными данными.
